通过猜测 Expansion 来改进 Expander Code

论文 Improved Decoding of Expander Codes. Xue Chen, Kuan Cheng, Xin Li, and Minghui Ouyang. 2023 阅读笔记。这篇文章通过猜测 Expansion 的 Idea 进一步改进了 Expander Code 线性解码算法的噪声容限。

记号规定

  • 若无特殊说明,文中的 GG 都默认是 DD 左部正则的,左部点集大小为 NN,右部点集大小为 M (M<N)M\,(M<N) 的 (αN,(1−ϵ)D)(\alpha N,(1-\epsilon)D)-bipartite expander。且我们用 DRD_R 表示右部点集的平均度数。
  • 我们用 1{A}1\{A\} 表示事件 AA 的示性变量。
  • 用 N(S)N(S) 表示 SS 的邻集,而用 N1(S)N^1(S) 表示 SS 的 unique neighbor 的集合,即 N1(S):={v∈V∣e(v,S)=1}N^1(S):=\{v\in V\mid e(v,S)=1\},而 N≥2(S):=N(S)\N1(S)N^{\ge 2}(S):=N(S)\backslash N^1(S)。

New Size-Expansion Tradeoff

Thm (New Size-Expansion Tradeoff):设 GG 是一个 (αN,(1−ϵ)D)(\alpha N,(1-\epsilon)D)-bipartite expander。则对于任何的常数 k>1k>1 与左部点集一个大小为 kαNk\alpha N 的子集 SS,我们有:

  1. ∣N(S)∣≥(1−kϵ)D⋅kαN−O(ϵD⋅k2)|N(S)|\ge (1-k\epsilon)D\cdot k\alpha N-O(\epsilon D\cdot k^2);
  2. ∣N(S)∣≥(1−2kϵ−13−2/k)k2⋅DαN−O(DRD)|N(S)|\ge \left(1-\dfrac{2k\epsilon-1}{3-2/k} \right)\dfrac k2\cdot D\alpha N-O(D_R D)(当 k>1/2ϵk>1/2\epsilon 时,第二条的效果比第一条的好。

第一条说的意思是:一个 (αN,(1−ϵ)D)(\alpha N,(1-\epsilon)D)-bipartite expander 大致上是一个 (kαN,(1−kϵ)D)(k\alpha N,(1-k\epsilon)D)-bipartite expander (k>1)(k>1)。这告诉我们可以通过损失一定的 expansion 来得到更大子集的扩展性参数。这一定理用处颇多,说是这篇文章的关键定理也不为过。

Proof:

① 先来证明第一条,我们使用概率方法来证明这一不等式:

设 SS 是左部点集一个大小为 kαN (k>1)k\alpha N\,(k>1) 的子集。

考虑从 SS 中均匀随机取出一个大小为 αN\alpha N 的子集 TT,并考虑 N(S)N(S) 中的一个点 uu,其在 SS 中有超过一个邻居。设这些个邻居为 v1,…,vdS(u) (dS(u)>1)v_1,\ldots,v_{d_S(u)}\,(d_S(u)>1),则用一下 Union Bound 就有:

1{u∈N(T)}≤∑i=1dS(u)1{vi∈T}−∑i=2dS(u)1{v1∈T}1{vi∈T}1\{u\in N(T)\}\le \sum_{i=1}^{d_S(u)}1\{v_i\in T\}-\sum_{i=2}^{d_S(u)}1\{v_1\in T\}1\{v_i\in T\}

上式在随机变量 TT 上求个期望则有:

ET[1{u∈N(T)}]≤dS(u)⋅∣T∣∣S∣−(dS(u)−1)⋅∣T∣(∣T∣−1)∣S∣(∣S∣−1)\mathop{\mathbb E}\limits_T[1\{u\in N(T)\}]\le d_S(u)\cdot \dfrac{|T|}{|S|}-(d_S(u)-1)\cdot \dfrac{|T|(|T|-1)}{|S|(|S|-1)}

又注意到:

∑u∈N(S)dS(u)=D∣S∣,∑u∈N(S)(dS(u)−1)=D∣S∣−∣N(S)∣\sum_{u\in N(S)}d_S(u)=D|S|, \sum_{u\in N(S)}(d_S(u)-1)=D|S|-|N(S)|

所以再对所有 u∈N(S)u\in N(S) 求个和既有:

ET[∣N(T)∣]≤D∣T∣−(D∣S∣−∣N(S)∣)⋅∣T∣(∣T∣−1)∣S∣(∣S∣−1)=D∣T∣(1−(1−∣N(S)∣D∣S∣)⋅∣T∣−1∣S∣−1)\mathop{\mathbb E}\limits_T [|N(T)|]\le D|T|-(D|S|-|N(S)|)\cdot \dfrac{|T|(|T|-1)}{|S|(|S|-1)}=D|T|\left(1-\left(1-\dfrac{|N(S)|}{D|S|} \right)\cdot \dfrac{|T|-1}{|S|-1} \right)

