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第三单元(续):在固定使用深度上延迟投影

本篇展开 D Lemma 5.5,原文 pp.35–37,式 (5.18)–(5.22)。固定前篇预测函数族中的一个三元组后,目标是把实际函数 Fa,sF_{a,s} 换成较细投影 Pa,s+K0Fa,sP_{a,s+K_0}F_{a,s}。整个细分过程始终作用于同一个 Fa,sF_{a,s}。

延迟误差分为两种:光滑测试函数在细分区间上的变化带来 2−K02^{-K_0};预测函数的私有坐标带来 ϵ\sqrt\epsilon,跨越 K0K_0 个投影层后得到 K0ϵK_0\sqrt\epsilon。下面从正交性和有限望远镜恒等式推导这两个量。

1. 完整条件与结论

固定两个互补位置 a,ba,b,以及前篇 Corollary 5.4 中的指标 α\alpha。简记

ψa=ψa,α,ψb=ψb,α,λ=λα. \psi_a=\psi_{a,\alpha},\quad \psi_b=\psi_{b,\alpha},\quad \lambda=\lambda_\alpha.

二者为固定函数,∥ψa∥∞,∥ψb∥∞≤1\|\psi_a\|_\infty,\|\psi_b\|_\infty\le1。在二进子根 K⊆J′K\subseteq J' 中选有限使用区间族 U\mathcal U,并只保留

∣λ∣∣I∣2≤Dpred. |\lambda||I|^2\le D_{\mathrm{pred}}.

位置 aa 有一套完整分割上的继承正交投影 Pa,hP_{a,h},固定列函数常数为 DhD_h。这里 hh 是投影深度,而符号 DhD_h 表示同一个高位置列函数族的数值上界,不是随深度变化的一列数。

固定整数 K0≥0K_0\ge0 和 0<ϵ≤10<\epsilon\le1。假设在每个使用区间及其所有继续细分的后代上,投影族始终包含同一个预测列

Φv=(ψa‾,ϵ ev).(Predictor-column) \Phi_v=(\overline{\psi_a},\sqrt\epsilon\,e_v). \tag{Predictor-column}

预测列本身也计入列函数常数,因此 ϵ≥Dh−1\sqrt\epsilon\ge D_h^{-1}。其他列允许加入,但须保持同一个已规定的 DhD_h 上界,并使用各自不同的私有方向;保留不变的是预测列 vv 自己的 eve_v。

原始根为 JJ,所有 s(I)=log⁡2(∣J∣/∣I∣)s(I)=\log_2(|J|/|I|) 保持这个原始编号。Fa,s=(fa,s,0)F_{a,s}=(f_{a,s},0) 是限制到 KK 的同一份完整归一化函数列。位置 bb 的 zb,Iz_{b,I} 属于前篇的三类允许对手之和,参数为 Dh,LD_h,L。

结论为

∑I∈U∣I∣ ∣TIα(Fa,s(I),zb,I)−TIα(Pa,s(I)+K0Fa,s(I),zb,I)∣≤C(2−K0+(1+K0)ϵ)poly⁡(Dpred,log⁡(2Dh),1+L)∣K∣.(Delayed-error) \begin{aligned} \sum_{I\in\mathcal U}|I|\, \bigl|\mathcal T_I^\alpha(F_{a,s(I)},z_{b,I}) -\mathcal T_I^\alpha(P_{a,s(I)+K_0}F_{a,s(I)},z_{b,I})\bigr| \\ \le C\bigl(2^{-K_0}+(1+K_0)\sqrt\epsilon\bigr) \operatorname{poly}\bigl(D_{\mathrm{pred}},\log(2D_h),1+L\bigr)|K|. \end{aligned} \tag{Delayed-error}

