Lecture 21 - 2025 / 5 / 8

Lovász Local Lemma

Lemma:A1,,AnA_1, \cdots, A_n 是一系列“坏事件”,Pr[Ai]p\Pr[A_i] \le p,并且每个 AiA_i 独立于除最多 dd 个其他事件 AjA_j 之外的所有事件。如果 ep(d+1)1ep(d+1)\le1,则
Pr[i=1nAi]>0\Pr\left[ \bigcap_{i=1}^{n} \overline{A_i} \right] > 0

Claim: 对于任意任何 S{1,,n}S \subseteq \{1, \cdots, n\},对任意 ii,有 Pr[AijSAj]1d+1\Pr\left[ A_i \mid \bigcap_{j\in S} \overline{A_j}\right] \le \dfrac{1}{d + 1}

m:=Sm := |S| 归纳,m=0m = 0Pr[Ai]p1e(d+1)<1d+1\Pr[A_i] \le p \le \dfrac{1}{e(d+1)} < \dfrac{1}{d+1}

SS 分为 S1=SDi,S2=S\S1S_1 = S \cap D_i, S_2 = S \backslash S_1,其中 DiD_i 为和 AiA_i 有关的事件集合。

Pr[AijSAj]=Pr[AijS1AjkS2Ak]Pr[jS1AjkS2Ak]\Pr\left[ A_i \mid \bigcap_{j\in S} \overline{A_j}\right] = \frac{\Pr\left[ A_i \cap \bigcap_{j \in S_1} \overline{A_j} \mid \bigcap_{k\in S_2} \overline{A_k}\right]}{\Pr\left[ \bigcap_{j \in S_1} \overline{A_j} \mid \bigcap_{k\in S_2} \overline{A_k} \right]}

分子 Pr[AikS2Ak]Pr[Ai]\le \Pr\left[ A_i \mid \bigcap_{k\in S_2} \overline{A_k}\right] \le \Pr[A_i]

对于分母,不妨设 S1={1,2,,S1}S_1 = \{1, 2, \cdots, |S_1|\}
Pr[jS1AjkS2Ak]=j=1S1(1Pr[Ajj<jAjkS2Ak])(11d+1)S1(11d+1)d>1e\begin{aligned} \Pr\left[ \bigcap_{j \in S_1} \overline{A_j} \mid \bigcap_{k\in S_2} \overline{A_k} \right] & = \prod_{j=1}^{|S_1|} \left( 1 - \Pr\left[A_j \mid \bigcap_{j'< j} \overline{A_{j'}} \cap \bigcap_{k \in S_2} \overline{A_k}\right] \right)\\ & \ge \left( 1 - \frac{1}{d + 1} \right)^{|S_1|} \\ & \ge \left( 1 - \frac{1}{d + 1} \right)^{d} > \frac{1}{e} \end{aligned}

从而原式 p1/e=ep1d+1\le \dfrac{p}{1/e} = ep \le \dfrac{1}{d+1},根据归纳法原命题得证。

根据 Claim,我们有
Pr[i=1nAi]=i=1n(1Pr[Aij<iAj])(11d+1)n>0\begin{aligned} \Pr\left[ \bigcap_{i=1}^{n} \overline{A_i} \right] & = \prod_{i=1}^{n} \left( 1 - \Pr\left[ A_i \mid \bigcap_{j < i} \overline{A_j} \right] \right) \\ & \ge \left( 1 - \frac{1}{d + 1} \right)^n > 0 \end{aligned}

从而 LLL 得证。

Example: kk-SAT

Claim: 任何 kk-CNF φ\varphi,如果每个变量都出现在至多 2k2k\dfrac{2^{k-2}}{k} 个 clause 里,则 φ\varphi 是可被满足的。

Ai:=A_i :=ii 个 clause 不满足,则 Pr[Ai]=2k=p\Pr[A_i] = 2^{-k} = p,同时 d=k2k2k=2k2d = k \cdot \dfrac{2^{k-2}}{k} = 2^{k-2}。容易验证此时 LLL 的条件满足。