再由 expander 的性质,有 ∣N(T)∣≥(1−ϵ)D∣T∣|N(T)|\ge (1-\epsilon)D|T|,所以有:

1−ϵ≤1−(1−∣N(S)∣D∣S∣)⋅∣T∣−1∣S∣−11-\epsilon\le 1-\left(1-\dfrac{|N(S)|}{D|S|}\right)\cdot \dfrac{|T|-1}{|S|-1}

再整理一下就有:

∣N(S)∣≥(1−kϵ)D∣S∣−ϵ(k−1)αN−1⋅D∣S∣≥(1−kϵ)D∣S∣−2ϵDk2|N(S)|\ge (1-k\epsilon)D|S|-\dfrac{\epsilon(k-1)}{\alpha N-1}\cdot D|S|\ge (1-k\epsilon)D|S|-2\epsilon Dk^2

得证。

② 再来证明第二条,我们使用另一种方法——线性规划的原始对偶方法——计算 ET[∣N(T)∣]\mathop{\mathbb E}\limits_T [|N(T)|],依此来证明这一不等式:

设 SS 是一个大小为 kαNk\alpha N 的左部点集的子集。再设有 βj⋅DαN\beta_j\cdot D\alpha N 个在 N(S)N(S) 里的点,满足其恰有 jj 个邻居在 SS 里。则:

∣N(S)∣=(β1+⋯+βk)⋅DαN|N(S)|=(\beta_1+\cdots+\beta_k)\cdot D\alpha N

double counting e(S,N(S))e(S,N(S)) 可得:

β1+2β2+⋯+kβk=k\beta_1+2\beta_2+\cdots+k\beta_k=k

考虑 ET[∣N(T)∣]\mathop{\mathbb E}\limits_T[|N(T)|] 的另一种计算方式:

ET[∣N(T)∣]=∑i∈N(S)Pr⁡T∼(SαN)[T∩N(i)≠∅]≥(1−ϵ)DαN\mathop{\mathbb E}\limits_T[|N(T)|]=\sum_{i\in N(S)}\Pr\limits_{T\sim \binom{S}{\alpha N}}[T\cap N(i)\ne\varnothing]\ge (1-\epsilon)D\alpha N

其中最有一个不等号是由 vertex expansion 的性质。

对于每个满足 e(i,S)=je(i,S)=j 的点 i∈N(S)i\in N(S),有:

Pr⁡T[T∩N(i)≠∅]=1−Pr⁡T[T∩N(i)=∅]=1−(∣S∣−∣T∣)(∣S∣−∣T∣−1)⋯(∣S∣−∣T∣−j+1)∣S∣(∣S∣−1)⋯(∣S∣−j+1)=1−(1−1k)j+O(DRkαN)\Pr\limits_T[T\cap N(i)\ne\varnothing]=1-\Pr\limits_T[T\cap N(i)=\varnothing] \\ =1-\dfrac{(|S|-|T|)(|S|-|T|-1)\cdots(|S|-|T|-j+1)}{|S|(|S|-1)\cdots(|S|-j+1)} \\ =1-\left(1-\dfrac 1k\right)^j+O\left(\dfrac{D_R}{k\alpha N} \right)

省略大 OO 那项,在把上式对所有的 i∈N(S)i\in N(S) 加起来,得到:

∑j=1k(1−(1−1k)j)⋅βj≥1−ϵ\sum_{j=1}^k\left(1-\left(1-\dfrac 1k\right)^j \right)\cdot \beta_j\ge 1-\epsilon

综合以上条件,我们把这些个条件与目标函数写成一个线性规划问题:

min⁡ ∣N(S)∣kαN=β1+⋯+βks.t. β1+2β2+⋯+kβk=k∑j=1k(1−(1−1k)j)⋅βj≥1−ϵβj≥0, ∀j∈[k]\min\ \dfrac{|N(S)|}{k\alpha N}=\beta_1+\cdots+\beta_k \\ \text{s.t. }\beta_1+2\beta_2+\cdots+k\beta_k=k \\ \sum_{j=1}^k\left(1-\left(1-\dfrac 1k\right)^j \right)\cdot \beta_j\ge 1-\epsilon \\ \beta_j\ge 0,\, \forall j\in [k]

设这一线性规划问题在 β∗\beta^* 处取到最优值。

注意到这一线性规划问题约束较少(只有两个),其对偶问题变量会比较少,方便分析:

max⁡ kx1+(1−ϵ)x2s.t. jx1+(1−(1−1/k)j)x2≤1, ∀j∈[k]x2≥0\max\ kx_1+(1-\epsilon)x_2 \\ \text{s.t. }jx_1+(1-(1-1/k)^j)x_2\le 1,\, \forall j\in [k] \\ x_2\ge 0

