Le problème de décider si un CNF monotone implique un DNF monotone


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Considérez le problème de décision suivant

Entrée : un CNF Φ monotone et un DNF monotone Ψ.

Question : Φ→Ψ une tautologie?

Vous pouvez certainement résoudre ce problème en temps O(2n⋅poly(l)) , où n est le nombre de variables dans Φ→Ψ et l est la longueur de l'entrée. D'un autre côté, ce problème est coNP-complet. En outre, une réduction qui établit également coNP-complétude montre que, à moins que SETH échoue, il n'y a pas O(2(1/2−ε)npoly(l))-algorithme de temps pour ce problème (cela vaut pour tout positif ε). Voici cette réduction. Soit A un CNF (non monotone) et soit x sa variable. Remplacez chaque occurrence positive de x par y et chaque occurrence négative de x par z . Faites de même pour chaque variable. Soit le CNF monotone résultant Φ . Il est facile de voir que A est satisfiable si Φ→yz∨… n'est pas une tautologie. Cette réduction fait exploser le nombre de variables d'un facteur 2, ce qui implique 2n/2 Limite inférieure (basée sur SETH) mentionnée ci-dessus.

Il y a donc un écart entre 2n/2 et 2n . Ma question est de savoir si un meilleur algorithme ou une meilleure réduction de SETH est connu?

Juste deux remarques apparemment liées au problème:

  • un problème inverse de savoir si un DNF monotone implique un CNF monotone est trivialement résoluble en temps polynomial.

  • Fait intéressant, le problème de décider si Φ et Ψ calculer la même fonction peut être résolu en temps quasi-polynomiale en raison de Fredman et Khachiyan (la complexité de dualisation de Monotone disjonctif formes normales, Journal des algorithmes 21 (1996), no. 3 , p. 618–628, doi: 10.1006 / jagm.1996.0062 )

Réponses:


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En supposant SETH, le problème n'est pas résoluble dans le temps O(2(1−ϵ)npoly(l)) pour tout ϵ>0 .


Tout d'abord, permettez-moi de montrer que cela est vrai pour le problème plus général où Φ et Ψ peuvent être des formules monotones arbitraires. Dans ce cas, il y a une réduction ctt poly-temps de TAUT au problème qui préserve le nombre de variables. Soit Ttn(x0,…,xn−1) la fonction seuil

Ttn(x0,…,xn−1)=1⟺|{i<n:xi=1}|≥t.
En utilisant le réseau de tri Ajtai – Komlós – Szemerédi,Ttn peut être écrit par une formule monotone de taille polynomiale, constructible en tempspoly(n).

Étant donné une formule booléenne , nous pouvons utiliser les règles de De Morgan pour l'écrire sous la forme ϕ ′ ( x 0 , … , x n - 1 , ¬ x 0 , … , ¬ x n - 1 ) , où ϕ ′ est monotone. Alors ϕ ( x 0 , … , x n -ϕ(x0,…,xn−1)

ϕ′(x0,…,xn−1,¬x0,…,¬xn−1),
ϕ′est une tautologie si et seulement si les implications monotones T n t ( x 0 ,…, x n - 1 )→ ϕ ′ ( x 0 ,…, x n - 1 , N 0 ,…, N n - 1 ) sont valables pour toutt≤n, où N i = T n - 1 t (ϕ(x0,…,xn−1)
Ttn(x0,…,xn−1)→ϕ′(x0,…,xn−1,N0,…,Nn−1)
t≤n
Ni=Ttn−1(x0,…,xi−1,xi+1,…,xn−1).

Pour l'implication de gauche à droite, soit une affectation satisfaisant T n t , c'est-à-dire avec au moins t uns. Il existe e ′ ≤ e avec exactement t uns. Alors e ′ ⊨ N i ↔ ¬ x i , donc e ′ ⊨ ϕ implique e ′ ⊨ ϕ ′ ( x 0 , … , x n - 1 , N 0 , …eTtnte′≤ete′⊨Ni↔¬xie′⊨ϕ . Comme il s'agit d'une formule monotone, nous avons également ee′⊨ϕ′(x0,…,xn−1,N0,…,Nn−1) . L'implication de droite à gauche est similaire.e⊨ϕ′(x0,…,xn−1,N0,…,Nn−1)


Maintenant, permettez-moi de revenir au problème d'origine. Je vais montrer ce qui suit: si le problème est résoluble dans le temps , alors pour toutk,k-DNF-TAUT (ou dualement,k-SAT) est résoluble dans le temps 2 δ n + O ( √2δnpoly(l)kkk. Cela impliqueδ≥1si SETH est vrai.2δn+O(knlog⁡n)poly(l)δ≥1

Supposons donc qu'on nous donne un -DNF ϕ = ⋁ i < l ( ⋀ j ∈ A i x j ∧ ⋀ j ∈ B i ¬ x j ) , où | A i | + |k

