Schwartz–Zippel引理的替代证明


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我只知道Schwartz–Zippel引理的两个证明。维基百科条目中描述了第一个(更常见的)证明。第二个证据是Dana Moshkovitz发现的。

还有其他证据使用的想法大相径庭吗?


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您能谈谈您的动机吗?寻找不同方向的概括?也许几何洞察力?
Per Vognsen

我真的没有任何特别的动机。我将非常惊讶地发现,这是证明这一重要引理的仅有两种可能的方法!
戴乐

虽然我同意这个引理很重要,但重要引理不一定有许多不同的已知证明。因此,您的理由对我来说有点奇怪。
伊藤刚(Tsuyoshi Ito)2010年

1
@Tsuyushi Ito:我同意你的评论,即重要引理可能没有许多已知的证据。但是我想问一下SZ Lemma是否也是如此。由于SZ是基本的,很可能它是由来自不同背景的许多人独立发现的。因此,学习不同的证明有时会启发恕我直言。再次感谢大家的好评!
戴乐

Answers:


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这是我要进行几何证明的另一个想法。它以一种必不可少的方式使用射影几何。

cFm是超曲面以外的仿射点S。以c为中心将超曲面投影到无穷远处的超平面上;即,映射每个xSp(x)的独特线的交点通过,cx与在无穷远处的超平面。在无限远点的下的原像p都位于同一行上,因此(再次将问题缩小到1维),其中大多数d。在无限的超平面具有基数,因此我们得到了熟悉的上限 | S | d | F m 1 | |Fm1||S|d |Fm1|


美丽!只是为了强调一个关键点,这条线不包含在超曲面中,因为它穿过了曲面外的点c。
阿纳布

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@arnab:确实,您已经在自己的帖子中很好地指出了这一点。
Per Vognsen 2010年

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@arnab:顺便说一句,我希望很明显我不是在说这个想法确实是“新的”。所有这些证明都有类似的味道。这可能是意料之中的。
Per Vognsen 2010年

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@Per:是的,但是由于某种原因,我比Moshkovitz更喜欢您的说法,因为它看起来似乎更几何,而且您不必考虑领先的单项式。但是我同意,基本思想是完全相同的。
阿纳布

@Per:您的贡献已经很棒。是的,它们并不是真正的新事物,但是我非常喜欢您的解释。这就像对古典音乐进行了新的诠释。:-)
戴乐

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作为Per Vognsen回答的后续措施,Dana Moshkovitz的证明已经为一个稍弱的Schwartz-Zippel Lemma版本提供了一个非常简单的证明,我认为这足以满足大多数应用的需要。

为非零多项式度d,其中˚F是顺序的有限域q,并让X ˚F Ñ是一个点,使得˚F X 0。有q n1 /q 1 条穿过x的许多不同的线使它们划分F n{ x }f:FnFdFqxFnf(x)0(qn1)/(q1)xFn{x}对这些行中每条线的限制是一个d单变量多项式,它是非零的,因为它在x处非零,因此最多具有d个零。因此,f的零的总数至多为d q n - 1 /q - 1 。相比之下,Schwartz-Zippel给出了d q n 1的上限。fd xdfd(qn1)/(q1)dqn1

鉴于此证明很容易,我确定这是民间传说。如果没有,应该是:)如果有人可以提供参考,我将不胜感激。


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非常好!您知道她做同样的事情,只是在无穷远处有一个投影点而不是一个仿射点吗?我在原始答案中添加了一段文字,以进一步解释这种关系。
Per Vognsen

1
啊,这是一个很好的解释!谢谢!
arnab

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Moshkovitz的证明是基于简单的几何体,但是本文对此不太清楚。这是想法:

一定程度多项式变量切出一个超曲面˚F。超曲面和一条独立线的交点(即交点不是整条线)最多具有d个点。如果找到的方向在任何地方都与超曲面无关,则可以在该方向上通过平行线形成F m并计算每条线内的交点。叶理由方向的正交补,这是一个超平面同构参数化˚F - 1,所以超曲面点在所有的总数˚F为至多d | FdmFmFmFm1Fmd |F|m1

这表明其他类似的证明也可能有效。

编辑:我想谈一谈Arnab的证明与Moshkovitz的证明有何关系。他在超曲面的外侧取一个点,并考虑了穿过该点的直线。莫什科维茨考虑了一系列平行线。看起来不一样,但实际上是一样的!平行族是指通过无穷远点的线形铅笔。如果您首先进行多项式的均化并通过插入来限制无穷大超平面,则Arnab的代数将逐字应用。w=0

编辑:请参阅我的其他答案以获取新的(但并非完全无关)证明。


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尝试1:

您是否看过Arora / Barak的书中的引理A.36(第529页)?它几乎是半页,基于归纳法。

如果您无权阅读该书,我可以在此处进行证明。


尝试2:

