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定义Definition

排序上鞅

Ranking supermartingale

用非负势函数的统一条件期望下降证明概率程序终止与时间上界,并用对称随机游走说明严格下降的必要性。

形式陈述 ​

设 Fn 为前 n 步信息,循环终止时刻 T 是相对于这份信息的停时,即 {T≤n}∈Fn。令 Vn 为适应于这些信息、非负且可积的势函数过程,停止后保持零。若存在统一常数 ε>0,使

E[Vn+1∣Fn]≤Vn−ε1{T>n},

则 V 是本页采用的具有加性下降的排序上鞅。它强化了上鞅的平均不增,要求未终止时每步平均至少降低 ε。

结论是

ET≤EV0ε<∞,

因而程序几乎必然终止。[1,2] 时间按这里的循环步数计算;若一步可执行无界成本工作,还不能直接把此界当作完整运行时间。

直觉

单条路径可以偶尔向上走,甚至连续很多次上涨;证明不要求每次严格下降。要求的是在知道当前全部历史后,下一步的平均变化仍有统一负余量,且资本不能逃到负无穷。

这个余量给每一个未结束步骤标了至少 ε 的平均消耗。总可消耗量不超过初始势,因此平均未结束步数受到控制。

例子与边界

有偏随机游走的三倍界 ​

令 x 为非负整数,在 x>0 时以概率 2/3 令 x:=x−1,以概率 1/3 令 x:=x+1,到零停止。取 V(x)=x,有

E[Vn+1∣xn=x]=23(x−1)+13(x+1)=x−13.

因此 ε=1/3,从 x=4 出发,期望循环次数至多 12。向上走的分支并未被忽略;正是两种分支的加权平均给出了下降。

不靠不当交换极限的证明 ​

对条件不等式取期望并累加 n 步,得到

EVn+ε∑k<nPr(T>k)≤EV0.

非负性允许丢掉第一项,尾和等于 Emin(T,n)。再由单调收敛定理令 n→∞,即得运行时间界。这个证明只处理有界时刻的有限和,没有直接把一个可能无界的停时塞进可选停止定理。

普通非负上鞅还不够 ​

永不退出的循环可取 Vn≡1,它是非负鞅,却不证明任何终止性质。缺失的是未终止时的严格平均进展。

若改为对称游走,从 1 出发每次等概率增减,到零停止,V(x)=x 的平均变化为零。该程序仍 AST,但期望时间无穷:在 0,N 两端截停时,从 1 出发的平均时间为 N−1,原终止时间不小于它,令 N→∞ 即得无穷。它的 AST 可由先到 N 而非零的概率为 1/N 推出。因而不能给它找到满足本页有限初势、统一正下降条件的证书。

推论与应用

自动验证常从线性或多项式候选 V 出发,把各分支的条件期望下降转成约束。还需检查可达状态上非负、表达式可积以及退出后的处理;只求出一个形式上的负漂移多项式不够。

更一般的 AST 规则允许下降幅度或下降概率依赖当前势值,从而覆盖没有有限期望时间的程序。[1] 本页只陈述最容易核算的统一加性版本,不能把它的充分条件当成 AST 的必要条件。

参考资料
关系图谱11 个相邻概念 · 2 类关系

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