In this work, we consider the fundamental problem of deriving quantitative bounds on the probability that a given assertion is violated in a probabilistic program. We provide automated algorithms that obtain both lower and upper bounds on the assertion violation probability in exponential forms. The main novelty of our approach is that we prove new and dedicated fixed-point theorems which serve as the theoretical basis of our algorithms and enable us to reason about assertion violation bounds in terms of pre and post fixed-point functions. To synthesize such fixed-points, we devise algorithms that utilize a wide range of mathematical tools, including repulsing ranking super-martingales, Hoeffding's lemma, Minkowski decompositions, Jensen's inequality, and convex optimization. On the theoretical side, we provide (i) the first automated algorithm for lower-bounds on assertion violation probabilities, (ii) the first complete algorithm for upper-bounds of exponential form in affine programs, and (iii) provably and significantly tighter upper-bounds than the previous approach of stochastic invariants. On the practical side, we show that our algorithms can handle a wide variety of programs from the literature and synthesize bounds that are several orders of magnitude tighter in comparison with previous approaches.


翻译:在这项工作中,我们考虑从概率方案中某一主张被违反的可能性中得出量化界限的根本问题。我们以指数形式提供自动算法,在断言违反概率概率的概率中获得下限和上限。我们的方法的主要新颖之处是,我们证明新的和专用固定点定点理论,作为我们算法的理论基础,并使我们能够解释在固定点前和固定点后功能中声称违反界限的理由。为了综合这些定点,我们设计了各种数学工具,包括击退超级海拔排名、霍芬的利玛、Minkowski的分流、Jensen的不平等和convex优化。在理论上,我们提供了(一)关于声称违反概率的较低点定点的首个自动算法,(二)在亲近程序中为上层指数形式的上层第一个完整的算法,以及(三)与先前的变异性分子分级方法相比,可以明显和大幅度收紧。在实际水平上,我们可以用更精确的数级方法处理以前的各种比较。

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