อ่าน 17 นาที
ความซับซ้อนแบบพารามิเตอร์
ในวิทยาการคอมพิวเตอร์ความซับซ้อนแบบพารามิเตอร์ (parameterized complexity)เป็นสาขาหนึ่งของทฤษฎีความซับซ้อน ในการ...
ความซับซ้อนแบบพารามิเตอร์
ในวิทยาการคอมพิวเตอร์ความซับซ้อนแบบพารามิเตอร์ (parameterized complexity)เป็นสาขาหนึ่งของทฤษฎีความซับซ้อน ในการ คำนวณที่มุ่งเน้นการจำแนกปัญหาการคำนวณตามความยากโดยเนื้อแท้ของปัญหาโดยสัมพันธ์กับ พารามิเตอร์ หลายตัวของอินพุตหรือเอาต์พุต จากนั้นจึงวัดความซับซ้อนของปัญหาเป็นฟังก์ชันของพารามิเตอร์เหล่านั้น วิธีนี้ช่วยให้สามารถจำแนก ปัญหา NP-hardได้ในระดับที่ละเอียดกว่าในแบบดั้งเดิม ซึ่งความซับซ้อนของปัญหาจะวัดเป็นฟังก์ชันของจำนวนบิตในอินพุตเท่านั้น วิธีนี้ได้รับการสาธิตครั้งแรกในงานของGurevich, Stockmeyer & Vishkin (1984) และงานวิจัยเชิงระบบชิ้นแรกเกี่ยวกับความซับซ้อนแบบพารามิเตอร์นั้นดำเนินการโดยDowney & Fellows (1999 )
การมีอยู่ของอัลกอริทึมที่มีประสิทธิภาพ แม่นยำ และกำหนดได้สำหรับการแก้ ปัญหา NP-completeหรือNP-hard นั้น ถือว่าไม่น่าเป็นไปได้ หากพารามิเตอร์อินพุตไม่คงที่ อัลกอริทึมการแก้ปัญหาที่รู้จักทั้งหมดสำหรับปัญหาเหล่านี้ต้องใช้เวลาที่เป็นเลขชี้กำลัง (โดยเฉพาะอย่างยิ่งเป็นแบบซูเปอร์พหุนาม) เมื่อเทียบกับขนาดทั้งหมดของอินพุต อย่างไรก็ตาม บางปัญหาอาจแก้ได้ด้วยอัลกอริทึมที่ใช้เวลาเป็นเลขชี้กำลังเฉพาะเมื่อเทียบกับขนาดของพารามิเตอร์คงที่ ในขณะที่ใช้เวลาเป็นแบบพหุนามเมื่อเทียบกับขนาดของอินพุต
ภายใต้สมมติฐานที่ว่าP ≠ NPจะมีปัญหาทางธรรมชาติมากมายที่ต้องใช้เวลาประมวล ผลมากกว่าพหุนาม เมื่อวัดความซับซ้อนในแง่ของขนาดอินพุตเท่านั้น แต่สามารถคำนวณได้ในเวลาที่เป็นพหุนามเมื่อเทียบกับขนาดอินพุต และเป็นเลขชี้กำลังหรือแย่กว่านั้นเมื่อเทียบกับพารามิเตอร์kดังนั้น หากkถูกกำหนดไว้ที่ค่าเล็กๆ และการเติบโตของฟังก์ชันเมื่อเทียบกับkมีค่าค่อนข้างน้อย ปัญหาเหล่านี้ก็ยังสามารถพิจารณาได้ว่า "สามารถจัดการได้" แม้ว่าจะถูกจัดประเภทตามประเพณีว่าเป็น "ไม่สามารถจัดการได้" ก็ตาม
อัลกอริทึมดังกล่าวเรียกว่า อัลกอริทึมที่สามารถแก้ไข ได้ด้วยพารามิเตอร์คงที่ (Fixed-Parometer Tractableหรือ FPT) เนื่องจากสามารถแก้ปัญหาได้อย่างมีประสิทธิภาพ (เช่น ในเวลาพหุนาม) สำหรับค่าคงที่ของพารามิเตอร์ที่กำหนดไว้ ปัญหาที่มีพารามิเตอร์ซึ่งอนุญาตให้ใช้อัลกอริทึม FPT ดังกล่าวเรียกว่า ปัญหา ที่สามารถแก้ไขได้ด้วยพารามิเตอร์คงที่และอยู่ในกลุ่มFPTและชื่อเดิมของทฤษฎีความซับซ้อนที่มีพารามิเตอร์คือความสามารถในการแก้ไขด้วยพารามิเตอร์คงที่ (Fixed-Parometer Tractable )
การตั้งค่า
โจทย์หลายข้อมีรูปแบบดังนี้: กำหนดให้วัตถุxและจำนวนเต็มที่ ไม่เป็นลบ k xมีคุณสมบัติบางอย่างที่ขึ้นอยู่กับkหรือไม่?
