Каков наилучший способ получить бросок монеты с одинаковым смещением?


21

(Фон Нейман дал алгоритм, который имитирует честную монету при доступе к одинаковым смещенным монетам. Алгоритм потенциально требует бесконечного числа монет (хотя в ожидании достаточно конечного числа). Этот вопрос касается случая, когда допустимое количество бросков монет ограниченная.)

Предположим, у нас есть одинаковых монет с уклоном . Цель состоит в том, чтобы смоделировать бросок одной монеты при минимальном смещении.δ = P [ H e a d ] - P [ T a i l ]nδ=P[Head]−P[Tail]

Моделирование должно быть эффективным в следующем смысле: алгоритм, работающий за полиномиальное время, просматривает случайных битов и выводит один бит. Смещение алгоритма определяется какгде ожидание берется по распределению, определенному iid битами такими, что Prob [x_i = 1] -Prob [x_i = 0] = \ delta .B i a s ( A ) = | E [ A = 0 ] - E [ A = 1 ] | n x 1 , … , x n P r o b [ x i = 1 ] - P r o b [ x inBias(A)=|E[A=0]−E[A=1]|nx1,…,xnProb[xi=1]−Prob[xi=0]=δ

Какой алгоритм работает в полиномиальное время имеет наименьшее смещение смещения (А) ?ABias(A)

Этот вопрос кажется мне очень естественным, и вполне вероятно, что он рассматривался ранее.

Что известно об этой проблеме? Известно ли что-нибудь, когда рассматривается более слабый класс (в AC0 и т. Д.) Алгоритмов?

Ответы:


15

Бросив n смещенных монет и взяв соотношение паритетов, экспоненциально приближается к .12

[Для доказательства рассмотрим случайную переменную, которая равна -1 для голов и 1 для хвостов, тогда вероятность наличия нечетного числа голов составляет всего лишь ]E[12+12∏iXi]=12+12δn

Возможно, это также оптимально по следующей причине. Пусть будет любой композиционной функцией этих битов. Тогда и лучшим кажется функцией четности (не так ли?).fBias(f)=∑Sf^(S)δ|S|f

Если вы заинтересованы в композиционных функциях меньшей сложности, то, возможно, статья Райана О'Доннелла «Усиление твердости в NP» была бы очень актуальной. Там он использует монотонные композиционные функции для усиления твердости, а функции, которые работают, характеризуются их чувствительностью к шуму.


Не могли бы вы пояснить, почему паритет должен быть лучшей функцией? (Кроме того , не то, что она имеет значение очень асимптотически, но не должно быть , что в разложении Фурье , так как Е [ х я ] = δ ?). Спасибо за указатель на бумагу! delta|S|E[xi]=δ
— Хрушикеш

О, извини, ты прав. Выражение было неверным и теперь исправили его. У меня нет доказательства оптимальности (возможно , не является оптимальным) , но причина , почему я догадался так, что это было бы верно , если выражение было вместо так как это тогда выпуклая комбинация. ∑Sf^(S)2δ|S|
— Рампрасад

Возможно, это могло бы пролить некоторый свет. По Коши-Шварца, мы знаем , что , Одним из способов оптимизации было бы сведение к минимуму верхней границы, насколько это возможно, и это происходит, когда функцияfявляется функцией четности, и в этом случае интересующая нас величина совпадает также с верхней границей. Однако, это может быть тот случай, когда вектор коэффициентов Фурье полностью ортогоналенδ-вектору, и в этом случае LHS равен нулю! Существуют ли специальные значенияδ,для которых мы знаем такие примеры? ∑Sf^(S)≤∑S:f^(S)≠0δ2|S|fδδ
— Рампрасад

На самом деле, если взять какую-то нетривиальную монотонную функцию , то при δ = - 1 ожидание вероятности того, что f ( x 1 , ⋯ , x n ) = 1, равно 0, а при δ = 1 - 1 . Следовательно, для некоторого промежуточного δ оно должно принимать значение 1fδ=−1f(x1,⋯,xn)=1δ=11δ . Следовательно, было бы несправедливо ожидать, что для каждогоδфункция четности является оптимальной. 12δ
— Рампрасад

Можете ли вы объяснить последний комментарий более подробно? Игнорирование проблемы сложности F, является не ваше заключение верно только если для б ≥ 1E[f]=1/2 поскольку четность принимает смещение отδдоδn? δ≥121/nδδn
— Хрушикеш

12

Вы не говорите, если предвзятость известна или неизвестна. Магия алгоритма фон Неймана заключается в том, что он работает в любом случае.