关于Schwartz-Zippel Lemma的好奇历史呢?其中,它引用了DeMillo-Lipton的论文(可追溯到1977年)。还对其他几篇论文进行了命名和比较。


尝试3:

以下MathOverflow主题也可能是您感兴趣的:用于多项式身份测试的P / poly算法


是的,我做到了。但是,这一证据与维基百科的证据实质上是相同的。
戴乐

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Schwartz-Zippel引理是Noga Alon和ZoltanFüredi定理的特例,如本文第4节所示:关于有限网格中多项式的零点,因此该定理的任何新证明都给出了Schwartz的新证明。 -Zippel。截至目前,我知道六种不同的证明,其中两种出现在论文中,另一些在这里引用。

Alon-Furedi定理说:

是一个字段,让= Π Ñ = 1个F是有限的网格,并让 ˚F ˚F [ _ ] = ˚F [ 1... Ñ ]是一个多项式,其不在 A上完全消失。然后 ˚F X 0为至少分钟Π ÿ 元素 X A=i=1nAiFnfF[t_]=F[t1,,tn]Af(x)0minyixA,其中最小被在所有正整数Σ Ñ = 1 Ÿ = Σ Ñ = 1个 - ˚Fyi#Aii=1nyi=i=1n#Aidegf

在这种情况下,如果假设并计算出最小值(可以使用本文中提到的Bins中的Balls内容轻松完成),则在某个域(或域)上会得到Schwartz-Zippel引理。degf<min#Ai


您可以在web.stanford.edu/~rrwill/graph-cr.pdf中查看引理2.2 吗?这就是瑞安·威廉姆斯(Ryan Williams)在我的回答下的评论的意思,从那以后,它就在我的待办事项清单上,以检查它是否可以推广到交换环。在我看来,您目前对此比我更深入,所以为什么不尝试一下呢?
Thomas Klimpel

@ThomasKlimpel:我将修改答案。我刚开始使用CS理论stackexchange时就写了它。是的,因为{0,1} ^ n始终满足条件(D),引理2.2可以在任意交换环上工作。
Anurag 2015年

任意交换环R的子集SR是满足条件(d)表示,如果对所有X - ÿ不是零除数。A“网格” 1 × × Ñř Ñ据说如果所有满足该条件的满足他们。Schwartz-Zippel和其他相关结果如本文所示在这些概括下起作用。xySxyA1××AnRnAi
Anurag 2015年

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Schwartz-Zippel引理的原始公式仅适用于以下领域:

引理(Schwartz,Zippel)。
PF[x1,x2,,xn] 是非零多项式总程度的以上的字段,˚F。令SF的有限子集,令r 1r 2r n随机独立地和S随机选择。 则 Pr [ P rd0FSFr1,r2,,rnS
Pr[P(r1,r2,,rn)=0]d|S|.

可以重新制定引理,使其对任意交换环都有意义:

引理(耶扎贝克)。
是非零多项式总度d ü 小号= 和让- [R 1- [R 2...PR[x1,x2,,xn]在交换环, - [R 。让小号是一个有限子集, - [R小号小号û [R : Û 0 小号Ù = d0RSRs,tS:((uR:(u0su=tu))s=t)被随机独立地且均匀地选自小号。 然后 [ P [R 1- [R 2... - [R Ñ= 0 ] dr1,r2,,rnS
Pr[P(r1,r2,,rn)=0]d|S|.

维基百科证明的优点在于,它可以概括地表明重新制定适用于任意交换环,这在EmilJeřábek的研究中已经得到了证明和解决

通过证明一般可交换环的重新公式化,并作为推论获得了场的正常公式,这为Schwartz-Zippel引理提供了另一种证明。


多项式是交换环的自由代数,即相对于交换环公理的加法,加法逆,乘法和常数生成的自由代数。最初的希望是找到关于自由代数的Schwartz-Zippel引理的推广,该引理还包含(相对于)可交换正则环公理的(广义)乘法逆。另请参见Jan A. Bergstra的作品
Thomas Klimpel

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在SODA'15与Virginia,Josh Wang和Yuhuacheng的论文中,该观测的另一种形式具有较少的假设和较弱的误差范围,并以受限形式(仅针对表示)应用:“查找四个节点子图在三角时间” ...Zm
Ryan Williams

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@RyanWilliams Anurag Bishnoi在最近的答案中引用的《有限网格中多项式的零点》一文概括了上述引理,Alon-Furedi定理和该SODA'15论文中的引理2.2(并证明了边界的清晰度) 。自从您发表评论以来,就一直在我的待办事项清单上找到这样的概括,因此从我的角度来看,这是一项重大成就(因此可以向作者表示祝贺)。
Thomas Klimpel
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