ตัวอย่างเช่น สำหรับปัญหาการปกคลุมจุดยอด (vertex cover problem ) พารามิเตอร์อาจเป็นจำนวนจุดยอดในการปกคลุมนั้น ส่วนปัญหาการปกคลุมจุดยอดขั้นต่ำ (minimal vertex cover problem) ถามว่า:
ในการใช้งานหลายๆ อย่าง เช่น ในการจำลองการแก้ไขข้อผิดพลาด เราสามารถสมมติให้พารามิเตอร์นั้น "เล็ก" เมื่อเทียบกับขนาดอินพุตทั้งหมด ดังนั้นจึงเป็นเรื่องยากที่จะหาอัลกอริทึมที่มีประสิทธิภาพแบบเลขชี้กำลังเฉพาะกับk เท่านั้น ไม่ใช่กับขนาดอินพุต
ด้วยวิธีนี้ ความซับซ้อนแบบพารามิเตอร์สามารถมองได้ว่าเป็น ทฤษฎีความซับซ้อน สองมิติแนวคิดนี้ได้รับการกำหนดเป็นทางการดังต่อไปนี้:
- ปัญหาแบบ มีพารามิเตอร์ คือ ภาษาโดยที่คือตัวอักษรจำกัด ส่วนประกอบที่สองเรียกว่าพารามิเตอร์ของปัญหา
- ปัญหาที่มีพารามิเตอร์Lเรียก ว่า ปัญหา ที่สามารถแก้ไขได้ด้วยพารามิเตอร์คงที่ (Fixed-parameter tractable หรือ FPT ) หากคำถาม " ?" สามารถตัดสินได้ในเวลาการทำงานโดยที่fเป็นฟังก์ชันใดๆ ที่ขึ้นอยู่กับk เท่านั้น ระดับความซับซ้อนที่สอดคล้องกันเรียกว่า FPT (Fixed-parameter tractable )
- ปัญหาที่มีพารามิเตอร์จะใช้พารามิเตอร์ตามธรรมชาติเมื่อพารามิเตอร์นั้นคือขนาดของคำตอบของปัญหา
ตัวอย่างเช่น มีอัลกอริทึมที่แก้ปัญหาการครอบคลุมจุดยอดในเวลา[ 1 ]โดยที่nคือจำนวนจุดยอดและkคือขนาดของการครอบคลุมจุดยอด ซึ่งหมายความว่าการครอบคลุมจุดยอดสามารถจัดการได้ด้วยพารามิเตอร์คงที่โดยมีขนาดของคำตอบเป็นพารามิเตอร์ (พารามิเตอร์ตามธรรมชาติ)
คลาสความซับซ้อน
เอฟพีที
FPT (Fixed Parameter Tractable) คือกลุ่มของปัญหาการตัดสินใจที่สามารถตัดสินได้ในเวลาที่แน่นอน โดยที่fเป็นฟังก์ชันที่คำนวณได้โดยทั่วไป ฟังก์ชันนี้มักถูกมองว่าเป็นฟังก์ชันเอกซ์โปเนนเชียลเดี่ยว เช่น แต่คำจำกัดความนี้ยอมรับฟังก์ชันที่เติบโตเร็วกว่านั้นด้วย ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญ สำหรับ ประวัติศาสตร์ช่วงแรกของกลุ่มปัญหานี้ ส่วนสำคัญของคำจำกัดความคือการไม่รวมฟังก์ชันในรูปแบบเช่น
คลาสFPL (เชิงเส้นพารามิเตอร์คงที่) คือคลาสของปัญหาที่สามารถแก้ไขได้ในเวลาสำหรับฟังก์ชันที่คำนวณได้f บาง ฟังก์ชัน[ 2 ]ดังนั้น FPL จึงเป็นคลาสย่อยของ FPT ตัวอย่างเช่น ปัญหา ความพึงพอใจของบูลีน ซึ่งมีพารามิเตอร์เป็นจำนวนตัวแปร สูตรที่กำหนดขนาดmที่มี ตัวแปร kสามารถตรวจสอบได้ด้วยวิธีบรูทฟอร์ซในเวลาการครอบคลุมจุดยอดขนาดk ในกราฟลำดับnสามารถหาได้ในเวลาดังนั้นปัญหาการครอบคลุมจุดยอดจึงอยู่ใน FPL ด้วย
ตัวอย่างหนึ่งของปัญหาที่คิดว่าไม่อยู่ใน FPT คือการระบายสีกราฟที่กำหนดพารามิเตอร์ด้วยจำนวนสี เป็นที่ทราบกันว่าการระบายสี 3 สีเป็นปัญหาNP-hardและอัลกอริทึมสำหรับการระบายสีกราฟkสีในเวลาจะทำงานในเวลาพหุนามตามขนาดของข้อมูลนำเข้า ดังนั้น หากการระบายสีกราฟที่กำหนดพารามิเตอร์ด้วยจำนวนสีอยู่ใน FPT แล้วP = NP
