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计算机科学 > 数据结构与算法

arXiv:2505.18879 (cs)
[提交于 2025年5月24日 (v1) ,最后修订 2025年7月17日 (此版本, v2)]

标题: 通过随机性再利用的高效在线随机抽样

标题: Efficient Online Random Sampling via Randomness Recycling

Authors:Thomas L. Draper, Feras A. Saad
摘要: “随机性再利用”是一种强大的算法技术,用于重新使用概率算法消耗的随机信息的一部分,以减少其熵需求。 本文提出了一类随机性再利用算法,用于高效采样一个服从任意随机过程的离散随机变量序列$X_1, X_2, X_3, \dots$。 我们开发了随机性再利用技术,以降低多种著名采样算法的熵成本,这些算法包括均匀采样、逆变换采样、查找表采样、别名采样和离散分布生成(DDG)树采样。 我们的方法在使用$O(\log(1/\varepsilon))$空间时,每输出样本的期望摊还熵成本为$H(X_1,\dots,X_k)/k + \varepsilon$输入位,这与$k\to\infty$的最优香农熵率$H(X_1,\dots,X_k)/k$位每样本非常接近。 我们方法的空间、时间和熵特性相结合,优于Knuth和Yao的熵最优算法以及Han和Hoshi的区间算法,用于采样离散随机序列。 在实验方面,我们展示了当使用密码学安全的伪随机数生成器时,随机性再利用能够实现Fisher-Yates洗牌的最先进运行时性能;它还可以加速离散高斯采样器。 随文附带了一个高性能的C语言软件库,该库使用随机性再利用来加速几种现有的随机采样算法。
摘要: ``Randomness recycling'' is a powerful algorithmic technique for reusing a fraction of the random information consumed by a probabilistic algorithm to reduce its entropy requirements. This article presents a family of randomness recycling algorithms for efficiently sampling a sequence $X_1, X_2, X_3, \dots$ of discrete random variables whose joint distribution follows an arbitrary stochastic process. We develop randomness recycling techniques to reduce the entropy cost of a variety of prominent sampling algorithms, which include uniform sampling, inverse transform sampling, lookup-table sampling, alias sampling, and discrete distribution generating (DDG) tree sampling. Our method achieves an expected amortized entropy cost of $H(X_1,\dots,X_k)/k + \varepsilon$ input bits per output sample using $O(\log(1/\varepsilon))$ space as $k\to\infty$, which is arbitrarily close to the optimal Shannon entropy rate of $H(X_1,\dots,X_k)/k$ bits per sample. The combination of space, time, and entropy properties of our method improves upon the Knuth and Yao entropy-optimal algorithm and Han and Hoshi interval algorithm for sampling a discrete random sequence. On the empirical side, we show that randomness recycling enables state-of-the-art runtime performance on the Fisher-Yates shuffle when using a cryptographically secure pseudorandom number generator; and it can also speed up discrete Gaussian samplers. Accompanying the manuscript is a performant software library in the C programming language that uses randomness recycling to accelerate several existing algorithms for random sampling.
评论: 35页,9图,2表,14算法
主题: 数据结构与算法 (cs.DS) ; 离散数学 (cs.DM); 信息论 (cs.IT); 概率 (math.PR); 计算 (stat.CO)
引用方式: arXiv:2505.18879 [cs.DS]
  (或者 arXiv:2505.18879v2 [cs.DS] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2505.18879
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Feras Saad [查看电子邮件]
[v1] 星期六, 2025 年 5 月 24 日 21:34:08 UTC (229 KB)
[v2] 星期四, 2025 年 7 月 17 日 18:39:50 UTC (7,500 KB)
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