Adakah polinomial yang sulit dihitung tetapi mudah diputuskan?


15

Setiap rangkaian aritmatika monoton , yaitu sirkuit , menghitung beberapa polinomial F multivariat ( x 1 , , x n ) dengan koefisien integer nonnegatif. Diberi polinom f ( x 1 , , x n ) , sirkuit{+,×}F(x1,,xn)f(x1,,xn)

  • Toedjoe menghitung jika F ( a ) = f ( a ) berlaku untuk semua a N n ; fF(a)=f(a)aNn
  • jumlah jika F ( a ) = f ( a ) berlaku untuk semua a { 0 , 1 } n ; fF(a)=f(a)a{0,1}n
  • memutuskan jika F ( a ) > 0 persis ketika f ( a ) > 0 berlaku untuk semua a { 0 , 1 } n . fF(a)>0f(a)>0a{0,1}n

Saya tahu polinomial eksplisit (bahkan multilinear) yang menunjukkan bahwa celah ukuran sirkuit "menghitung / menghitung" dapat bersifat eksponensial. Pertanyaan saya menyangkut jeda "jumlah / keputusan".f

Pertanyaan 1: Apakah ada yang tahu tentang polinomial yang secara eksponensial lebih sulit untuk dihitung daripada memutuskan dengan { + , × } -circuits? f{+,×}

Sebagai kandidat yang memungkinkan, seseorang dapat mengambil polinomial PATH yang variabelnya sesuai dengan tepi grafik lengkap pada { 1 , , n } , dan masing-masing monomial berhubungan dengan jalur sederhana dari simpul 1 ke simpul n dalam K n . Polinomial ini dapat diputuskan oleh rangkaian ukuran O ( n 3 ) yang mengimplementasikan, katakanlah, algoritma pemrograman dinamis Bellman-Ford, dan relatif mudah untuk menunjukkan bahwa setiap komputasi sirkuit sirkuit { + , × }Kn{1,,n}1nKnO(n3){+,×}PATH harus berukuran . 2Ω(n)

Di sisi lain, setiap rangkaian penghitungan PATH memecahkan yang masalah PATH, yaitu menghitung jumlah 1 -to- n jalan di ditentukan oleh yang sesuai 0 - 1 subgraf masukan dari K n . Ini adalah masalah yang disebut # P -lengkap . Jadi, kita semua "percaya" bahwa PATH tidak dapat memiliki penghitungan { + , × } -circuit dengan ukuran polinomial. Masalah "hanya" adalah untuk membuktikan ini ... #1n01Kn#{+,×}

Saya dapat menunjukkan bahwa setiap -circuit yang menghitung jalur polinomial jalur Hamiltonian terkait memerlukan ukuran eksponensial. Monomials dari bersesuaian ini polinomial untuk 1 -to- n jalan di K n mengandung semua node. Sayangnya, pengurangan dari # HP untuk # PATH oleh Valiant membutuhkan untuk menghitung invers dari matriks Vandermonde, dan karenanya tidak dapat dilaksanakan oleh { + , × } -circuit.{+,×}1nKn##{+,×}

Pertanyaan 2: Apakah ada yang melihat pengurangan # HP menjadi # PATH secara monoton ? ##

Dan akhirnya:

Pertanyaan 3: Apakah "versi monoton" kelas P dipertimbangkan? #

NB Perhatikan bahwa saya berbicara tentang kelas sirkuit yang sangat terbatas: sirkuit aritmatika monoton ! Di kelas -circuits, Pertanyaan 1 tidak adil untuk ditanyakan sama sekali: tidak ada batas bawah yang lebih besar dari Ω ( n log n ) untuk sirkuit seperti itu, bahkan ketika diminta untuk menghitung polinomial tertentu pada semua input dalam R n , diketahui. Juga, di kelas sirkuit seperti itu, "analog struktural" dari Pertanyaan 1 - apakah ada # P- polinomial lengkap yang dapat diputuskan dengan poly-size { + , -{+,,×}Ω(nlogn)Rn# -lingkaran? - Memiliki jawaban afirmatif. Seperti adalah, misalnya, PER polinomial permanen = Σ h S n Π n i = 1 x i , h ( i ) . {+,,×}=hSni=1nxi,h(i)

TAMBAH: Tsuyoshi Ito menjawab Pertanyaan 1 dengan trik yang sangat sederhana. Tetap saja, Pertanyaan 2 dan 3 tetap terbuka. Status penghitungan PATH menarik karena keduanya merupakan masalah DP standar dan karena # P-complete.


2
Sedangkan untuk Pertanyaan 1, bagaimana dengan menambahkan 1 ke polinomial yang sulit dihitung?
Tsuyoshi Ito

2
Tiga pertanyaan Anda tampaknya cukup berbeda sehingga harus tiga pertanyaan terpisah.
David Richerby

Saya khawatir Anda tidak dapat menghindari contoh sepele dengan hanya melarang konstanta di sirkuit aritmatika. Bagaimana dengan menambahkan x_1 + ... + x_n ke polinomial yang sulit dihitung yang mengambil 0 pada titik asal? (Terlebih lagi, jika Anda melarang konstanta, Anda tidak dapat merepresentasikan polinomial yang mengambil nilai bukan nol di titik asalnya.)
Tsuyoshi Ito

'Seperti dalam "teori #P", di bawah "keputusan" yang kami maksudkan "adalah setidaknya ada satu solusi". Dan konstanta bukanlah solusi (biasanya). ' Anda tahu, Anda berada di lereng yang licin di sini. Pertimbangkan rekanan #P dari Pertanyaan 1: berikan contoh relasi R∈FNP sehingga #R adalah # P-complete tetapi mudah untuk memutuskan apakah #R (x)> 0 atau tidak. Kita mungkin tergoda untuk mengatakan Matching, tetapi ini adalah kerja keras. Menambahkan solusi sepele ke 3SAT berfungsi dengan baik, dan komentar saya sebelumnya analog dengan ini. (selengkapnya)
Tsuyoshi Ito

1
@ Tsuyoshi Ito: Nah, trik sederhana Anda (tambahkan jumlah semua variabel ke polinomial yang sulit dihitung) sebenarnya menjawab Pertanyaan 1 (dalam bentuk yang dinyatakan). Bisakah Anda menjawabnya sebagai jawaban?
Stasys

Jawaban:


7

(Saya memposting komentar saya sebagai jawaban untuk menanggapi permintaan OP.)

Adapun Pertanyaan 1, biarkan f n : {0,1} n → ℕ menjadi keluarga fungsi yang sirkuit aritmatika membutuhkan ukuran eksponensial. Maka demikian juga f n 1, tapi f n 1 mudah untuk memutuskan dengan sirkuit aritmatika sepele monoton. Jika Anda memilih untuk menghindari konstanta dalam monoton sirkuit aritmatika, maka biarkan f n : {0,1} n → ℕ menjadi keluarga fungsi sehingga sirkuit aritmatika untuk f n membutuhkan ukuran eksponensial dan f n (0, ..., 0) = 0, dan pertimbangkan f n + x 1 + ... + x n .

Dengan menggunakan situs kami, Anda mengakui telah membaca dan memahami Kebijakan Cookie dan Kebijakan Privasi kami.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.