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定义Definition

噪声稳定性与噪声敏感性

Noise stability · Noise sensitivity

用噪声前后输出的相关与翻转概率,区分单个函数的稳定程度和一族函数的噪声敏感极限。

形式陈述 ​

对均匀输入上的布尔值函数 f:{−1,1}n→{−1,1},令 (X,Y) 按噪声算子中的逐坐标独立规则生成,−1≤ρ≤1;仅有每对坐标的相关系数相同,并不足以确定这个联合分布。噪声稳定性定义为

Stabρ(f)=E[f(X)f(Y)]=⟨f,Tρf⟩=∑Sρ|S|f^(S)2.

Tρ 是噪声算子。若每位以概率 η∈[0,1] 独立翻转,则 ρ=1−2η,噪声敏感度为

NSη(f)=Pr[f(X)≠f(Y)]=1−Stab1−2η(f)2.

最后等式因为乘积在相同输出时为 1、不同输出时为 −1。对函数族 fn,常称其噪声敏感,若对每个固定 0<ρ<1,Cov(fn(X),fn(Y))→0;这里协方差应减去 (Efn)2,避免非零均值掩盖独立性。

直觉

频谱平方和表示输出波动分布在哪些阶数。噪声给第 k 阶乘 ρk:若质量集中于低阶,相关保留得较多;若质量不断移向高阶,固定噪声会使相关消失。

“有一定概率翻转”是有限函数的数值;“噪声敏感”通常还包含输入规模增长、噪声率固定的量词。把翻转率随 n 一起缩小,会得到不同极限。

例子与边界

多数与奇偶的可核对比较 ​

三位多数的三个一次系数平方和为 3/4,三阶平方为 1/4,所以

Stabρ(Maj3)=34ρ+14ρ3.

三位奇偶只有三阶质量,稳定性为 ρ3。取逐位翻转概率 η=0.1,即 ρ=0.8:多数稳定性为 0.728、翻转概率为 0.136;奇偶稳定性为 0.512、翻转概率为 0.244。

一般 n 位奇偶满足 Stabρ=ρn→0,因此对任何固定 0<η<1/2,输出翻转概率趋于 1/2。它不是“几乎总翻转”,而是与原输出几乎无关。

奇数位多数在 n→∞ 时满足 Stabρ→(2/π)arcsin⁡ρ。对固定正相关,这个极限大于零,所以多数族并非噪声敏感族。该极限来自两个相关归一化票数和的二维高斯极限。

为什么要逐坐标独立扰动 ​

取两位均匀输入 X,另取一个独立公平符号 R,同时令 Y1=RX1、Y2=RX2。每一对坐标都满足 E[XiYi]=0,两边的边缘也都均匀;但对于奇偶 f=x1x2,总有 f(Y)=f(X),所以稳定性为 1。它没有逐坐标独立的噪声,不能使用 ρ=0 时给出零的频谱公式。

小噪声与总影响 ​

对固定 n,在 η=0 处对频谱公式求导,得到

ddηNSη(f)|η=0=∑S|S|f^(S)2=I(f).

因此总影响是噪声敏感度起点处的斜率;它不是任意噪声强度下的完整曲线。对不断变大的函数族交换求导与极限,还需额外论证。

推论与应用

对于非平衡函数,独立输出也会因共同均值而有正的原始相关。例如常量函数稳定性恒为 1,方差却为零。比较结构时应先固定均值,或明确使用协方差。

多数最稳定定理在固定均值、低坐标影响与非负相关下给稳定性上界。它不是对所有函数的无条件排序;单个独裁者就可以比平衡多数更稳定。

参考资料
关系图谱9 个相邻概念 · 1 类关系

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