Teoria informacji użyta do udowodnienia trafnych twierdzeń kombinatorycznych?


54

Jakie są twoje ulubione przykłady, w których teoria informacji jest wykorzystywana do udowodnienia zgrabnego kombinatorycznego stwierdzenia w prosty sposób?

Niektóre przykłady, które mogę wymyślić, są związane z dolnymi granicami dla dekodowanych lokalnie kodów, np. W tym artykule: załóżmy, że dla wiązki ciągów binarnych długości ma to, że dla każdego , dla różny pary { },Zatem m jest co najmniej wykładnicze w n, gdzie wykładnik zależy liniowo od średniego stosunku . n i k i j 1 , j 2 e i = x j 1 ⊕ x j 2 . k i / mx1,...,xmnikij1,j2

ei=xj1⊕xj2.
ki/m

Innym (pokrewnym) przykładem są pewne nierówności izoperymetryczne na kostce boolowskiej (prosimy o rozwinięcie tego w odpowiedziach).

Czy masz więcej fajnych przykładów? Najlepiej krótki i łatwy do wyjaśnienia.


czy ktoś może podać odwołanie do „Innym (pokrewnym) przykładem są pewne nierówności izoperymetryczne na kostce boolowskiej”?
— vzn

Odpowiedzi:


40

Dowód Mosera o konstruktywnej lemacie Lovasz . Zasadniczo pokazuje, że w warunkach lokalnego lematu, drugi najprostszy algorytm dla SAT, który można wymyślić, działa. (Pierwszym najprostszym może być po prostu wypróbowanie losowego przydziału, dopóki jedno nie zadziała. Dowód, że działa to w czasie wielomianowym, jest prawdopodobnie najbardziej eleganckim zastosowaniem teorii informacji (lub złożoności Kołmogorowa, jakkolwiek chcesz to nazwać w tym przypadku), jaką kiedykolwiek widziałem.


1
Piękny dowód złożoności Mosera na złożoność Kołmogorowa wyjaśniono tutaj: blog.computationalcomplexity.org/2009/06/… , ale muszę przyznać, że szukałem bardziej przykładu typu entropii / wzajemnej informacji / obliczeń ...
— Dana Moshkovitz,

Istnieje kilka bardzo ciekawych zastosowań Złożoność Kołmogorowa podane jako odpowiedzi na to pytanie: cstheory.stackexchange.com/questions/286
— Arnab

Terry Tao omówił również argument Mosera na swoim blogu: terrytao.wordpress.com/2009/08/05/…
— Anthony Leverrier

5
Właściwie w jego drugim artykule (z Tardos) nie musisz już uciekać się do rekurencji. Po prostu szukasz niezadowolonej klauzuli, wybierasz losowe przypisanie jej zmiennych i iterujesz . Otóż ​​to. Z jakiegoś powodu prostszy algorytm (mający tę samą analizę) nie utknął.
— Yuval Filmus

@DanaMoshkovitz: Nie wiem, dlaczego nie przyszło mi do głowy, aby powiedzieć wcześniej w odpowiedzi na twój komentarz: złożoność Kołmogorowa i entropia są pod wieloma względami zasadniczo równoważne. Patrz np młot Romaschenko-Shen-Vershchagin: dx.doi.org/10.1006/jcss.1999.1677 . Na przykład, na podstawie [HRSV], dowód Lemmy Shearera w odpowiedzi arnabu można udowodnić w zasadzie tym samym dowodem, stosując złożoność Kołmogorowa zamiast entropii. Różnica polega tylko na punkcie widzenia: K to długość opisu, H to około ... Czasami jedno jest łatwiejsze / bardziej naturalne niż drugie. ∑pilog⁡pi
— Joshua Grochow

33

Moim ulubionym przykładem tego typu jest oparty na entropii dowód Lemmy Shearera. (Dowiedziałem się o tym dowodzie i kilku innych bardzo ładnych z Entropii i liczenia Jaikumara Radhakrishnana .)