其中形式只使用函数的物理标量分量。

2. 残差均值中的 ϵ\epsilon 与私有坐标中的 ϵ\sqrt\epsilon

固定一个使用深度 ss,此后改变投影深度 h≥sh\ge s 时,不改变 Fa,sF_{a,s}。记

rh[s]=(fa,s−(Pa,hFa,s)phys)ψa,μh[s]=Ehrh[s], r_h^{[s]} =\bigl(f_{a,s}-(P_{a,h}F_{a,s})_{\mathrm{phys}}\bigr)\psi_a, \qquad \mu_h^{[s]}=\mathbb E_h r_h^{[s]},

其中 Eh\mathbb E_h 为相对于 KK 的完整深度 hh 分割取条件期望。

取一个包含于使用区间内的深度 hh 小区间 QQ,设预测列在 Pa,hFa,sP_{a,h}F_{a,s} 中的系数为 bh,v[s]b_{h,v}^{[s]}。在 QQ 上,残差与列 (Predictor-column) 正交。内积对第一变量线性,因此

0=1∣Q∣⟨Fa,s−Pa,hFa,s,Φv⟩L2(Q)=1∣Q∣∫Qrh[s]−ϵbh,v[s]. 0=\frac1{|Q|}\langle F_{a,s}-P_{a,h}F_{a,s},\Phi_v\rangle_{L^2(Q)} =\frac1{|Q|}\int_Qr_h^{[s]}-\epsilon b_{h,v}^{[s]}.

于是

μh[s]=ϵbh,v[s].(Mean-coefficient) \mu_h^{[s]}=\epsilon b_{h,v}^{[s]}. \tag{Mean-coefficient}

令 Δh=Pa,h+1−Pa,h\Delta_h=P_{a,h+1}-P_{a,h}。投影的第 vv 个私有分量是 ϵ bh,v[s]\sqrt\epsilon\,b_{h,v}^{[s]},所以在细区间上有

μh+1[s]−μh[s]=ϵ (ΔhFa,s)v,(Mean-increment) \mu_{h+1}^{[s]}-\mu_h^{[s]} =\sqrt\epsilon\,(\Delta_hF_{a,s})_v, \tag{Mean-increment}

以及

rh[s]−rh+1[s]=ψa(ΔhFa,s)phys.(Residual-increment) r_h^{[s]}-r_{h+1}^{[s]} =\psi_a(\Delta_hF_{a,s})_{\mathrm{phys}}. \tag{Residual-increment}

这三式在后来加入其他列后仍然成立,因为同一个预测列及其私有方向始终保留。列的物理分量必须取 ψa‾\overline{\psi_a},而残差中乘的是 ψa\psi_a;该共轭在原 PDF p.35 可直接核对。

3. 有限的残差矩恒等式

取使用区间 II,其深度为 ss,记 h∗=s+K0h_*=s+K_0。设 ωI\omega_I 为一个光滑函数,满足

∥ωI∥∞+∣I∣∥ωI′∥∞≤Aω. \|\omega_I\|_\infty+|I|\|\omega_I'\|_\infty\le A_\omega.

本节暂不要求它的积分为零。对任意有限 n>h∗n>h_*,有原文式 (5.20):

∫Irh∗[s]ωI=∫Iμh∗[s]ωI+∑h=h∗n−1∫I(rh[s]−rh+1[s])(ωI−EhωI)+∑h=h∗n−1∫I(μh+1[s]−μh[s])(Eh+1ωI−EhωI)+∫Irn[s](ωI−EnωI).(Telescope) \begin{aligned} \int_Ir_{h_*}^{[s]}\omega_I ={}&\int_I\mu_{h_*}^{[s]}\omega_I\\ &+\sum_{h=h_*}^{n-1}\int_I (r_h^{[s]}-r_{h+1}^{[s]})(\omega_I-\mathbb E_h\omega_I)\\ &+\sum_{h=h_*}^{n-1}\int_I (\mu_{h+1}^{[s]}-\mu_h^{[s]}) (\mathbb E_{h+1}\omega_I-\mathbb E_h\omega_I)\\ &+\int_Ir_n^{[s]}(\omega_I-\mathbb E_n\omega_I). \end{aligned} \tag{Telescope}

为核对该式,定义

Th=∫Irh[s](ωI−EhωI). T_h=\int_Ir_h^{[s]}(\omega_I-\mathbb E_h\omega_I).

