第 11 课 · Simon 算法与 Abel 隐藏子群——统一视角 · 模块二:算法主线

经典收尾:$\mathbb{F}_2$ 高斯消元与样本数

  • 题面框:每个样本 $z^{(i)}$ = $\mathbb{F}_2$ 上一条方程 $z^{(i)}\cdot s = 0$;全部解构成 $n-1$ 维子空间 $s^\perp$,其正交补 $= \{0, s\}$——非零元即答案
  • 演算 1(教材练习 5 第 1 题,$n=3$、$s=111$,样本 $z^{(1)}=110$、$z^{(2)}=011$):
    1. 写方程:$z^{(1)}$ → $s_1+s_2 = 0$;$z^{(2)}$ → $s_2+s_3 = 0$
    2. 消元:第一式给 $s_1 = s_2$,与第二式联立 → $s_1 = s_2 = s_3$ → 解空间 $= \{000, 111\}$
    3. 输出:非零元 $s = 111$ ✓($n-1 = 2$ 条独立方程定出 1 维解空间)
  • 演算 2(样本数,教材 §3.2 + 练习 6 第 2 题):
    1. 已有 $k$ 个线性无关样本 → 张成 $2^k$ 元子空间 → 下一个均匀样本落入概率 $2^{k-(n-1)}$ → 仍无关概率 $1-2^{k-(n-1)}$
    2. $n-1$ 个样本全部无关的概率 $= \prod(1-2^{-j})$,$j = 1\ldots n-1$;数值:$n=2$ → $1/2 = 0.5$;$n=3$ → $(1/2)(3/4) = 3/8 = 0.375$;$n=4$ → $(1/2)(3/4)(7/8) = 21/64 \approx 0.328$;$n\to\infty$ → $\approx 0.2888 > 1/4$
  • 结果框:量子 $O(n)$ 次查询 + 多项式后处理 vs 经典 $\Theta(2^{n/2})$——第一个被证明的指数级查询分离(Simon, 1994)
类型worked-example(演算页)