Twierdzenie: Załóżmy, że punktów w R 3 , które n x Najpierw odrębne występy na y oo -plane, n y odrębne występy na x oo -plane i n ż odrębne występy na x y -plane. Następnie n 2 ≤ n x n y n z .nR3nxyznyxznzxyn2≤nxnynz

Dowód: Niech będzie punktem losowo wybranym losowo spośród n punktów. Niech p x , p y , p z oznaczają jego rzuty odpowiednio na płaszczyzny y z , x z i x y . p=(x,y,z)npxpypzyzxzxy

Z jednej strony , H [ p x ] ≤ log n x , H [ p y ] ≤ log n y i H [ p z ] ≤ log n z , przez podstawowe właściwości entropii.H[p]=log⁡nH[px]≤log⁡nxH[py]≤log⁡nyH[pz]≤log⁡nz

Z drugiej strony mamy a także H [ p x ] = H [ y ] + H [ z | y ] H [ p y ] = H [ x ] + H [ z

H[p]=H[x]+H[y|x]+H[z|x,y]
H[px]=H[y]+H[z|y]
H [ p z ] = H [ x ] + H [ y | x ] Dodanie trzech ostatnich równań daje nam: H [ p x ] + H [ p y ] + H [ p z ] = 2 H [ x ] + H [ y ] + H [ y | x ] + H
H[py]=H[x]+H[z|x]
H[pz]=H[x]+H[y|x]
H[px]+H[py]+H[pz]= 2H[x]+H[y]+ H.[y|x]+ + H [ z | y ] ≥ 2 H [ x ] + 2 H [ y | x ] + 2 H [ z | x , y ] = 2 H [ p ] , gdzie wykorzystaliśmy fakt, że warunkowanie zmniejsza entropię (ogólnie H [ a ] ≥ H [ a | b ]H.[z|x] +H.[z|y] ≥2)H.[x]+2)H.[y|x]+2)H.[z|x,y]= 2)H.[p]H.[za]≥H.[za|b]dla dowolnych zmiennych losowych ).za,b

Mamy zatem lub n 2 ≤ n x n y n z .2)log⁡n≤log⁡nx+log⁡ny+log⁡nzn2≤nxnynz


6
Powiązany artykuł do sprawdzenia to „Hypergraphs, Entropia i nierówności” Ehuda Friedguta. Pokazuje, w jaki sposób perspektywa entropii, w szczególności uogólniona lemina Shearera, może łatwo odzyskać wiele standardowych nierówności, a także niektóre niestandardowe, o skomplikowanym wyglądzie. Myślę, że daje to świetną perspektywę. Link: ma.huji.ac.il/~ehudf/docs/KKLBKKKL.pdf
— Andy Drucker

26

Dowód Radhakrishnana dla twierdzenia Bregmana, że ​​liczba idealnych dopasowań na wykresie dwudzielnym ( L ∪ R , E ) wynosi co najwyżej ∏ v ∈ L ( d ( v ) ! ) 1 / d ( v ) . Dowód wykorzystuje dwa bardzo sprytne pomysły. Oto szkic dowodu:p(L∪R,E)∏v∈L(d(v)!)1/d(v)