直接相减,

Th−Th+1=∫I(rh[s]−rh+1[s])(ωI−EhωI)+∫Irh+1[s](Eh+1ωI−EhωI). \begin{aligned} T_h-T_{h+1} ={}&\int_I(r_h^{[s]}-r_{h+1}^{[s]}) (\omega_I-\mathbb E_h\omega_I)\\ &+\int_Ir_{h+1}^{[s]} (\mathbb E_{h+1}\omega_I-\mathbb E_h\omega_I). \end{aligned}

第二项中的测试函数对深度 h+1h+1 分割可测,可将 rh+1[s]r_{h+1}^{[s]} 换成 μh+1[s]\mu_{h+1}^{[s]}。又因 μh[s]\mu_h^{[s]} 对深度 hh 分割可测,

∫Iμh[s](Eh+1ωI−EhωI)=0. \int_I\mu_h^{[s]} (\mathbb E_{h+1}\omega_I-\mathbb E_h\omega_I)=0.

于是得到望远镜和中的两项。最后,

∫Irh∗[s]ωI=∫Iμh∗[s]ωI+Th∗, \int_Ir_{h_*}^{[s]}\omega_I =\int_I\mu_{h_*}^{[s]}\omega_I+T_{h_*},

对 Th−Th+1T_h-T_{h+1} 求有限和即证明式 (Telescope)。所有积分均是复双线性配对,条件期望的这些等式不需要额外共轭。

4. 终端项消失不要求投影趋于原函数

在 h≥sh\ge s 时,完整投影分割细化使用区间 II,故 Pa,hP_{a,h} 与 1I\mathbf1_I 交换。投影压缩性及 ∣ψa∣≤1|\psi_a|\le1 因而给出

∥rh[s]∥L2(I)≤2∥Fa,s∥L2(I). \|r_h^{[s]}\|_{L^2(I)} \le2\|F_{a,s}\|_{L^2(I)}.

光滑性给出

∥ωI−EnωI∥L2(I)≤CAω∣I∣1/22s−n. \|\omega_I-\mathbb E_n\omega_I\|_{L^2(I)} \le C A_\omega |I|^{1/2}2^{s-n}.

Cauchy–Schwarz 使式 (Telescope) 的终端项趋于零。

若原投影只定义到某个有限深度,可继续保留所有既有列,在所需更细区间上局部重新投影;列函数常数不变。对每个有限 nn 先使用恒等式,再令 n→∞n\to\infty。以上估计没有假设 Pa,nFa,s→Fa,sP_{a,n}F_{a,s}\to F_{a,s}。

5. 跨使用深度的两项投影能量界

对应 D 式 (5.21),p.36,来自已经展开的 Corollary 4.5。

对每个固定整数偏移 ℓ\ell,使用深度 ss 上的区间互不相交,故

∑s∑I∈Us(I)=s∥1IΔs+ℓFa,s∥22≤C(log⁡(2Dh))2∣K∣.(Offset-energy) \sum_s\sum_{\substack{I\in\mathcal U\\s(I)=s}} \|\mathbf1_I\Delta_{s+\ell}F_{a,s}\|_2^2 \le C\bigl(\log(2D_h)\bigr)^2|K|. \tag{Offset-energy}

