Zasada Minimax Yao dotycząca algorytmów Monte Carlo


22

Słynny Yao Minimax Zasada stwierdza zależność między złożonością i dystrybucyjnej randomizowanym złożoności. Niech P być problemu ze skończonego zbioru wejść i skończonego zbioru deterministycznego algorytmu rozwiązania . Niech także oznacza rozkład wejściowy, a niech oznacza rozkład prawdopodobieństwa na . Następnie zasada głosi: XAPDRA

minA∈AEcost(A,D)≤maxx∈XEcost(R,x)for all D and R.
Dowód ten wynika bezpośrednio z twierdzenia von Neumanna o grach o sumie zerowej.

Głównie zasada Yao dotyczy tylko algorytmów Las Vegas , ale można ją uogólnić na algorytmy Monte Carlo w następujący sposób.

12minA∈AEcost2ϵ(A,D)≤maxx∈XEcostϵ(R,x)for all D, R and ϵ∈[0,1/2]
gdzie costϵ(⋅,⋅) oznacza koszt algorytmów Monte Carlo, które mylą prawdopodobieństwo co najwyżej ϵ .

W oryginalnym artykule Yao związek między algorytmami Monte Carlo podano w Twierdzeniu 3 bez dowodu. Jakaś wskazówka na potwierdzenie tego?

Odpowiedzi:


6

To tylko rozszerzony komentarz do odpowiedzi Marcosa, z wykorzystaniem jego zapisu. Nie jestem w stanie śledzić szczegółów jego argumentu, a ten poniżej jest dość krótki i łatwy.

Uśredniając,

∑Aq(A)∑xd(x)ϵ(A,x)=∑xd(x)∑Aq(A)ϵ(A,x)≤λ.

Powyższy fakt i nierówność Markowa implikują .∑A∈β(2λ)q(A)≥1/2

Otrzymujemy więc:

maxx∑Aq(A)r(A,x)≥∑xd(x)∑Aq(A)r(A,x)=∑Aq(A)∑xd(x)r(A,x)≥∑A∈β(2λ)q(A)∑xd(x)r(A,x)≥(∑A∈β(2λ)q(A))minA∈β(2λ)∑xd(x)r(A,x)≥12minA∈β(2λ)∑xd(x)r(A,x)

8

Spróbuję tego. Użyję oryginalnej notacji Yao. W ten sposób łatwiej będzie kontrastować z jego opracowaniem i jego definicjami.

Niech skończonym zestawem danych wejściowych, a A 0 będzie skończonym zestawem deterministycznych algorytmów, które mogą nie dać poprawnej odpowiedzi dla niektórych danych wejściowych. Niech także ϵ ( A , x ) = 0, jeśli A daje poprawną odpowiedź dla x , a ϵ ( A , x ) = 1 w przeciwnym razie. Oznacz również przez r ( A , x ) liczbę zapytań wykonanych przez A na wejściu x lub równoważnie głębokość AIA0ϵ(A,x)=0Axϵ(A,x)=1r(A,x)AxAdrzewo decyzyjne.

Koszt średni: Biorąc pod uwagę rozkład prawdopodobieństwa na I , średni koszt algorytmu A ∈ A 0 wynosi C ( A , d ) = ∑ x ∈ I d ( x ) ⋅ r ( A , x ) .dIA∈A0C(A,d)=∑x∈Id(x)⋅r(A,x)

Złożoność dystrybucyjna: Niech . Dla dowolnego rozkładu d na wejściach, niech β ( λ ) będzie podzbiorem A 0 podanym przez β ( λ ) = { A : A ∈ A 0 , ∑ x ∈ I d ( x ) ⋅ ϵ ( A , x ) ≤ λ }λ∈[0,1]dβ(λ)A0β(λ)={A:A∈A0,∑x∈Id(x)⋅ϵ(A,x)≤λ}. Złożoność dystrybucyjna z błędem dla problemu obliczeniowego P jest zdefiniowana jako F 1 , λ ( P ) = max d min A ∈ β ( λ ) C ( A , d ) .λPF1,λ(P)=maxdminA∈β(λ)C(A,d)

tolerancja:λrozkład w rodzinie A 0 jest λ - tolerancyjny, jeśli max x ∈ I ∑ A ∈ A 0 q ( A ) ⋅ ϵ ( A , x ) ≤ λ .qA0λmaxx∈I∑A∈A0q(A)⋅ϵ(A,x)≤λ