มีคำจำกัดความทางเลือกอื่นๆ ของ FPT อยู่หลายแบบ ตัวอย่างเช่น ข้อกำหนดด้านเวลาในการทำงานสามารถแทนที่ด้วยนอกจากนี้ ปัญหาที่มีพารามิเตอร์จะอยู่ใน FPT หากมีสิ่งที่เรียกว่าเคอร์เนลการสร้างเคอร์เนลเป็นเทคนิคการประมวลผลล่วงหน้าที่ลดอินสแตนซ์ดั้งเดิมให้เหลือ "เคอร์เนลแบบแข็ง" ซึ่งอาจมีขนาดเล็กกว่ามาก แต่เทียบเท่ากับอินสแตนซ์ดั้งเดิม และมีขนาดที่ถูกจำกัดโดยฟังก์ชันในพารามิเตอร์
FPT ปิดภายใต้แนวคิดการลดรูป ที่มีพารามิเตอร์ เรียกว่าการลดรูป fptเรากล่าวว่าปัญหาที่มีพารามิเตอร์หนึ่งลดรูป fpt เป็น ก็ต่อเมื่อมีฟังก์ชันสองฟังก์ชัน อยู่จริงโดยที่
- ก็ต่อเมื่อ
- สามารถแก้ไขได้ด้วยพารามิเตอร์คงที่
- กล่าวคือ มีค่าคงที่และฟังก์ชัน อยู่ ซึ่งทำให้สามารถคำนวณได้ในเวลา
เห็นได้ชัดว่า FPT ครอบคลุมปัญหาที่คำนวณได้ในเวลาพหุนามทั้งหมด นอกจากนี้ยังครอบคลุมปัญหาการหาค่าเหมาะสมที่สุดใน NP ที่อนุญาตให้ใช้แผนการประมาณค่าในเวลาพหุนามที่มีประสิทธิภาพ (EPTAS)ด้วย
เอ็กซ์พี
XPคือกลุ่มของปัญหาที่มีพารามิเตอร์ ซึ่งสามารถแก้ไขได้ภายในเวลาที่กำหนดสำหรับ ฟังก์ชันคำนวณf บางฟังก์ชัน
ปัญหาเหล่านี้เรียกว่าปัญหา พหุนาม แบบแบ่งส่วน (slicewise polynomial) ในแง่ที่ว่าแต่ละ "ส่วน" ของค่า k คงที่นั้น มีอัลกอริทึมแบบเวลาพหุนาม แม้ว่าเลขชี้กำลังอาจแตกต่างกันสำหรับแต่ละค่า kก็ตาม ลองเปรียบเทียบกับ FPT ซึ่งอนุญาตให้ใช้ค่าสัมประสิทธิ์นำหน้าคงที่ที่แตกต่างกันสำหรับแต่ละค่าของ k เท่านั้น
XP ประกอบด้วย FPT อย่างเคร่งครัดโดยใช้การหาค่าแนวทแยง
พารา-เอ็นพี
para-NPคือกลุ่มของปัญหาการตัดสินใจที่สามารถตัดสินได้ในเวลาที่ไม่แน่นอน สำหรับฟังก์ชันที่คำนวณ ได้ fบางฟังก์ชัน
ปัญหาหนึ่งเรียกว่าปัญหาพารา-NP-ฮาร์ดหากปัญหานั้นเป็น ปัญหา NP- ฮาร์ดอยู่แล้วสำหรับค่าคงที่ของพารามิเตอร์ กล่าวคือ มี "ส่วนย่อย" ของค่า k ที่กำหนดไว้ ซึ่งเป็นปัญหา NP-ฮาร์ด ปัญหาที่มีพารามิเตอร์ซึ่งเป็นปัญหาNP-ฮาร์ดไม่สามารถอยู่ในคลาส NP-ฮาร์ดได้ เว้นแต่ว่า k ≠ NP-ฮาร์ด ตัวอย่างคลาสสิกของปัญหาที่มีพารามิเตอร์ซึ่งเป็นปัญหา NP-ฮาร์ดคือการระบายสีกราฟซึ่งมีพารามิเตอร์เป็นจำนวนสีk ซึ่งเป็นปัญหา NP-ฮาร์ดอยู่แล้วสำหรับ k ≠ NP-ฮาร์ด (ดูการระบายสีกราฟ#ความซับซ้อนในการคำนวณ )
ลำดับชั้น
ในทฤษฎีความซับซ้อนแบบพารามิเตอร์ มีลำดับชั้นของคลาสความซับซ้อนอยู่บ้าง แต่ละคลาสจะปิดภายใต้การลด fpt คลาสที่สำคัญที่สุดคือลำดับชั้นWและลำดับชั้นA [ 4 ]
คำจำกัดความเบื้องต้น