Предположим, это известно. Лучший ответ в этом случае критически зависит от теоретических особенностей смещения. Давайте возьмем р = 2/3. Подбросьте монету дважды и отобразите HH на 0, а TH и HT на 1, повторив эксперимент, если результат будет TT. Тогда 0 и 1 одинаково вероятны, и вероятность повторения составляет всего 1/9 вместо 5/9 с алгоритмом фон Неймана. Или, если выразить это словами, вы смещаете один из результатов только на 1/9, если ваш предел итерации равен 2.

Все это тесно связано с теорией информации и теорией кодирования. Когда p является дробью с более сложным числителем и знаменателем, лучший алгоритм потребует большей длины блока, чем 2. Вы можете использовать аргумент существования в стиле Шеннона, чтобы показать, что для данного смещения существует процедура, которая является оптимальной, так как Вы хотите, но длина блока может быть очень большой.

Перес в своей статье « Итерация процедуры фон Неймана для извлечения случайных битов» доказывает, что версия алгоритма фон Неймана может подходить к пределу Шеннона произвольно хорошо. Большая часть работы в этой области, похоже, была проделана теоретиками и статистиками, поэтому я не могу представить ни одного документа с теоретико-сложным уклоном, который бы дал вам прямой ответ на ваш вопрос.

Существует забавная проблема, которая требует обратного: если у вас есть источник достоверных битов, как вы эффективно генерируете равномерное распределение по некоторому набору не-степени-двух? Ограниченная итерациями версия проблемы, схожая с вашим вопросом, просит максимизировать энтропию (т.е. сделать распределение как можно более равномерным) с n бросками честной монеты.


1
Мне пришло в голову, что оптимизация времени выполнения без смещения (то, что делает бумага) - это двойственное отношение Лагранжа к оптимизации смещения в зависимости от времени работы. Итак, я думаю, что статья действительно отвечает на ваш вопрос!
— Per Vognsen

5

Я предпочитаю думать об этом вопросе в следующей обобщенной форме: у нас есть полное двоичное дерево высоты n, где каждому узлу присваивается число, а сумма чисел равна 1. Можем ли мы разделить листья на два множества, где суммы номера их близки?

pq=1−ppiqn−i

∑i(ni)parity(x)piqn−i=∑i(ni)(−p)iqn−i=(q−p)n

PSpace

РЕДАКТИРОВАТЬ "Это в основном проблема кодирования Шеннона." (Спасибо Per Vognsen.) Конец редактирования

AC0

(Этот ответ может содержать ошибки, я не проверил детали.)


2
«Можем ли мы разделить листья на два набора, чтобы суммы чисел были близки?» Это в основном проблема кодирования Шеннона. Алгоритм Шеннона-Фано является нисходящим и начинается с набора взвешенных по вероятности элементов и запрашивает четное разделение на две части. Применение этого рекурсивно дает интегральный код без префиксов. Алгоритм Хаффмана является восходящим: он начинается с одноэлементных деревьев и многократно объединяет пары с минимальной вероятностью. Если вы знаете об арифметическом кодировании, это также справедливо говорит о том, что лучше генерировать сразу несколько правильных битов, а не по одному за раз.
— Per Vognsen

4

Вы также можете получить много случайных битов из смещенных монет, см. Статью Габизона «Дерандомизированные алгоритмы» в разделе «Распределение продуктов» (http://sites.google.com/site/arielgabizon1/).



1

Если вы хотите, чтобы четное число подбрасываний монет было беспристрастным по отношению к предвзятым монетам, простой способ убрать смещение - это обратный результат каждого другого броска.


1
Это, конечно, не приведет к равномерно случайной последовательности. Представьте предельный случай, когда смещение монеты становится равным 1 - вы просто получаете детерминированную чередующуюся последовательность бит.
— Аарон Рот

Любая стратегия, которая биективно перераспределяет результаты, сохранит энтропию, поэтому она не может изменить распределение с не максимальной энтропии (смещенной) на максимальную энтропию (смещенной).
— В Вогнсен
Используя наш сайт, вы подтверждаете, что прочитали и поняли нашу Политику в отношении файлов cookie и Политику конфиденциальности.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.