我们有如下 Claim:β∗\beta^* 最多有两个下标是非 00 的,且如果 β∗\beta^* 恰有两个下标非 00,则这两个下标必须是相邻的。

证明这一 Claim 的关键是注意到函数 f(j)=1−(1−1/k)jf(j)=1-(1-1/k)^j 是严格凹的。

如果有三处下标 l1<l2<l3l_1<l_2<l_3 都是非 00 的,则有线性规划的松弛互补,我么有:jx1+(1−(1−1/k)j)x2=1jx_1+(1-(1-1/k)^j)x_2=1 对 j=l1,l2,l3j=l_1,l_2,l_3 都成立。但是由 j=l1,l3j=l_1,l_3 时的等式成立再配合上 f(j)f(j) 的凹性,可以推出:l2x1+(1−(1−1/k)l2)x2>1l_2x_1+(1-(1-1/k)^{l_2})x_2>1,矛盾了。如果有两个非零下标不相邻,证明是类似的。

那么我们假设 j=2,3j=2,3 处非零,则:

2x1+(2/k−1/k2)x2=13x1+(3/k−3/k2+1/k3)x2=12x_1+(2/k-1/k^2)x_2=1 \\ 3x_1+(3/k-3/k^2+1/k^3)x_2=1

解得:

x1=2−1/k−k3−2/k,x2=k23−2/kx_1=\dfrac{2-1/k-k}{3-2/k},x_2=\dfrac{k^2}{3-2/k}

可以验证这对 (x1,x2)(x_1,x_2) 是满足约束条件的。将其代入到目标函数可得对应值为 k2(1−2kϵ−13−2/k)\dfrac k2\left(1-\dfrac{2k\epsilon-1}{3-2/k} \right)(省略了误差项 k⋅O(DRkαN)k\cdot O\left(\dfrac{D_R}{k\alpha N}\right)),由弱对偶原理可得:

∣N(S)∣≥(1−2kϵ−13−2/k)k2⋅DαN−O(DRD)|N(S)|\ge \left(1-\dfrac{2k\epsilon-1}{3-2/k}\right)\dfrac k2\cdot D\alpha N-O(D_RD)

故得证。□\Box

一个有趣的事实是:实际上第一条的下界是在 j=1,2j=1,2 处非零时取到的。

Expander Code 距离的改进

利用 New Size-Expansion Tradeoff,我们可得对 Expander Code 距离的估计进行一些个改进。在 SS96 中,M. Sipser 和 D. A. Spielman 证明 expander code 的距离至少为 αN\alpha N。在 Vid13a 中,Michael Viderman 证明这一下界可以被改进为 2(1−3ϵ)1−2ϵα\dfrac{2(1-3\epsilon)}{1-2\epsilon}\alpha。在这篇文章中,这一下界被改进到 12ϵαN\dfrac1{2\epsilon}\alpha N。具体来说:

Thm (Distance of Expander Code):设 GG 是一个 (αN,(1−ϵ)D)(\alpha N,(1-\epsilon)D)-bipartite expander,且 ϵ<1/2\epsilon<1/2。则由 GG 定义的 expander code C\mathcal C 的距离 dd 至少为 12ϵαN−O(1/ϵ)\dfrac 1{2\epsilon}\alpha N-O(1/\epsilon)。

我们先证明如下引理:

Lemma:设 GG 是一个 (αN,(1−ϵ)D)(\alpha N,(1-\epsilon)D)-bipartite expander,且左部 dd 正则,右部平均度数为 DRD_R,则:

  1. ϵ>1/D\epsilon>1/D;
  2. α4ϵ≤1/DR+O(1Dα⋅M/N2)\dfrac{\alpha}{4\epsilon}\le 1/D_R+O\left(\dfrac1{D\alpha}\cdot M/N^2 \right)。

Proof: □\Box

接下来我们可以来证明上面的 Thm 了。

Proof of Thm:是用反证法,假设有一个 codeword zz,其与 00 的汉明距离为 12ϵαN−C/ϵ\dfrac1{2\epsilon}\alpha N-C/\epsilon,其中 CC 是一个充分大的数。注意由 Lemma 的第二条,有 α/2ϵ≤2/DR<1\alpha/2\epsilon\le 2/D_R<1,所以 12ϵαN\dfrac1{2\epsilon}\alpha N 可能取到。

设 SS 为 zz 中为 11 的比特位的下标集合。由 New Size-Expansion Tradeoff 中的第一条,我们有:

∣N(S)∣≥(1−∣S∣αN)D∣S∣−O(ϵD⋅(∣S∣αN))|N(S)|\ge \left(1-\dfrac{|S|}{\alpha N}\right)D|S|-O\left(\epsilon D\cdot\left(\dfrac{|S|}{\alpha N}\right) \right)

对于充分大的 CC,不等式右边至少为:

(12+CαN)D∣S∣−O(ϵD⋅(∣S∣αN))>12D∣S∣\left(\dfrac 12+\dfrac{C}{\alpha N}\right)D|S|-O\left(\epsilon D\cdot\left(\dfrac{|S|}{\alpha N}\right) \right)>\dfrac 12 D|S|

则由抽屉原理,上式表明 ∣N1(S)∣>0|N^1(S)|>0。那么 zz 不是一个合法的 codeword(zz 不满足在 N1(S)N^1(S) 中的 parity check),故矛盾。□\Box