โดยทั่วไป การกำหนดระดับความซับซ้อนมีสองวิธี คือ ตามทฤษฎีเครื่องจักรและตามหลักตรรกศาสตร์ ในทฤษฎีเครื่องจักร ระดับความซับซ้อนถูกกำหนดให้เป็นเซตของปัญหาการตัดสินใจที่สามารถแก้ไขได้โดยเครื่องจักรประเภทหนึ่ง ในตรรกศาสตร์ ระดับความซับซ้อนถูกกำหนดให้เป็นเซตของปัญหาการตัดสินใจที่สามารถกำหนดได้โดยสูตรตรรกศาสตร์ประเภทหนึ่ง
วงจรบูลีน
น้ำหนักแฮมมิง ( เรียก สั้น ๆ ว่า น้ำหนัก ) ของสตริงไบนารี คือจำนวนเลข 1 ที่ปรากฏในสตริงนั้น
วงจรบูลีนเป็นกราฟทิศทางแบบไม่มีวงจร โดยที่โหนดเป็นเกตอย่างใดอย่างหนึ่งต่อไปนี้: AND, OR, NOT เกตขนาดเล็กคือเกตที่มี fan-in 0, 1 หรือ 2 ส่วนเกตอื่นๆ คือเกตขนาดใหญ่weftคือจำนวนเกตขนาดใหญ่ที่มากที่สุดที่สามารถทำได้บนเส้นทางใดๆ จากอินพุตไปยังเอาต์พุตdepthคือจำนวนเกต (ขนาดเล็กหรือขนาดใหญ่) ที่มากที่สุดที่สามารถทำได้บนเส้นทางใดๆ จากอินพุตไปยังเอาต์พุต ตามนิยามแล้ว weft ≤ depth
วงจรบูลีนเป็นวงจรโมโนโทนก็ต่อเมื่อไม่มีการใช้เกต NOT วงจรบูลีนเป็นวงจรแอนติโมโนโทนก็ต่อเมื่อมีรูปแบบที่ และเป็นอินพุตทั้งหมด และเป็นวงจรโมโนโทน
ทฤษฎีแบบจำลองจำกัด
เมื่อได้รับสิ่งใดสิ่งหนึ่ง:
- ภาษาตรรกะลำดับที่หนึ่งที่มีชุดสัญลักษณ์ความสัมพันธ์จำกัด
- ซึ่งเป็นชุดของสูตรตรรกะลำดับที่หนึ่งในภาษานั้น
เรากำหนดให้เป็น ปัญหา การตรวจสอบแบบจำลองที่มีพารามิเตอร์สำหรับทูเปิลนี้ โดยแต่ละอินสแตนซ์ของปัญหามีดังนี้:
- อินพุต: และแบบจำลองจำกัดสำหรับภาษา
- พารามิเตอร์:
- ผลลัพธ์: ไม่ว่าจะเป็น
สูตรมีรูปแบบโดยที่ตัวบ่งปริมาณจะสลับกันระหว่างการมีอยู่และสำหรับทั้งหมด และสูตรภายในไม่มีตัวบ่งปริมาณ (นั่นคือ เขียนด้วยตัวแปร ตัวเชื่อมบูลีน และความสัมพันธ์เท่านั้น) [ 5 ] [ 6 ]
สูตรมีรูปแบบเป็นโดยมีเงื่อนไขเพิ่มเติมว่า
คำนิยาม
ในทางทฤษฎีเครื่อง ปัญหาที่มีพารามิเตอร์จะอยู่ในคลาสW[w][d]หากมีการลดรูป fpt ของปัญหาดังต่อไปนี้:
- มีจำนวนเต็มคงที่อยู่จำนวนหนึ่งซึ่งทำให้
- แต่ละอินสแตนซ์ จะถูก แปลงในเวลา fpt เป็นวงจรบูลีนที่มี weft ไม่เกินwและ depth ไม่เกินd
- ก็ต่อเมื่อวงจรมีการกำหนดค่าน้ำหนักkที่ เหมาะสมเท่านั้น
ในที่นี้เราจะเห็นว่า "W" ย่อมาจาก "น้ำหนัก" โปรดสังเกตว่าในคำจำกัดความข้างต้น ค่าต่างๆ นั้นเป็นอิสระจากแต่ตัววงจรเองขึ้นอยู่กับและอาจเปลี่ยนแปลงได้หากมีการเปลี่ยนแปลงค่าใดค่าหนึ่งระหว่าง หรือ
จากนั้น คลาสW[w]จะถูกกำหนดให้เป็นผลรวมของพวกมัน กล่าวโดยสรุปW[w]คือเซตของปัญหาที่สามารถลดรูป fpt ได้เป็นตระกูลของวงจรบูลีนเฉพาะอินสแตนซ์ที่มี weft และ depth ที่ถูกจำกัดด้วยค่าคงที่เฉพาะปัญหาบางค่า