  • Wybierz idealnie pasujące równomiernie. Entropia tej zmiennej to H ( M ) = log p .MH(M)=log⁡p
  • Na , niech x V jest wierzchołek w R , który jest dopasowany do V w M .v∈LXvRvM
  • Zmienna ma takie same informacje jak M , więc H ( M ) = H ( X ) .X=(Xv:v∈L)MH(M)=H(X)
  • Sprytna idea 1: Poprzez losowe (i jednolite) wybranie rzędu na L , Radhakrishnan zapewnia „losową regułę łańcucha” stwierdzającą H ( X ) = ∑ v ∈ L H ( X v | X u : u < v , ≤ ) .≤LH(X)=∑v∈LH(Xv|Xu:u<v,≤)
  • Na podstawie informacji w warunkach ( ) możemy określić N v = | N ( v ) ∖ X u : u < v | (z grubsza: liczba opcji dopasowania v ).Xu:u<v,≤Nv=|N(v)∖Xu:u<v|v
  • Ponieważ jest określana na podstawie tych informacji, uwarunkowana entropia nie zmienia w zakresie równości H ( X v | X u : u < v , ≤ ) = H ( X v | X u : u < v , ≤ , N v ) .NvH(Xv|Xu:u<v,≤)=H(Xv|Xu:u<v,≤,Nv)
  • Sprytna idea 2: „Zapominając” o informacjach , możemy jedynie zwiększyć entropię: H ( X v | X u : u < v , ≤ , N v ) ≤ H ( X v | N v ) .Xu:u<v,≤H(Xv|Xu:u<v,≤,Nv)≤H(Xv|Nv)
  • Szalony fakt: Zmienna jest równomiernie rozłożona na zbiorze 1 , … , d ( v ) .Nv1,…,d(v)
  • Teraz, aby obliczyć entropię , sumujemy wszystkie wartości N v : H ( X v | N v ) = ∑ d ( v ) i = 1 1H(Xv|Nv)NvH(Xv|Nv)=∑i=1d(v)1d(v)H(Xv|Nv=i)≤1d(v)∑i=1d(v)log⁡i=log⁡((d(v)!)1/d(v)).
  • Wynik wynika z połączenia wszystkich nierówności i wzięcia wykładników.

Uogólnienie tej nierówności jest Kahn-Lovász Twierdzenie Numer doskonałych skojarzeń w każdym wykresie wynosi co najwyżej gatunku V ∈ V ( G ), ( d ( v ) ! ) 1 / 2 d ( v ) . Dowód entropii tego wyniku został udowodniony przez Cutlera i Radcliffe'a .G∏v∈V(G)(d(v)!)1/2d(v)


1
Świetny przykład! Mały punkt: gdy szacujesz , prawdopodobnie możesz jedynie powiedzieć, że H ( X v ∣ N v = i ) jest górną granicą log i . H(Xv∣Nv)H(Xv∣Nv=i)log⁡i
— Srikanth

Masz absolutną rację, a ja zredagowałem odpowiedź, by użyć nierówności.
— Derrick Stolee

20

Bardzo ładne przykłady zawarte są w dwóch artykułach Pippengera Anonimowo-teoretyczna metoda w teorii kombinatorycznej. J. Comb. Teoria, Ser. A 23 (1): 99-104 (1977) oraz Entropia i wyliczenie funkcji boolowskich. Transakcje IEEE dotyczące teorii informacji 45 (6): 2096–2100 (1999). W rzeczywistości kilka prac Pippengera zawiera urocze dowody kombinatorycznych faktów za pomocą entropii / wzajemnej informacji. Dwie książki: Jukna, Extremal Combinatorics With Applications in Computer Science i Aigner, Combinatorial Search mają kilka dobrych przykładów. Lubię też dwa artykuły Madiman i in. Teoretyczne nierówności w addytywnym kombinatoryka i Terence Tao, szacunki sum Entropy (można je znaleźć w Google Scholar). Mam nadzieję, że to pomoże.


Wygląda jak świetna lista lektur!
— Dana Moshkovitz

17

Innym świetnym przykładem jest alternatywny dowód Terry Tao na lemat o regularności wykresu Szemerédiego . Używa perspektywy teoretycznej, aby udowodnić silną wersję lematu regularności, co okazuje się niezwykle przydatne w jego dowodzie lematu regularności dla hipergraphów . Dowód Tao jest jak dotąd najbardziej zwięzłym dowodem lematu o regularności hipergrafów.

Pozwól, że spróbuję wyjaśnić na bardzo wysokim poziomie tę teoretyczną informację.