ϕ=⋁i<l(⋀j∈Aixj∧⋀j∈Bi¬xj),
pour chaque i . Nous divisons les n variables en n ′ = n / b blocs de taille b ≈ √|Ai|+|Bi|≤kinn′=n/b chacun. Par le même argument que ci-dessus,ϕest une tautologie si et seulement si les implications ⋀ u < n ′ T b t u ( x b u , … , x b ( u + 1 ) - 1 ) → ⋁ i < l ( ⋀ j ∈ A i x j ∧ ⋀ j ∈ B i Nb≈k−1nlog⁡nϕ sont valables pour toutn′-tuplet0,…,tn′-1∈[0,b], où pour toutj=bu+j′,0≤j′<b, nous définissons Nj=T b - 1 t u (xbu,…,xbu
(∗)⋀u<n′Ttub(xbu,…,xb(u+1)−1)→⋁i<l(⋀j∈Aixj∧⋀j∈BiNj)
n′t0,…,tn′−1∈[0,b]j=bu+j′0≤j′<b Nous pouvons écrire T b t comme un CNF monotone de tailleO( 2 b ), donc le LHS de(∗)est un CNF monotone de tailleO(n 2 b ). Sur la droite, on peut écrire N j
Nj=Ttub−1(xbu,…,xbu+j′−1,xbu+j′+1,…,xb(u+1)−1).
TtbO(2b)(∗)O(n2b)Nj comme un DNF monotone de taille . Ainsi, en utilisant la distributivité, chaque disjonction de la RHS peut être écrite comme un DNF monotone de taille O ( 2 k b ) , et la RHS entière est une DNF de taille O ( l 2 k b ) . Il s'ensuit que ( ∗ ) est une instance de notre problème de taille O ( l 2 O ( k b ) ) en n variables. Par hypothèse, nous pouvons vérifier sa validité dans le temps O (O(2b)O(2kb)O(l2kb)(∗)O(l2O(kb))n . Nous répétons cette vérification pour tous les b n ′ choix de → t , donc le temps total est O ( ( b + 1 ) n / b 2 δ n + O ( k b ) l O ( 1 ) ) = O ( 2 δ n + OO(2δn+O(kb)lO(1))bn′t→ comme revendiqué.
O((b+1)n/b2δn+O(kb)lO(1))=O(2δn+O(knlog⁡n)lO(1))

Nous obtenons une connexion plus étroite avec le (S) ETH en considérant la version à largeur limitée du problème: pour tout , soit k -MonImp dénote la restriction du problème où Φ est un k -CNF, et Ψ est un k -DNF. Le (S) ETH concerne les constantes s kk≥3kΦkΨk

sk=inf{δ:k-SUNET∈réTjeME(2δn)},s∞=souper{sk:k≥3}.
sk′=inf{δ:k-Monjemp∈réTjeME(2δn)},s∞′=souper{sk′:k≥3}.
Clairement,
s3′≤s4′≤⋯≤s∞′≤1
comme dans le cas SAT. Nous avons aussi
sk′≤sk,
et la réduction à double variable de la question montre
sk≤2sk′.
Maintenant, si nous appliquons la construction ci-dessus avec une taille de bloc constante b, on obtient
sk≤sbk′+Journal⁡(b+1)b,
Par conséquent
s∞=s∞′.
En particulier, SETH est équivalent à s∞′=1et ETH est équivalent à sk′>0 pour tous k≥3.

Merci pour votre réponse! Je suis curieux de savoir s'il est possible de faireΦ et Ψprofondeur constante dans cette construction? À savoir, je ne sais pas si les formules booléennes monotones à profondeur constante de taille sous-exponentielle (ou même les circuits non monotones) sont connues pourTkn(en particulier pour la majorité)? Bien sûr, il y a un2nΩ(1/ré) borne inférieure pour la profondeurré, mais disons 2nla taille serait OK.
— Sasha Kozachinskiy

Tkn, et en général tout élément calculable par des formules de taille polynomiale (c'est-à-dire dans NC ^ 1), aré circuits de taille 2nO(1/ré). Voir par exemple cstheory.stackexchange.com/q/14700 . Je devrai penser si vous pouvez les rendre monotones, mais cela semble plausible.
— Emil Jeřábek soutient Monica le

D'ACCORD. Premièrement, la construction générique fonctionne bien dans le paramètre monotone: si une fonction a des formules monotones poly-taille, elle aré circuits monotones de taille 2nO(1/ré)poly(n) pour toute ré≥2. Deuxièmement, pourTkn en particulier, il est facile de construire des3 circuits de taille 2O(nJournal⁡n) en divisant l'entrée en blocs de taille Θ(nJournal⁡n).
— Emil Jeřábek supports Monica

Actually, pushing this idea a little bit more, it does provide an answer to the original question: assuming SETH, the lower bound holds already for Φ monotone CNF and Ψ monotone DNF. I will write it up later.
— Emil Jeřábek supports Monica

I would guess that you can divide all the variables into about n blocks x1,…xn and then write Tk1n(x1)∧…∧Tknn(xn)→ϕ′ for every k1+…+kn≤n. You can use 2n-size CNF for every threshold function. But then on a right hand side you will have not DNF but a depth-3 formula...
— Sasha Kozachinskiy
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