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第 11 章:相等概率为什么是加权平均
11.1 相等事件怎样分成互不重叠的情况
已知独立,且
取任意具体值的概率都不超过
。要计算
,需要考虑它们可能同时等于0、同时等于1,等等。
不同共同取值对应互不重叠的事件:一次选择不可能既使两者同时等于0,又使它们同时等于1。因此可以把这些概率相加。独立性允许把每个“同时发生”的概率拆成乘积,于是
求和覆盖所有可能的整数;范围之外的概率为0。这里有两个不同理由:能相加,是因为共同取值的情况互不重叠;能相乘,是因为两个随机变量独立。不能把二者合并成一句“概率相加相乘”。
11.2 为什么不是把多个二分之一直接相加
令、
。第一个概率
是“
取这个值”的比例,第二个概率
是这个值出现后,独立的
恰好匹配它的概率。
因此才是这一种匹配在所有情况中所占的比例。只加
,就忽略了
取各个值的机会不同;把每一类内部的匹配率都当成全部情况的匹配率,也就不再是在算原来的事件。
这里且
,因为
总会取它的某一个可能值。因此
是以
为权重,对
取加权平均。权重总和为1,是后面上界能保持为
的关键。
11.3 一个短例子区分实际值与上界
用你补充过的分布核对这句话:若依次为
,而
为
,实际相等概率是
只知道每个时,可以把每一项的
替换成更大的上界
,得到
第三个实际匹配率0被放宽成,所以实际值
与通用上界
可以同时成立。这里真正发挥作用的是三个权重加起来为1,而不是只有三个可能取值。下一节不再依赖这些具体比例。
11.4 一般情况下,上界为什么不会被求和放大
对每一个,由于
且
,都有
。逐项相加,得到
第二行使用每一项的上界,第三行只把公共常数提出求和,第四行使用权重总和为1。可能取值更多,并不会改变最后一步;增加一个可能值,也意味着要在总和为1的权重中分给它一部分。
这就是一般原则:若、
,且每个
,那么
。加权平均不会超过参与平均的各个值的最大值。
11.5 条件概率怎样解释同一个推导
全概率公式把相等事件按的取值分类:
条件概率表示:已知
后,
恰好匹配它的概率。由于独立,已知
不会改变
的分布,所以这个条件概率等于
。将这些匹配概率按
各值出现的比例平均,总匹配概率仍不超过
。
独立性为什么不能省略?如果等可能取0、1,再令
,那么
取每个值的概率都为
,但
。原因是知道
以后,
的匹配概率变成1。RSA这里没有这个问题,因为第9章已经用CRT证明了两个坐标以及分别由它们决定的到达时间独立。
11.6 怎样得到至少一半的成功概率
第9章证明,对于互质底数,成功恰好是。相等与不相等互为补集,所以
把全部推理连起来:CRT提供独立坐标 → 取幂后在2的幂阶循环群上均匀 → 按元素阶统计到达时间 → 每个到达时间概率不超过一半 → 相等概率是加权平均 → 失败概率不超过一半。 各步分别在第9—11章证明;最后一步没有省去前面条件。
结论适用于两个不同奇质数的乘积、正整数
满足
、从全部互质类均匀抽样。原对话使用的
且
满足这些条件;
也足够。
若从全部抽样,不互质底数直接成功,互质部分的条件分布仍均匀。因此完整一次尝试也至少有一半成功率。更精确地,若
是互质分支的成功率,则
这里是进入互质分支的概率;只有这一分支内的失败可能保留下来。精确概率公式在第17章,理解这条下界不必先算出它。