วงจรปกติของ weft wและ depth dคือวงจรที่ชั้นแรกๆ ประกอบด้วยเกตขนาดเล็กเท่านั้น และชั้นสุดท้ายประกอบด้วยเกตขนาดใหญ่สลับกันของ AND และ OR เราสามารถทำซ้ำกฎการเชื่อมโยงและกฎการกระจายของเดอ มอร์แกนเพื่อทำให้วงจรเป็นปกติในเวลา fpt ได้ ดังนั้นโดยไม่เสียความเป็นทั่วไป เราสามารถพิจารณาเฉพาะวงจรปกติเท่านั้น[ 7 ]
ตามทฤษฎีแบบจำลอง คลาสW[t]ถูกกำหนดให้เป็นคลาสของปัญหาที่สามารถลดรูป fpt ได้เป็น
ในขณะที่ ลำดับชั้น Wเป็นลำดับชั้นที่อยู่ใน NP ลำดับชั้น A เลียน แบบลำดับชั้นเวลาพหุนาม จากความซับซ้อนแบบคลาสสิกได้ อย่างใกล้ชิดยิ่งขึ้นในทางทฤษฎีเครื่องจักร ลำดับชั้น A ของปัญหาถูกกำหนดให้เป็นปัญหาที่สามารถลดรูป fpt ไปสู่การคำนวณโดยเครื่องจักรทัวริงแบบสลับ บางประเภท "A" ย่อมาจาก "สลับ" [ 6 ]
ตามทฤษฎีแบบจำลอง คลาสA[t]ถูกกำหนดให้เป็นคลาสของปัญหาที่สามารถลดรูป fpt ได้เป็น
ตัวอย่างเช่น ปัญหา k -clique สามารถระบุได้ว่าเป็นปัญหาการตรวจสอบแบบจำลอง ภาษาดังกล่าวมีความสัมพันธ์ทวิภาคเดียวโดยที่หมายถึง " แบ่งปันขอบ" จากนั้น แบบจำลองจำกัดคือ กราฟ และจะมีk -clique ก็ต่อเมื่อ โดยที่สิ่งนี้แสดงให้เห็นว่า ปัญหา k -clique อยู่ใน
ปัญหาจะเรียกว่าA[i] -สมบูรณ์ก็ต่อเมื่อเป็นA[i]และ ปัญหา A[i] ใดๆ ก็ สามารถลดรูป fpt ไปสู่ปัญหานี้ได้
คุณสมบัติพื้นฐาน
ตามนิยามแล้ว:
- เนื่องจากไม่มีตัวบ่งปริมาณเลย ดังนั้นจึงไม่มีความแตกต่างระหว่างและ
- สำหรับปัญหา FPT ใดๆก็สามารถลดรูปให้เหลือ FPT ได้อย่างง่ายดายดังนี้: แก้ปัญหาในเวลา FPT จากนั้นส่งออกวงจร Yes/No ที่เรียบง่ายซึ่งไม่ทำอะไรเลยนอกจากส่งออกค่าบูลีนที่ถูกต้อง
- สำหรับปัญหา W[0] ใดๆและอินสแตนซ์ปัญหาใดๆวงจรจะมี weft และdepth เป็น 0 โดยที่ถูกกำหนดไว้แล้ว ดังนั้นเอาต์พุตจะถูกกำหนดโดยอินพุตไม่เกิน อินพุตอื่นๆ ทั้งหมดสามารถใช้งานได้อย่างอิสระ ดังนั้นจึงต้องคำนวณอินพุตที่เป็นไปได้ทั้งหมดแบบ brute-force หากอินพุตใดมีน้ำหนัก k' และทำให้เอาต์พุตของวงจรเป็น True ให้ตรวจสอบว่ายังมีอินพุตเหลือเพียงพอที่จะเติมน้ำหนักหรือไม่
[ 6 ]
W[1]
โดยสัญชาตญาณ ปัญหาในคลาส W[1] สามารถตีความได้ในรูปแบบ: มีวัตถุขนาดkที่มีคุณสมบัติที่ตรวจสอบได้ในระดับท้องถิ่นหรือไม่? ในสูตร จะอยู่ในรูปแบบในความเป็นจริงW[1]ยุบตัวลงเป็นW[1, 2]ซึ่งเป็นคลาสของปัญหาที่ลดรูป fpt ได้เป็นวงจรบูลีนในรูปแบบนั่นคือ AND ขนาดใหญ่เหนือ OR จำนวนมากที่มี fan-in 2 [ 8 ]
ตัวอย่างของ ปัญหา W[1]ที่สมบูรณ์ ได้แก่: [ 8 ]
- ชุดอิสระ
- อินพุต: กราฟG
- พารามิเตอร์: จำนวนเต็มk
- ผลลัพธ์: ตรวจสอบว่าGประกอบด้วยเซตอิสระขนาดk หรือไม่
- กลุ่ม
- อินพุต: กราฟG
- พารามิเตอร์: จำนวนเต็มk
- ผลลัพธ์: ตรวจสอบว่ากราฟ Gมีคลิกขนาดk หรือไม่
- ตัวบล็อกแบบไบพาร์ไทต์
- อินพุต: กราฟสองส่วน