Oczekiwany koszt: Dla algorytmu randomizowanego , niech q będzie rozkładem prawdopodobieństwa, który jest tolerancyjny dla λ na A 0 . Przewidywane koszty z R dla danego wejścia x jest E ( R , x ) = Σ ∈ 0 P ( ) ⋅ R ( , x ) .RqλA0RxE(R,x)=∑A∈A0q(A)⋅r(A,x)

Losowość złożoności: Niech . Losowa złożoność z błędem λ wynosi F 2 , λ = min R max x ∈ I E ( R , x ) .λ∈[0,1]λF2,λ=minRmaxx∈IE(R,x)

Teraz jesteśmy gotowi do rozpoczęcia działalności. To, co chcemy udowodnić, to rozkład na wejściach i losowy algorytm R (tj. Rozkład q na A 0 )dRqA0

Zasada minimów Yao dla algorytmów Montecarlo dlaÎ∈[0,1/2].

maxx∈IE(R,x)≥12minA∈β(2λ)C(A,d)
λ∈[0,1/2]

Podążę za podejściem Ficha, Meyera auf der Heide, Ragde i Wigderson (patrz Lemat 4). Ich podejście nie daje charakterystyki algorytmów Las Vegas (tylko dolna granica), ale jest wystarczające do naszych celów. Z ich dowodu łatwo zauważyć, że dla każdego i IA0I

Zastrzeżenie 1. .maxx∈IE(R,x)≥minA∈A0C(A,d)

Aby uzyskać tam prawidłowe liczby, zrobimy coś podobnego. Biorąc pod uwagę, że rozkład prawdopodobieństwa podany przez randomizowany algorytm R jest λ- tolerancyjny na A 0 , mamy to λqRλA0 Jeśli zastąpimy rodzinę0zβ(2λ)widzimy, że

λ≥maxx∈I{∑A∈A0q(A)⋅ϵ(A,x)}≥∑x∈Id(x)∑A∈A0q(a)⋅ϵ(A,x)=∑A∈A0q(a)∑x∈Id(x)⋅ϵ(A,x)≥minA∈A0{∑x∈Id(x)⋅ϵ(A,x)}.
A0β(2λ)

λ≥maxx∈I{∑A∈A0q(A)⋅ϵ(A,x)}≥maxx∈I{∑A∈β(2λ)q(A)⋅ϵ(A,x)}≥∑x∈Id(x)∑A∈β(2λ)q(a)⋅ϵ(A,x)=∑A∈β(2λ)q(a)∑x∈Id(x)⋅ϵ(A,x)≥minA∈β(2λ){12∑x∈Id(x)⋅ϵ(A,x)},

β(2λ)⊆A0β(2λ)λ

maxx∈I{∑A∈A0q(A)⋅ϵ(A,x)}≥12minA∈β(2λ){∑x∈Id(x)⋅ϵ(A,x)}.

By noting that ϵ maps to {0,1} and r maps to N and Claim 1 above, now we can safely replace the function ϵ in the inequality above by r(A,x) to obtain the desired inequality.


Is there a short explanation for where the factor of 2 comes from?
— Robin Kothari

in short, it comes from the definition of β(2λ). The summation in the definition divided by 2 is at most λ.
— Marcos Villagra

something seems strange to me. by definition, maxA∈β(2λ)){12∑x∈Id(x),ϵ(A,x)}≤λ so why the min?
— Sasho Nikolov

and i don't understand the last sentence. how did you make an entire argument about ϵ and then replaced it with r?
— Sasho Nikolov

regarding your first question, I added more details.
— Marcos Villagra
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.