只取合法投影深度。同理,对整数 Lproj≥0L_{\mathrm{proj}}\ge0,

∑s∑I∈Us(I)=s∥1I(Pa,s+Lproj−Pa,s)Fa,s∥22≤C(1+Lproj)2(log⁡(2Dh))2∣K∣.(Rolling-energy) \sum_s\sum_{\substack{I\in\mathcal U\\s(I)=s}} \|\mathbf1_I(P_{a,s+L_{\mathrm{proj}}}-P_{a,s})F_{a,s}\|_2^2 \le C(1+L_{\mathrm{proj}})^2 \bigl(\log(2D_h)\bigr)^2|K|. \tag{Rolling-energy}

两式在子根 KK 上重新应用完整行估计而得。无论投影进入多细的分割,原操作数仍为使用深度的 Fa,sF_{a,s}。

6. 光滑零均值部分的误差行

先处理把 e(λt2)\mathrm e(\lambda t^2) 换成一的形式。其核可按前篇的方法展开为两变量光滑、内部支撑且精确零均值的张量函数。固定一个张量指标,对位置 aa 的测试 ωI\omega_I 使用式 (Telescope)。

6.1 两个余和产生 2−K02^{-K_0}

对 h=s+ℓh=s+\ell,光滑性给出

∥ωI−EhωI∥∞+∥Eh+1ωI−EhωI∥∞≤CAω2−ℓ. \|\omega_I-\mathbb E_h\omega_I\|_\infty +\|\mathbb E_{h+1}\omega_I-\mathbb E_h\omega_I\|_\infty \le C A_\omega2^{-\ell}.

第一余和的归一化测试满足

∣I∣−1/2∣∫Iψa(Δs+ℓFa,s)phys(ωI−Es+ℓωI)∣≤CAω2−ℓ∥1IΔs+ℓFa,s∥2. |I|^{-1/2} \left|\int_I\psi_a(\Delta_{s+\ell}F_{a,s})_{\mathrm{phys}} (\omega_I-\mathbb E_{s+\ell}\omega_I)\right| \le C A_\omega2^{-\ell} \|\mathbf1_I\Delta_{s+\ell}F_{a,s}\|_2.

第二余和由式 (Mean-increment) 多出 ϵ≤1\sqrt\epsilon\le1,具有同样的上界。

对固定 ℓ\ell 先用式 (Offset-energy),再在区间索引的 Hilbert 直和中用 Minkowski 不等式对 ℓ≥K0\ell\ge K_0 求和。由于

∑ℓ≥K02−ℓ=21−K0, \sum_{\ell\ge K_0}2^{-\ell}=2^{1-K_0},

两个余和的输出范数合计至多

CAω2−K0log⁡(2Dh)∣K∣1/2.(Smooth-remainders) C A_\omega2^{-K_0}\log(2D_h)|K|^{1/2}. \tag{Smooth-remainders}

6.2 初始均值产生 K0ϵK_0\sqrt\epsilon

当前 ωI\omega_I 的积分为零,而 μs[s]\mu_s^{[s]} 在 II 上为常数,因此

∫Iμh∗[s]ωI=∫I(μh∗[s]−μs[s])ωI. \int_I\mu_{h_*}^{[s]}\omega_I =\int_I(\mu_{h_*}^{[s]}-\mu_s^{[s]})\omega_I.

式 (Mean-increment) 望远镜相加得到

μh∗[s]−μs[s]=ϵ ((Pa,s+K0−Pa,s)Fa,s)v. \mu_{h_*}^{[s]}-\mu_s^{[s]} =\sqrt\epsilon\,((P_{a,s+K_0}-P_{a,s})F_{a,s})_v.

