Изменения
Нет описания правки
Из того, что класс <tex>\mathrm{BPP}</tex> замкнут относительно дополнения и <tex>\mathrm{co\Sigma_2} = \mathrm{\Pi_2}</tex>, следует, что достаточно доказать включение <tex>\mathrm{BPP} \subset \mathrm{\Sigma_2}</tex>.
<tex>\mathrm{BPP}</tex> можно определить как множество таких языков <tex>L</tex>, что <tex>x \in L</tex> тогда и только тогда, когда существует «много» таких вероятностных лент <tex>y</tex>, что <tex>RM(x,y)</tex>, где <tex>M</tex> — [[Вероятностные вычисления. Вероятностная машина Тьюринга | вероятностная машина Тьюринга]] для <tex>L</tex>. <tex>\mathrm{\Sigma_2}</tex> — множество таких языков <tex>L</tex>, что <tex>x \in L</tex> тогда и только тогда, когда существует такой <tex>y</tex>, что для любого <tex>z</tex> <tex>R(x, y, z)</tex>. Таким образом, необходимо уметь записывать «существует много» с помощью кванторов <tex>\exists</tex>, <tex>\forall</tex>.
Рассмотрим язык <tex>G = \{0, 1\}^t</tex> для некоторого <tex>t</tex>. Определим операцию <tex>\oplus</tex> над словами из этого языка как побитовое исключающее или.
Назовем <tex>X</tex>, содержащееся в <tex>G</tex>, <tex>k</tex>-большим, если существует такой набор <tex>\{g_i\}_{i=1}^{k} \subset G</tex>, что <tex>\bigcup\limits_{i=1}^{k} g_i \oplus X = G</tex>. Иначе будем называть <tex>X</tex> — <tex>k</tex>-маленьким.
Если <tex>|X| < \frac{2^t}{k}</tex>, то <tex>X</tex> является <tex>k</tex>-маленьким(так как <tex>k</tex> копий <tex>X</tex> не смогут покрыть <tex>G</tex>). Найдем достаточное условие, при котором <tex>X</tex> является <tex>k</tex>-большим.
Воспользуемся утверждением, что если вероятность <tex>P(x \in A) > 0</tex>, то существует <tex>x</tex> из <tex>A</tex>. Для этого
выберем случайно набор <tex>\{g_i\}_{i=1}^{k} \subset G</tex>.
<tex>P(\bigcup\limits_{i=1}^{k} g_i \oplus X \not = G) = P(\exists y \not \in \bigcup\limits_{i=1}^{k} g_i \oplus X) = P(\bigvee\limits_{i=1}^{2^t} y_i \not \in \bigcup\limits_{j=1}^{k} g_j \oplus X) </tex> <tex>\leqslant 2^t P(y \not \in \bigcup\limits_{i=1}^{k} g_i \oplus X) = 2^t P(\bigwedge\limits_{i=1}^{k} y \oplus g_i \not \in X) = 2^t \left(P(y \not \in X)\right)^k = 2^t \left(1 - \frac{|X|}{2^t}\right)^k</tex>.
Если <tex>2^t\left(1 - \frac{|X|}{2^t}\right)^k < 1</tex>, то существует такой набор <tex>\{g_i\}_{i=1}^{k} \subset G</tex>, что <tex>\bigcup\limits_{i=1}^{k} g_i \oplus X = G</tex>, то есть <tex>X</tex> — <tex>k</tex>-большое.
Рассмотрим язык <tex>L \in \mathrm{BPP}</tex>. Из того, что <tex>\mathrm{BPP} = \mathrm{BPP_{strong}}</tex>, следует, что существует такая [[Вероятностные вычисления. Вероятностная машина Тьюринга | вероятностная машина Тьюринга]] <tex>M</tex>, что <tex>P(M(x) = [x \in L]) \geqslant 1 - \frac{1}{2^{p(n)}}</tex>, где <tex>p(n)</tex> некоторый полином, который будет определен позднее. Пусть <tex>M</tex> использует <tex>r(n)</tex> бит случайной ленты.
Зафиксируем <tex>x</tex>. Возьмем <tex>G = \{0, 1\}^{r(n)}</tex>. Рассмотрим множество <tex>A_x = \{r \in G \bigm| M(x,r) = 1\}</tex>. Подберем теперь <tex>p(n)</tex> и <tex>k</tex> так, чтобы <tex>x \in L \Leftrightarrow A_x</tex> — <tex>k</tex>-большое.
Выберем <tex>p(n)</tex> так, чтобы <tex>\frac{r(n)}{p(n)} < 2^{p(n)} - 2</tex> и <tex>k = \lceil \frac{r(n)}{p(n)} \rceil + 1</tex>. Получаем <tex>\frac{r(n)}{p(n)} < k < 2^{p(n)}</tex>, то есть <tex>x \in L \Leftrightarrow A_x</tex> — <tex>k</tex>-большое.
Таким образом, <tex>x \in L \Leftrightarrow \exists \{g_i\}_{i=1}^{k} \subset G</tex> : <tex>\forall y \in G</tex> <tex>\bigvee\limits_{i=1}^{k} y \in g_i \oplus A_x</tex>. Заметив, что <tex>y \in g_i \oplus A_x \Leftrightarrow y \oplus g_i \in A_x \Leftrightarrow M(x, y \oplus g_i)</tex>. Получаем , получаем <tex>L \in \Sigma_2</tex>, <tex>\mathrm{BPP} \subset \mathrm{\Sigma_2}</tex> и <tex>\mathrm{BPP} \subset \mathrm{\Sigma_2} \cap \mathrm{\Pi_2}</tex>.
}}
