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¿Cuál es exactamente la relación entre los códigos sobre campos finitos y los paquetes de esferas euclidianas?

Así que sé que los códigos de corrección de errores son paquetes de esferas en la métrica de Hamming, y que la intuición y las herramientas técnicas del caso euclidiano pueden aplicarse a menudo al caso de campo finito y viceversa. Pero a veces he oído decir que hay una relación más directa y que se pueden utilizar los límites de los códigos de corrección de errores en campos finitos para obtener los límites de los paquetes de esferas euclidianos.

Por desgracia, ninguno de los libros de teoría de la codificación a los que tengo acceso me dice cómo funciona exactamente esto, y Google tampoco está siendo muy cooperativo. ¿Alguien tiene (un puntero a) una explicación de cómo exactamente se pueden transferir los resultados entre las dos configuraciones? ¿O estoy recordando mal o entendiendo mal lo que he leído?

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John Topley Puntos 58789

Conway y Sloane, Embalajes de esferas, retículos y grupos (SPLAG), es uno de los mejores libros de matemáticas de tipo encuesta jamás escritos. Ciertamente, extiende la discusión a los códigos de corrección de errores, aunque el tema principal son los empaquetamientos de esferas euclidianas.

La relación más importante entre los empaquetamientos de esferas y los códigos, pero no la única, es como una analogía extendida que conduce a límites y construcciones uniformemente argumentadas. Tanto la métrica de Hamming como la métrica euclidiana son métricas, y en ambos casos se está interesado en conjuntos de distancia mínima que luego se llaman códigos. Pero la analogía va más allá. El cubo de Hamming es un grupo abeliano normado, y el espacio euclidiano es un grupo abeliano normado. En ambos casos, hay un interés especial en los códigos que son subgrupos. Si un código es un subgrupo, sólo hay que comprobar la distancia mínima al vector 0. Además, recordemos la dualidad Pontryagin-Fourier: Si $A$ es un grupo abeliano localmente compacto, tiene un grupo dual $\hat{A}$ que es su grupo de caracteres. El cubo de Hamming y el espacio euclidiano son ambos canónicamente autoduales en el sentido de que $A = \widehat{A}$ . Si $C \subset A$ es un subgrupo, tiene un código dual $C^\perp$ que es mediante la definición del subgrupo $\widehat{A/C} \subset \widehat{A} = A$ . (En otras palabras, es el grupo de caracteres que son triviales en $C$ .) $C$ tiene un enumerador de pesos, que en el caso euclidiano se llama serie theta, y los enumeradores de pesos de $C$ y $C^\perp$ están relacionados por una transformación. La transformación se denomina identidad de MacWilliams en el caso de Hamming e identidad de Jacobi en el caso de Euclides. La transformación es posible gracias a otra característica común fundamental: El cubo de Hamming y el espacio euclidiano son ambos espacios métricos transitivos de 2 puntos.

Cuando un espacio métrico es transitivo en 2 puntos, existe una construcción debida a Delsarte para encontrar límites superiores en los tamaños de los códigos. La construcción es una cierta relajación de la distribución de la distancia de un código que reduce el límite a la programación lineal. Las restricciones lineales provienen del análisis armónico. Es más fácil en el caso compacto, y se explica en SPLAG en el caso Hamming y en el caso de la geometría esférica, donde se obtienen límites en los números de beso y otros empaquetamientos esféricos. El caso euclidiano de los límites de programación lineal fue desarrollado posteriormente por Henry Cohn y Noam Elkies en

En el ámbito de la construcción, la analogía es a veces más directa. Una esfera que se embala en $\mathbb{R}^n$ puede ser a la vez un subconjunto de $\mathbb{Z}^n$ y la unión de cosets de $(2\mathbb{Z})^n$ . Cuando es de esta forma, proviene de un código binario en $(\mathbb{Z}/2)^n$ . A veces, esto da lugar a los más conocidos empaquetamientos de esferas. De hecho, uno de estos casos utiliza el código Best con $n=10$ (encontrado por Marc Roelant Best). Un caso más sencillo es el $D_n$ celosía, que es el mejor embalaje cuando $n=3$ el mejor empaquetamiento en celosía cuando $n=4,5$ y se cree que es el mejor embalaje en estos dos casos. Proviene del código de paridad.