使用 Corollary 4.5 中精确的 K0K_0 形式及同样的归一化测试,初始项的 Hilbert 直和范数至多

CAωK0ϵlog⁡(2Dh)∣K∣1/2.(Zero-mean-initial) C A_\omega K_0\sqrt\epsilon\log(2D_h)|K|^{1/2}. \tag{Zero-mean-initial}

当 K0=0K_0=0 时该项恰为零。

7. 与另一个位置的行配对

固定张量指标后,∣I∣|I| 倍形式等于位置 aa 的归一化残差矩与位置 bb 的归一化行值之积,另乘固定坐标 Jacobian 和张量系数。对全部使用区间用 Cauchy–Schwarz,位置 aa 由式 (Smooth-remainders)、(Zero-mean-initial) 控制。位置 bb 分三类处理。

若为原函数列,完整乘子为固定的 ψb\psi_b,每个使用区间只有一个光滑零均值行。其普通 Bessel 界可从第三单元光滑行证明直接推出:将测试函数分为鞅差,第 hh 部分的分析算子范数至多 2Aω2−h2A_\omega2^{-h},对 h≥1h\ge1 求和至多 2Aω2A_\omega。因此单乘子情形的 D Lemma 4.6 适用,得到变化函数的行平方和界。

若为当前投影函数,先对这个固定单乘子行族使用前篇列明的 H Compression 算子结论,再用 D Lemma 4.4。支撑与观察分割均是当前使用深度的完整分割,下标为同一个 ss。代价为 log⁡(2Dh)\log(2D_h) 的固定多项式。

若为能量型 Zb,IZ_{b,I},单行 Cauchy–Schwarz 给出

∣I∣−1/2∣∫IψbωIZb,I∣≤Aω∥Zb,I∥L2(I). |I|^{-1/2}\left|\int_I\psi_b\omega_I Z_{b,I}\right| \le A_\omega\|Z_{b,I}\|_{L^2(I)}.

给定的总平方能量界控制其输出范数为 AωL∣K∣1/2A_\omega L|K|^{1/2}。

张量指标的导数界只按多项式增长,快速衰减的张量系数使上述估计可以绝对求和。零均值部分因此被

C(2−K0+K0ϵ)poly⁡(log⁡(2Dh),1+L)∣K∣ C\bigl(2^{-K_0}+K_0\sqrt\epsilon\bigr) \operatorname{poly}\bigl(\log(2D_h),1+L\bigr)|K|

控制。这里所用 H Compression 仍为明确的外部前提。

8. 二次相位差的部分不必具有零均值

还需处理核

wI(x,t)(e(λt2)−1). w_I(x,t)\bigl(\mathrm e(\lambda t^2)-1\bigr).

固定使用深度 ss,令

xs=∣λ∣∣I∣2, x_s=|\lambda||I|^2,

它只依赖该深度,不依赖同层使用区间。当前只保留 xs≤Dpredx_s\le D_{\mathrm{pred}} 的深度。

在缩放到单位区间后,这个差核的任意所需固定阶导数界有因子

xspoly⁡(Dpred). x_s\operatorname{poly}(D_{\mathrm{pred}}).

普通光滑张量展开的单变量函数现在可以有非零均值,仍具有多项式导数成本和快速衰减的系数。

8.1 固定 ss 时可以使用普通投影正交性

整个细分过程中操作数固定为 Fa,sF_{a,s}。所以嵌套投影的普通正交性给出

∑h≥s+K0∥ΔhFa,s∥22≤∥1KFa,s∥22. \sum_{h\ge s+K_0}\|\Delta_hF_{a,s}\|_2^2 \le\|\mathbf1_KF_{a,s}\|_2^2.

这是固定 ss 后对 hh 的平方和,与第 5 节跨不同使用深度的变化函数估计不同。

同层使用区间不交。对式 (Telescope) 的两个余和使用光滑衰减 2s−h2^{s-h},再在 hh 上 Cauchy–Schwarz,得到输出范数

CAω2−K0∥1KFa,s∥2. C A_\omega2^{-K_0}\|\mathbf1_KF_{a,s}\|_2.

8.2 非零均值的初始项

此时不能减去 μs[s]\mu_s^{[s]}。直接由式 (Mean-coefficient) 写成

μh∗[s]=ϵ (Pa,h∗Fa,s)v. \mu_{h_*}^{[s]} =\sqrt\epsilon\,(P_{a,h_*}F_{a,s})_v.