Załóżmy, że masz dwuczęściowy wykres z dwoma zestawami wierzchołków V 1 i V 2 oraz zestawem brzegowym E podzbiorem V 1 × V 2 . Gęstość krawędzi G wynosi ρ = | E | / | V 1 | | V 2 | . Mówimy, G jest ε -regular jeżeli dla wszystkich U 1 ⊆ V 1 i U 2 ⊆ V 2GV1V2V1×V2Gρ=|mi|/|V.1||V.2)|solϵU1⊆V.1U2)⊆V.2), gęstość krawędzi podsgrafu indukowana przez i U 2 wynosi ρ ± ϵ | U 1 | | U 2 | / | V 1 | | V 2 | .U1U2)ρ±ϵ|U1||U2)|/|V.1||V.2)|

Teraz rozważ wybranie wierzchołka z V 1 i wierzchołka x 2 z V 2 , niezależnie i równomiernie losowo. Jeśli ε jest mały i U 1 , U 2 są duże, możemy interpretować ε -regularity z G jak mówienie, że klimatyzacja x 1 aby być w U 1 i x 2 , aby być w U 2 nie wpływa znacznie prawdopodobieństwo, że ( x 1 , x 2x1V.1x2)V.2)ϵU1,U2)ϵsolx1U1x2)U2) Tworzy krawędź z G . Innymi słowy, nawet po otrzymaniu informacji, że x 1 jest w U 1, a x 2 jest w U 2 , nie uzyskaliśmy wielu informacji na temat tego, czy ( x 1 , x 2 ) jest krawędzią, czy nie.(x1,x2))solx1U1x2)U2)(x1,x2))

Lemat Szemeredi (nieformalnie) gwarantuje, że dla każdego wykresu można znaleźć podział i podział V 2 na podzbiory o stałej gęstości, tak że dla większości takich par podzbiorów U 1 ⊂ V 1 , U 2 ⊂ V 2 , indukowany wykres podrzędny na U 1 × U 2 jest ϵ- nieregularny. Dokonując powyższej interpretacji, biorąc pod uwagę dowolne dwie zmienne o wysokiej entropii x 1 i x 2 , oraz dane dowolne zdarzenie E ( xV.1V.2)U1⊂V.1,U2)⊂V.2)U1×U2)ϵx1x2) , możliwe jest znalezienie zmiennych o niskiej entropii U 1 ( x 1 ) i U 2 ( x 2 ) - „niska entropia”, ponieważ podzbiory U 1 i U 2 mają stałą gęstość - takie że E jest w przybliżeniu niezależne od x 1 | U 1 i x 2 | U 2mi(x1,x2))U1(x1)U2)(x2))U1U2)mix1|U1x2)|U2)lub że wzajemna informacja między zmiennymi jest bardzo mała. Tao faktycznie formułuje znacznie silniejszą wersję lematu regularności, używając tego ustawienia. Na przykład, nie wymaga on, aby i x 2 były zmiennymi niezależnymi (chociaż, o ile wiem, nie było jeszcze zastosowania tego uogólnienia). x1x2)


15

Zasadniczo jest to cały kurs poświęcony temu pytaniu:

https://catalyst.uw.edu/workspace/anuprao/15415/86751

Kurs wciąż trwa. Dlatego nie wszystkie notatki są dostępne w chwili pisania tego. Ponadto niektóre przykłady z kursu zostały już wspomniane.