- พารามิเตอร์: จำนวนเต็มk
- ผลลัพธ์: ตรวจสอบว่ามีเซตย่อยที่มีขนาดk อยู่ หรือไม่ โดยที่สมาชิกใดๆ ก็ตามจะมีสมาชิกข้างเคียงกล่าวอีกนัยหนึ่งคือไม่ปิดกั้นสมาชิก อื่น
- น้ำหนัก- k 2-ความพึงพอใจ
- อินพุต: สูตร เชื่อมประโยคปกติในรูปแบบโดยที่iครอบคลุมอนุประโยคต่างๆ
- พารามิเตอร์: จำนวนเต็มk
- ผลลัพธ์: มีค่าน้ำหนัก k ที่ตรงตามข้อกำหนดของสูตรหรือไม่
- ปัญหาเครื่องจักรทัวริงแบบสั้น
- อินพุต: เครื่องจักรทัวริง แบบ ไม่กำหนด M , สตริงx , จำนวนเต็มk
- ผลลัพธ์: ตรวจสอบว่ามีเส้นทางการคำนวณหนึ่งเส้นทางหรือไม่ ที่ทำให้Mยอมรับx ได้ ภายในไม่เกินkขั้นตอน
โปรดทราบว่าปัญหาที่ไม่ปิดกั้นธรรมดาคือ FPT [ 9 ]
หมายเหตุเกี่ยวกับเครื่องจักรทัวริงแบบไม่กำหนด เครื่องจักรอาจถูกกำหนดโดยสูตรมาตรฐานใด ๆ ก็ได้ โดยปกติแล้วเราจะพิจารณาเครื่องจักรทัวริงแบบเทปเดียว แต่ปัญหาเครื่องจักรทัวริงแบบสั้นยังคงเป็นW[1]แม้ว่าเราจะอนุญาตให้มี เทป f ( k ) และแม้แต่ เทป f(k) มิติ f ( k )ก็ตามแต่แม้จะมีการขยายนี้ ข้อจำกัดเกี่ยวกับ ขนาดตัวอักษรเทป f ( k ) ก็ยังคงเป็นปัญหา FPT ที่สำคัญ เนื่องจากเครื่องจักรMเองเป็นส่วนหนึ่งของอินพุตของปัญหา ขนาดอินพุตnจึงใหญ่กว่าจำนวนสถานะของMด้วยวิธีนี้ เครื่องจักรทัวริงสามารถเลือกเส้นทางการคำนวณที่เป็นไปได้หนึ่งเส้นทางต่อขั้นตอน โดยเข้าถึงขั้นตอนทั้งหมดภายในเวลาkดังนั้นเราจึงเห็นว่าW[1]ไม่ได้อยู่ในขอบเขตของFPT อย่าง ชัดเจน
ปัญหาเซตอิสระสามารถเข้ารหัสได้ดังนี้ เมื่อกำหนดกราฟแต่ละกราฟปัญหาเซตอิสระของกราฟนั้นจะถูกเข้ารหัสด้วยวงจรบูลีน weft-1 ต่อไปนี้: โดยที่คือเซตของขอบในกราฟ กราฟจะมีเซตอิสระขนาดkก็ต่อเมื่อมีอินพุตน้ำหนักkไปยังวงจรบูลีนของกราฟนั้น ซึ่งทำให้ได้ผลลัพธ์เป็น 1
ปัญหาคลิกสามารถเขียนโค้ดได้ดังนี้ตรวจสอบว่าคู่จุดยอดใดๆ ที่ไม่ได้สร้างขอบจะไม่สามารถถูกเลือกได้ ดังนั้นเซตของจุดยอดใดๆ ที่ถูกเลือกจึงถูกบังคับให้เป็นกลุ่มคลิก
ปัญหาเครื่องจักรทัวริงแบบสั้นสามารถแปลงเป็นสูตรบูลีนได้โดยใช้แนวคิดการพิสูจน์แบบเดียวกับทฤษฎีบท Cook–Levinซึ่งแสดงให้เห็นว่า SAT เป็นปัญหา NP-complete โดยการเข้ารหัสร่องรอยการคำนวณของเครื่องจักรทัวริงเป็นสูตรบูลีน การพิสูจน์ต่อไปนี้มาจาก[ 8 ] [ 10 ]โดยเฉพาะอย่างยิ่ง กำหนดตัวแปรเชิงประพจน์:
- : ณ เวลาtเครื่องจักรทัวริงอยู่ในสถานะiและเปลี่ยนไปสู่สถานะjโดยอ่านค่าaและเขียนค่าb
- : ณ เวลาtตำแหน่งเทปpมีสัญลักษณ์aและ ณ เวลา(t+1)มีสัญลักษณ์b
ในบรรดาดัชนีต่างๆ เวลาtและตำแหน่งเทปpมีช่วงตั้งแต่1:kช่วงของดัชนีไปยังสถานะi, jการเปลี่ยนสถานะmและสัญลักษณ์a, b ของเครื่องทัวริง ถูกกำหนดโดยคำอธิบายของเครื่อง M แต่ทั้งสองอย่างมีขอบเขตภายใน1: n
