信息论安全与概率论

目录

[一. Markov不等式](#一. Markov不等式)

[二. 选择引理](#二. 选择引理)

[三. Chebyshev不等式](#三. Chebyshev不等式)

[四. Chernov上限](#四. Chernov上限)

[4.1 变量大于](#4.1 变量大于)

[4.2 变量小于](#4.2 变量小于)


信息论安全中会用到很多概率论相关的上界,本文章将梳理几个论文中常用的定理,重点关注如何理解这些定理以及怎么用。

一. Markov不等式

假定X为非负且为实数的随机变量,令为该变量的数学期望,可得:

理解:代表事件的集合,该定理用来描述概率的上界,且该上界与数学期望相关。

二. 选择引理

令,左边的代表随机变量,右边代表该随机变量取值的字母集。假定某函数,将这些函数集中在一起形成函数集,另外该函数集内函数的个数与n无关。给定如下条件:

一定存在该变量中一个具体的数,满足:

理解:如果经过函数变化后的随机变量的数学期望有上界,那么该函数的某些取值也有上界。

证明:

先做一个简单的改写,令,可以把看成一个常数,根据联合界定理(union bound),来看一个很有意思的概率:

马上使用刚才谈到的Markov不等式,右边不就是某个变量大于某个数的概率,可得:

条件告诉我们:

直接带入可得:

推导这么久,无非是想说

翻译成人话就是。事件的概率小于1,也就是存在。接下来就是计算复杂性理论很喜欢用到的一些转化。定理条件说是有限的,也就是一个常数,并且该常数与n无关,常数在计算复杂性中可以忽略,所以可将等效为。

证明完毕。

简化理解:以上推导只是严格按照概率论格式来推导,所以看起来可能有点复杂。让我们来简化下。该定理说明当期望有上限时,至少存在一个变量的值也是这个上限(是不是很简单)。只不是今天的上限满足,(安全领域很喜欢研究渐近性)。

三. Chebyshev不等式

令X为随机变量,可得:

理解:变量的值与期望值不会相差太大,该上限与方差相关。

四. Chernov上限

4.1 变量大于

令X为随机变量,可得:

理解:将s看成一个常数,代表变量大于等于a的概率;代表对变量操作指数变换后,求数学期望;该定理反映了变量大于某值时对应的概率有上限,该上限与数学期望有关。与Markov不等式相比,多了一个s,在实际信息论安全推导时,可以设定任何自己想要的参数。

4.2 变量小于

令X为随机变量,可得:

该定理的理解与4.1类似,就不重复描述了。

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