3
ładny wskaźnik: wygląda jak świetna klasa.
— Suresh Venkat

1
O ile mi wiadomo, ta oferta jest w połowie kursu, z notatkami zawierającymi przykłady, które dają dobre odpowiedzi na moje pytanie, i w połowie seminarium, obejmujące przykłady takie jak komunikacja dolnej granicy, ekstraktory, równoległe powtarzanie itp., Które wymagają znacznie więcej niż tylko teoria informacji (tutaj nie ma notatek, tylko linki do oryginalnych prac).
— Dana Moshkovitz,

7

nℓ2)re1±ϵreO(log⁡n/ϵ2))Ω(log⁡n/(ϵ2)log⁡(1/ϵ)))∼log⁡(1/ϵ)


4
ℓ1re

Wydaje się bardzo naturalne i fajne, że te czysto geometryczne wyniki zostały udowodnione przez ludzi z TCS!
— ilyaraz,

6

mu∈[m]x∈[m]x=utt

O(m1/t)log⁡muti∈[t](log⁡m)/tiu

X[m]H[X]=log⁡mX1,…,XttH[X]=H[X1]+H[X2|X1]+⋯+H[Xt|X1,…,Xt−1]≤tlog⁡sss≥m1/t

t>1



3

Analiza średnich przypadków algorytmów wykorzystujących złożoność Kołmogorowa przez Jiang, Li, Vitanyi.

„Analiza złożoności algorytmów średniej wielkości przypadków jest bardzo praktycznym, ale bardzo trudnym problemem w informatyce. W ciągu ostatnich kilku lat wykazaliśmy, że złożoność Kołmogorowa jest ważnym narzędziem do analizy złożoności algorytmów w średnich przypadkach. Opracowaliśmy metodę nieściśliwości [7]. W tym artykule wykorzystujemy kilka prostych przykładów, aby dodatkowo zademonstrować moc i prostotę takiej metody. Udowadniamy ograniczenia średniej liczby stosów (kolejek) wymaganych do sortowania sekwencyjnego lub równoległego Queueusort lub Stacksort. ”

Zobacz także np. Złożoność Kołmogorowa i problem trójkąta typu Heilbronna .


3

Równoważność pobierania próbek i wyszukiwania przez Scotta Aaronsona. Tutaj pokazuje równoważność problemu próbkowania i poszukiwania w teorii złożoności w odniesieniu do ważności rozszerzonej tezy Church-Turinga. Standardowa teoria informacji, algorytmiczna teoria informacji i złożoność Kołmogorowa są wykorzystywane w fundamentalny sposób.

Podkreśla:
„ Podkreślmy, że nie używamy złożoności Kołmogorowa jedynie jako wygody technicznej lub jako skrótu do liczenia argumentów. Raczej złożoność Kołmogorowa wydaje się niezbędna nawet do zdefiniowania problemu wyszukiwania. ”


0

To proste, a także przybliżenie: ile kombinacji 10 6 rzeczy z 10 9 , pozwalając na duplikaty? Prawidłowa formuła to

N = (10 6 + 10 9 )! / (10 6 ! 10 9 !) ~ = 2 11409189.141937481

Ale wyobraź sobie, że dajesz instrukcje, aby przejść wzdłuż rzędu miliarda wiader, zrzucając milion kulek do wiader po drodze. Będzie ~ 10 9 instrukcji „krok do następnego wiadra” i 10 6 instrukcji „upuść marmur”. Łączna informacja to

log 2 (N) ~ = -10 6 log 2 (10 6 / (10 6 + 10 9 )) - 10 9 log 2 (10 9 / (10 6 + 10 9 )) ~ = 11409200.432742426

co jest zabawnym, ale całkiem dobrym sposobem na przybliżenie liczby (dziennika). Podoba mi się, ponieważ działa, jeśli zapomnę, jak robić kombinatorykę. Jest to równoważne z powiedzeniem tego

(a + b)! / a! b! ~ = (a + b) (a + b) / a a b b

co jest jak użycie przybliżenia Stirlinga, anulowanie i pominięcie czegoś.


2
Może to być bardziej czytelne, jeśli wykonasz ogólne ograniczenie, a nie określone liczby. Myślę, że mówisz o aproksymacyjnym przybliżeniu objętości piłki Hamminga.
— Sasho Nikolov

Korzystając z naszej strony potwierdzasz, że przeczytałeś(-aś) i rozumiesz nasze zasady używania plików cookie i zasady ochrony prywatności.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.