จากนั้น สูตรดังกล่าวเป็นการเชื่อมโยงของข้อความต่างๆ ที่บังคับใช้ข้อจำกัดดังต่อไปนี้:
- การเปลี่ยนสถานะของเครื่องจักรทัวริงทุกสถานะไม่ได้ถูกห้ามโดยกฎการเปลี่ยนสถานะแบบไม่แน่นอนเสมอไป กล่าวอีกนัยหนึ่งคือมีข้อความลักษณะนี้ อยู่
- เครื่องจักรทัวริงไม่สามารถอยู่ในสองตำแหน่งพร้อมกันได้ และไม่สามารถเปลี่ยนสถานะสองครั้งพร้อมกันได้
- การเปลี่ยนสถานะของเซลล์เทปทุกครั้งไม่ได้ถูกห้ามโดยกฎการเปลี่ยนสถานะแบบไม่แน่นอน
- แต่ละสถานะของเซลล์เทปไม่สามารถมีสัญลักษณ์สองตัวพร้อมกันได้
- ณ เวลา 0 เครื่องจักรทัวริงยังคงอยู่ในสถานะและตำแหน่งเริ่มต้น และค่า xยังไม่ได้ถูกลบออกจากเทป
- เครื่องจักรทัวริงไม่ได้อยู่ในสถานะที่ไม่ยอมรับ ณเวลาk
จากนั้น การติดตามการคำนวณผ่านเครื่องจักรทัวริงจะถูกกำหนดอย่างสมบูรณ์โดยการตั้งค่าตัวแปรk ให้ เป็น True เพื่อระบุการเปลี่ยนสถานะของเครื่องจักรทัวริงในแต่ละช่วงเวลา และการตั้งค่าตัวแปรให้เป็น True เพื่อระบุการเปลี่ยนสถานะของเทปในแต่ละช่วงเวลา ซึ่งจะลดปัญหาเครื่องจักรทัวริงแบบสั้นให้เหลือเพียงปัญหาการหาการกำหนดค่าที่สอดคล้องกับน้ำหนักให้กับวงจรบูลีนแบบแอนติโมโนโทนที่มีเส้นด้ายพุ่ง 1 เส้นและความลึก 2 เส้น
W[2]
ปัญหา W[2]ตามสัญชาตญาณมีรูปแบบดังนี้: เดาวัตถุที่มีขนาดkดำเนินการประมวลผลเฉพาะที่กับวัตถุ จากนั้นดำเนินการประมวลผลทั่วโลกหนึ่งครั้ง
ตัวอย่างของ ปัญหา W [2]-สมบูรณ์ ได้แก่
- การตัดสินว่ากราฟที่กำหนดนั้นมีเซตครอบงำที่มีขนาดk หรือไม่
- การตัดสินใจว่า เครื่องทัวริงแบบหลายเทปที่ไม่กำหนดจะยอมรับภายในkขั้นตอนหรือไม่ ("ปัญหาการยอมรับเครื่องทัวริงแบบหลายเทปสั้น") ที่สำคัญคือ อนุญาตให้การแตกแขนงขึ้นอยู่กับn (เช่นเดียวกับตัวแปร W[1]) เช่นเดียวกับจำนวนเทป สูตรW [2]-complete ทางเลือกอื่นอนุญาตให้ ใช้เฉพาะเครื่องทัวริงแบบเทปเดียวเท่านั้น แต่ขนาดของตัวอักษรอาจขึ้นอยู่กับn
ปัญหาเซตครอบงำมีสูตรดังนี้
ว[i]
ปัญหาบางอย่างเป็นที่ทราบกันว่าเป็นW[i] -สมบูรณ์ แม้ว่าจะอยู่ในรูปแบบทั่วไปในการคำนวณ และมักจะศึกษาภายในทฤษฎีความซับซ้อนแบบพารามิเตอร์เองก็ตาม จากประสบการณ์ในปี 2013 ปัญหาพารามิเตอร์ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติเกือบทั้งหมดที่พวกเขาศึกษา พบว่าเป็นW[0] -สมบูรณ์, W[1] -สมบูรณ์ หรือW[2] -สมบูรณ์ โดยทั่วไปจะใช้ดังต่อไปนี้: [ 4 ]
- ความพึงพอใจ แบบถ่วงน้ำหนักi -ปกติ: [ 7 ] [ 4 ] : ทฤษฎีบท 23.2.1 เมื่อกำหนดสูตรบูลีนที่เขียนเป็น AND ของ OR ของ AND ของ ... ของตัวแปรที่อาจถูกปฏิเสธ โดยมีชั้นของ AND หรือ OR สลับกัน สามารถทำให้เป็นจริงได้โดยการตั้ง ค่าตัวแปร k ตัว ให้เป็น 1 หรือไม่?
