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定义Definition

Fourier–Walsh 展开与影响度

Fourier-Walsh expansion · Boolean Fourier analysis

在均匀布尔立方体上用字符正交基展开函数,把方差和坐标影响写成 Fourier 系数的平方和。

形式陈述 ​

取整数 n≥1,输入按 {−1,1}n 上的均匀分布取值。Fourier–Walsh 展开先对任意实值函数 f:{−1,1}n→R 定义;讨论翻转概率时,再将布尔函数的输出编码为 {−1,1}。对 S⊆[n] 定义字符 χS(x)=∏i∈Sxi,并约定 χ∅=1。在内积 ⟨f,g⟩=E[f(X)g(X)] 下,这些字符构成函数内积空间的正交标准基,因此

f(x)=∑S⊆[n]f^(S)χS(x),f^(S)=E[f(X)χS(X)].

系数是归一化均值,不是未除以 2n 的求和。Parseval 恒等式给

E[f2]=∑Sf^(S)2,Var(f)=∑S≠∅f^(S)2.

对布尔值函数,E[f2]=1。翻转第 i 位记为 x⊕i,其平均影响为

Infi(f)=Pr[f(X)≠f(X⊕i)]=∑S∋if^(S)2,I(f)=∑iInfi(f)=∑S|S|f^(S)2.
直觉

字符是不同坐标的奇偶组合:单坐标字符观察一位,二阶字符观察两位乘积,全部坐标的字符就是奇偶函数。展开式告诉我们,输出与每一种奇偶模式有多大相关。

正交性来自 χSχT=χS△T。只要 S≠T,乘积中有某个独立均匀坐标只出现一次,其期望为零;S=T 时乘积恒为一。共有 2n 个字符,恰等于所有实函数空间的维数,所以它们不仅正交,也完整。

影响公式可直接从离散差分得到。(f(x)−f(x⊕i))/2 只保留含 i 的字符;对布尔值函数,它的平方恰是“翻转后输出改变”的指示函数。再用 Parseval,便得到上面的平方和。

例子与边界

三人多数的完整频谱 ​

令 Maj3(x)=sign(x1+x2+x3)。逐一代入八个输入,或按对称性配对,可验证

Maj3(x)=12(x1+x2+x3−x1x2x3).

因此常数、三项二阶系数均为零;三个一次系数各为 1/2,唯一三阶系数为 −1/2。平方和为 3/4+1/4=1。每个坐标影响为 1/4+1/4=1/2,总影响为 3/2。

对奇偶 f(x)=x1x2x3,只有三阶系数为 1,所以每个坐标影响都是 1,总影响为 3。两个函数都均值为零、方差为一,但其质量分布在不同 Fourier 层上。

平均影响不是最坏敏感度 ​

坐标影响对随机输入取平均。多数函数在票数接近打平时对很多坐标敏感,在悬殊局面则不敏感;最坏点敏感度保留最极端输入,平均影响则衡量这些输入出现的比例,不能混为同一个量。

偏置输入下,xi 不再均值为零,当前字符基也不再正交标准。需要先中心化并归一化各坐标,建立适合该乘积分布的基。

推论与应用

噪声算子按次数给字符乘权,KKL 定理则从这些平方和推出某坐标不可过小的影响。旧有的BLR 测试使用三点相关检验是否接近一个字符;本页的完整展开还可描述远非线性的函数结构。

也可以固定字符而改变输入分布。小偏分布让每个非平凡字符的期望都接近零,从而节省奇偶测试需要的随机位。对一般测试函数,展开后只能得到“字符偏差乘以 Fourier 系数绝对值之和”的误差界;每个字符都难以区分,并不意味着所有高效测试都难以区分。

若给出完整真值表,逐个计算全部系数需 O(4n) 的直接求和;快速 Walsh–Hadamard 变换通过递归加减将其降为 O(n2n)。输入本身已有 2n 项,这与通过少量查询寻找显著系数是不同访问模型。

参考资料
关系图谱25 个相邻概念 · 2 类关系

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