同层不交性和投影压缩性使初始测试的输出范数至多

CAωϵ ∥1KFa,s∥2. C A_\omega\sqrt\epsilon\,\|\mathbf1_KF_{a,s}\|_2.

另一个位置在固定深度上的测试输出范数,由原函数大小、局部投影压缩性或给定能量界控制为 CAω(1+L)∣K∣1/2C A_\omega(1+L)|K|^{1/2}。原函数归一化保证 ∥1KFa,s∥2≤∣K∣1/2\|\mathbf1_KF_{a,s}\|_2\le|K|^{1/2}。所以该深度的贡献至多

xspoly⁡(Dpred)(2−K0+ϵ)(1+L)∣K∣. x_s\operatorname{poly}(D_{\mathrm{pred}}) \bigl(2^{-K_0}+\sqrt\epsilon\bigr)(1+L)|K|.

8.3 固定的未缩放 λ\lambda 使尺度可以求和

当 λ=0\lambda=0 时差核为零。否则随着深度增加,xsx_s 以比例 1/41/4 递减,因此

∑s:xs≤Dpredxs≤CDpred. \sum_{s:x_s\le D_{\mathrm{pred}}}x_s\le C D_{\mathrm{pred}}.

对任何所选有限深度子集同样成立。将第 8.2 节的界求和,即控制全部二次相位差的部分。将它与第 7 节相加,得到式 (Delayed-error)。

这里必须使用同一个未缩放相位参数 λ\lambda。若每层另选无关的 λs\lambda_s,这个几何求和理由将不成立。

9. 依次替换两个位置为什么仍在允许类别内

对应 D p.37,Lemma 5.5 末段。

若位置 bb 已先做延迟投影,则在一个使用区间 II、s=s(I)s=s(I) 上精确地有

Pb,s+K0Fb,s=Pb,sFb,s+(Pb,s+K0−Pb,s)Fb,s. P_{b,s+K_0}F_{b,s} =P_{b,s}F_{b,s} +(P_{b,s+K_0}-P_{b,s})F_{b,s}.

第一项是当前投影组成部分。将第二项作为一个整体限制到 II,式 (Rolling-energy) 给出

∑I∈U∥1I(Pb,s(I)+K0−Pb,s(I))Fb,s(I)∥22≤C(1+K0)2(log⁡(2Dh))2∣K∣. \sum_{I\in\mathcal U} \left\|\mathbf1_I(P_{b,s(I)+K_0}-P_{b,s(I)})F_{b,s(I)}\right\|_2^2 \le C(1+K_0)^2\bigl(\log(2D_h)\bigr)^2|K|.

所以它是参数

L′=C(1+K0)log⁡(2Dh) L'=C(1+K_0)\log(2D_h)

的一个允许能量型组成部分。若再减去一个旧的当前投影,正好有三个组成部分,系数为 1,1,−11,1,-1,符合前篇定义。

必须把整个延迟差视为一个能量组成部分,不能将其拆成 K0K_0 个对手后继续声称组成部分数至多三。这个精确分解保证两个位置的顺次替换都可应用同一误差估计。

原文范围与后续用途

  • D p.35,式 (5.18)–(5.20):完整误差陈述、共轭预测列、残差矩与有限望远镜恒等式。
  • D p.36,式 (5.21)–(5.22):固定偏移的变化函数能量、零均值初始项、固定使用深度的二次差核估计。
  • D p.37:固定相位的几何求和与顺次替换的三组成部分分解。

下一段 D §5.6 还须实际选择 B,K0,ϵB,K_0,\epsilon,在所有低位置函数对上求和,并构造额外高精度投影,使最终列函数族的对数大小符合上述误差需要。当前估计只是说明:一旦这些参数和真正的继承投影族满足陈述条件,延迟替换具有所列统一误差。