We prove that the most natural low-degree test for polynomials over finite fields is ``robust'' in the high-error regime for linear-sized fields. Specifically we consider the ``local'' agreement of a function $f: \mathbb{F}_q^m \to \mathbb{F}_q$ from the space of degree-$d$ polynomials, i.e., the expected agreement of the function from univariate degree-$d$ polynomials over a randomly chosen line in $\mathbb{F}_q^m$, and prove that if this local agreement is $\epsilon \geq \Omega((\frac{d}{q})^\tau))$ for some fixed $\tau > 0$, then there is a global degree-$d$ polynomial $Q: \mathbb{F}_q^m \to \mathbb{F}_q$ with agreement nearly $\epsilon$ with $f$. This settles a long-standing open question in the area of low-degree testing, yielding an $O(d)$-query robust test in the ``high-error'' regime (i.e., when $\epsilon < \frac{1}{2}$). The previous results in this space either required $\epsilon > \frac{1}{2}$ (Polishchuk \& Spielman, STOC 1994), or $q = \Omega(d^4)$ (Arora \& Sudan, Combinatorica 2003), or needed to measure local distance on $2$-dimensional ``planes'' rather than one-dimensional lines leading to $\Omega(d^2)$-query complexity (Raz \& Safra, STOC 1997). Our analysis follows the spirit of most previous analyses in first analyzing the low-variable case ($m = O(1)$) and then ``bootstrapping'' to general multivariate settings. Our main technical novelty is a new analysis in the bivariate setting that exploits a previously known connection between multivariate factorization and finding (or testing) low-degree polynomials, in a non ``black-box'' manner. A second contribution is a bootstrapping analysis which manages to lift analyses for $m=2$ directly to analyses for general $m$, where previous works needed to work with $m = 3$ or $m = 4$ -- arguably this bootstrapping is significantly simpler than those in prior works.


翻译:我们证明,对于有限域上的多项式,最自然的低度数测试在“高误差”区域对于线性规模域具有“鲁棒性”。具体而言,我们考虑函数 $f: \mathbb{F}_q^m \to \mathbb{F}_q$ 与次数为 $d$ 的多项式空间的“局部”一致性,即该函数在 $\mathbb{F}_q^m$ 中随机选取的直线上与一元 $d$ 次多项式的期望一致性,并证明若该局部一致性满足 $\epsilon \geq \Omega((\frac{d}{q})^\tau))$(其中 $\tau > 0$ 为固定常数),则存在一个全局 $d$ 次多项式 $Q: \mathbb{F}_q^m \to \mathbb{F}_q$ 使得 $Q$ 与 $f$ 的一致性接近 $\epsilon$。这一结果解决了低度数测试领域长期悬而未决的问题,在“高误差”区域(即 $\epsilon < \frac{1}{2}$ 时)实现了 $O(d)$ 查询复杂度的鲁棒测试。此前该领域的结果要么要求 $\epsilon > \frac{1}{2}$(Polishchuk & Spielman, STOC 1994),要么要求 $q = \Omega(d^4)$(Arora & Sudan, Combinatorica 2003),或者需在二维“平面”(而非一维直线)上测量局部距离,导致 $\Omega(d^2)$ 查询复杂度(Raz & Safra, STOC 1997)。我们的分析遵循此前大多数分析的精神:先分析低变量情形($m = O(1)$),再通过“自举”推广到一般多元情形。主要技术创新在于对二元情形的全新分析:以非“黑盒”方式利用多元因式分解与寻找(或测试)低度数多项式之间已知的联系。另一贡献是自举分析——该分析成功将 $m=2$ 的结果直接推广到一般 $m$ 的情形,而此前工作需从 $m=3$ 或 $m=4$ 入手——可论证地,这一自举方法显著简化了先前的工作。

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