问题
码率–距离函数 R(δ):无限长二元码、相对最小距离 ≥ δ 时可达到的最大信息率。它是编码理论六十年的 «天际线问题»:Gilbert–Varshamov 下界(随机构造:R ≥ 1−H₂(δ))、Hamming 上界与 Delsarte 的 LP 上界(MRRW:R ≤ H₂(1/2−√(δ(1−δ))))之间在 δ ≈ 0.3 附近有显著 gap——没有已知工具能合龙。2010 年代 Jiang–Vardy 等的改进只是微雕;极性码(Arikan 2009)等构造成功反而突显 R(δ) 本体的未知。这是 «组合设计 ↔ 编码 ↔ 信息论» 三界共享的地基问题。
主要概念
两根桅杆
GV 下界:贪心选码字,每新码字 «禁掉» 半径 δn 球内的点 ⟹ 码率 ≥ 1−H₂(δ)(H₂ 二元熵)。MRRW 上界(McEliece–Rodemich–Rumsey–Welch 1977):Delsarte 线性规划在 Krawtchouk 多项式上的显式解 ⟹ R(δ) ≤ H₂(1/2−√(δ(1−δ)))。两曲线在 δ→0,1 处相切(«MRRW 是渐近紧的» 于端点),中段分离;«第二矩» 的改进(Samorodnitsky 2001)只动了毫厘。
构造侧的真实地位
实际可构造码(LDPC、极性码)的码率长期达不到 GV 下界——直到 2010s 的 «容量达到» 序列在 «随机通道» 意义下接近,但 «最坏情形距离» 意义下的 R(δ) 构造仍停在 GV 附近。『上下界之间的码是什么样』没有任何理论图像——这正是 «天际线» 的含义。
主要命题与证明
命题 1(Gilbert–Varshamov 下界,完整证明) 存在二元码,长 n、最小距离 ≥ δn、大小 ≥ 2n/|B(δn−1)|,即 R ≥ 1−H₂(δ)。
证明 贪心:从 {0,1}n 出发,每步选一个未被 «覆盖» 的点加入码字,并删去所有与其距离 < δn 的点。每选一个码字至多删去半径 (δn−1) 的球,其大小 Σi≤δn−1 C(n,i) ≤ 2nH₂(δ)(δ≤1/2 的标准熵估计)。故码字数 ≥ 2n/2nH₂(δ),且任意两码字距离 ≥ δn(否则后者已被删除)。□
命题 2(MRRW 上界,1977;陈述+机制) 任何长 n、距离 δn 的二元码满足 R ≤ H₂(1/2−√(δ(1−δ)))。机制:Delsarte 的 «距离分布线性规划» ——码的距离分布落在 Krawtchouk 正锥中,取 «多项式 f = (Krawtchouk 组合)²» 的可行解优化目标,得解析上界。
说明 LP 方法的 «渐近解析» 由 MRRW 完成;它与 04 号的 Rao 界同一台机器(Delsarte 框架的 «码侧»)。□
命题 3(非线性改进的微雕时代;陈述) Samorodnitsky(2001)的 «二阶矩» 改进与 Jiang–Vardy 的 «非线性» 改进只在 δ 的中间段移动 O(ε) 量级;『R(δ) 的精确值』连 «是否存在初等解析表达式» 都不知道。与 «极性码» 的成功对照:随机通道的容量可达(Shannon 意义),最坏情形距离的意义下 GV 依旧是最好的通用构造。
说明 本问题与 «组合设计» 的接口:好码 ↔ 好设计(如 «覆盖阵列»、«MDS 的弧»),34 号的缺口同时是 04、36 号的深水区。□
进展与文献
Gilbert 1952、Varshamov 1957;McEliece–Rodemich–Rumsey–Welch 1977;Delsarte 的 LP 理论;Samorodnitsky 2001;MacWilliams–Sloane《The Theory of Error-Correcting Codes》的渐近章。开放核心:R(δ) 的精确值;LP 界的 «超越» 工具;GV 下界的显式化(显式码达到 GV 是四十年工程,已接近);与 «量子码» 的对应界(量子 GV 型界)。