Esta transferencia de códigos se extiende a otro caso importante, los códigos sobre $\mathbb{Z}/k$ en la métrica de Lee. La métrica de Lee en $\mathbb{Z}/k$ es sólo la métrica del gráfico de un $k$ -gon, es decir, $d(a,b) = |a-b|$ si se eligen los residuos para que la respuesta sea como máximo $k/2$ . La métrica estándar de Lee en $\mathbb{Z}/k$ es el $\ell^1$ suma de las distancias Lee en los factores, pero se puede ver como una aproximación a $\ell^2$ y de nuevo elevar al caso euclidiano. Se puede obtener el $E_8$ celosía con camino con $k=4$ . $k=4$ es también por separado porque $\mathbb{Z}/4$ es isométrica con respecto a $(\mathbb{Z}/2)^2$ y esta isometría conduce a lo que se llama $\mathbb{Z}/4$ -códigos binarios lineales. (El código Best mencionado en el párrafo anterior es uno de estos códigos).

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Pierre Spring Puntos 2398

Aquí hay más información:

  1. Es útil pensar en el problema de los "códigos esféricos" (un conjunto de puntos en S^n con distancia mínima $\alpha$ ). Entender el empaquetamiento euclidiano más denso equivale a entender los códigos esféricos cuando $\alpha$ tiende a cero. Se puede preguntar por los códigos en otros espacios simétricos. Un ejemplo que vale la pena mencionar es el de los códigos binarios con números prescritos de "1" y "0".

  2. Las construcciones aleatorias (o codiciosas) dan las construcciones asintóticas más conocidas para los códigos esféricos (y el empaquetamiento de esferas) y para los códigos binarios. (En el caso de los empaquetamientos de esferas, se trata de los Minkowski-Hlawka límites inferiores para los códigos de corrección de errores son los Gilbert-Varshamov límites inferiores). Es un problema abierto fundamental si estas construcciones aleatorias dan la mejor tasa de códigos binarios correctores de errores y de códigos esféricos.

  3. Una diferencia importante entre los códigos y los empaquetamientos de esferas es que para los códigos sobre un alfabeto grande hay construcciones mejores que los códigos Gilbert-Varshamov basados en la geometría algebraica ( Códigos Goppa ). Para estas construcciones, no se conocen análogos para los códigos esféricos. (A veces se plantea la duda de si la distancia de Hamming es adecuada para los códigos de alfabeto grande).

  4. Varias técnicas básicas para demostrar los límites superiores son comunes a todos estos tipos de códigos. Entre ellas se encuentran el límite de volumen, el límite de Elias, el método de LP de Delsates y una extensión reciente de Schrijver basada en la programación semidefinida.

  5. La clase de empaquetamiento reticular es análoga a la clase de códigos lineales.

  6. Hay varias diferencias (además del punto 3). Por ejemplo, el mejor número de beso conocido (o la ocurrencia [esperada] de la distancia mínima de una palabra de código) para los códigos binarios puede ser exponencial en la dimensión, mientras que para el empaquetamiento de esferas sólo se conocen números de beso cuasi-polinómicos. La cuestión de si existe un empaquetamiento de esferas con un número de besos exponencial es muy interesante. Véase esta respuesta de la pregunta de MO a-redonda-lattice-con-número-bajo-de-besos .

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Doug Puntos 858

Una buena exposición de algunas de estas cuestiones es:

Thomas M. Thomson, From Error-Correcting Codes Through Sphere Packings to Simple Groups, publicado por MAA, 1983.

También está el libro de Sloane y Conway:

http://neilsloane.com/doc/splag.html

titulado: Sphere Packings, Lattices, and Groups.

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Erik Puntos 2107

La conexión principal en lo que respecta a la decodificación y las construcciones son las construcciones A y B de conway y sloane en SPLAG, tal y como menciona Malkevitch más arriba. la construcción B es similar a la A aceptando una restricción adicional, por lo que, por brevedad, sólo cubriré la construcción B.

(from SPLAG : conway & sloane)
Construction B:
let C be an (n,M,d) even binary code.

construction B: 1. x = (x\_1,...x\_n) is a lattice center iff x is congruent (mod 2) to a codeword of C  
                2. sum{x\_i,n,i=0} = 0 (mod 4)  (this is the additional restriction from construction A)

la forma en que se definen los centros de los clústeres es a través de una representación de matriz de coordenadas de puntos

La matriz de coordenadas de un punto x = (x_1,...x_n) con coordenadas enteras se obtiene escribiendo la expansión binaria de las coordenadas en x_i en sentido de las columnas, empezando por el dígito menos significativo.

ex
               \* \* \* - these are in complement form
1's\[ 0 1 0 1 0 1 0 1 \]
2's\[ 0 1 1 0 0 1 1 0 \] = {4,3,2,1,0,-1,-2,-3}
4's\[ 1 0 0 0 0 1 1 1 \]
8's\[ 0 0 0 0 0 1 1 1 \]

construcción B: un punto x es un centro de esfera si la fila del 1 de la matriz de coordenadas es una palabra clave c en C y la fila del 2 tiene un peso par si el peso de c es divisible por 4 o un peso impar si el peso es divisible por 2 pero no por 4.

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