- โครงร่างการพิสูจน์: วงจร W[i] ใดๆ สามารถทำให้เป็นมาตรฐานได้ในเวลา fpt โดยการทำซ้ำกฎการเชื่อมโยงและกฎการกระจายของเดอ มอร์แกน ซึ่งแสดงให้เห็นว่าปัญหานี้คือW[i]สมบูรณ์
- ถ้าi>0เป็นจำนวนคู่แล้ว
- .
- ความสามารถในการทำให้เป็นมาตรฐาน แบบถ่วงน้ำหนักโมโนโทนiคือW[i] -สมบูรณ์
- โมโนโทนแบบถ่วงน้ำหนัก(i+1) -ความพึงพอใจปกติอยู่ในW[i ]
- ถ้าi>0เป็นจำนวนคี่ แล้ว
- ความพึงพอใจ แบบถ่วงน้ำหนัก Antionotone i -Normalized คือW[i] -สมบูรณ์
- ถ้าเช่นนั้น Weighted Antimonotone (i+1) -Normalized Satisfiability จะอยู่ในW[i ]
ปัญหาเหล่านี้เป็นปัญหา "เทียม" โดยพื้นฐานแล้ว เนื่องจากไม่ได้มีการศึกษาเว้นแต่ในบริบทของความซับซ้อนแบบพารามิเตอร์ วรรณกรรมรายงานว่ามีปัญหาที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติเพียงไม่กี่ปัญหาที่เป็นW[i] -สมบูรณ์สำหรับ:
- การตรวจจับการพึ่งพาการรวมในฐานข้อมูลเชิงสัมพันธ์นั้นสมบูรณ์W[3]
- ปัญหาบางประการในแบบจำลองห่วงโซ่อุปทานคือW[3] -สมบูรณ์หรือW[4] -สมบูรณ์[ 11 ]
ว[เสาร์]
W[SAT]คือคลาสของปัญหาที่สามารถลดรูป fpt ให้เป็นปัญหา SAT ที่มีน้ำหนักได้: [ 12 ]
- อินพุต: สูตรบูลีน
- พารามิเตอร์: k
- ผลลัพธ์: ตรวจสอบว่าสูตรดังกล่าวมีค่าน้ำหนักkที่ตรงตามข้อกำหนด หรือไม่
ประกอบด้วยW[t]ทั้งหมด
W [ P ]
W[P]คือคลาสของปัญหาที่สามารถลดรูป fpt ได้เป็นปัญหาของวงจรบูลีนแบบถ่วงน้ำหนัก: [ 12 ]
- อินพุต: วงจรบูลีน
- พารามิเตอร์: k
- เอาต์พุต: มีค่าน้ำหนักk ใดบ้าง ที่ทำให้วงจรส่งออกค่า True
ประกอบด้วยW[SAT]เนื่องจากสูตรบูลีนสามารถแปลงเป็นวงจรบูลีนได้อย่างมีประสิทธิภาพ โปรดทราบว่าโดยทั่วไปแล้วสิ่งที่ตรงกันข้ามจะไม่เป็นจริง เนื่องจากสูตรบูลีนที่เทียบเท่ากับวงจรบูลีนอาจมีขนาดใหญ่กว่าวงจรในเชิงเลขชี้กำลังอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้
ในทำนองเดียวกัน มันคือคลาสของปัญหาที่สามารถตัดสินได้โดยเครื่องทัวริงแบบไม่กำหนดเวลาซึ่งทำการเลือกแบบไม่กำหนดอย่างมากที่สุดในการคำนวณบน( เครื่องทัวริงแบบจำกัด k ) [ 13 ] [ 4 ]
เป็นที่ทราบกันว่า FPT อยู่ใน W[P] และเชื่อว่าการรวมนั้นเป็นไปอย่างเข้มงวด อย่างไรก็ตาม การแก้ไขปัญหานี้จะหมายถึงการแก้ปัญหา P เทียบกับ NP ด้วย
ความเชื่อมโยงอื่นๆ กับความซับซ้อนในการคำนวณที่ไม่มีพารามิเตอร์คือ FPT จะเท่ากับW [ P ] ก็ต่อเมื่อความสามารถในการทำให้วงจรเป็นจริงสามารถตัดสินได้ในเวลาหรือก็ต่อเมื่อมีฟังก์ชัน f ที่คำนวณได้ ไม่ลดลง และไม่จำกัดขอบเขต ซึ่งภาษาทั้งหมดที่รู้จักโดยเครื่องทัวริงแบบไม่กำหนดเวลาพหุนามโดยใช้ตัว เลือกแบบ ไม่กำหนดอยู่ใน P
W [ P ] อาจมองอย่างคร่าวๆ ได้ว่าเป็นกลุ่มของปัญหาที่เรามีเซตSที่ประกอบด้วย รายการ nรายการ และเราต้องการหาสับเซตที่มีขนาดkซึ่งมีคุณสมบัติบางอย่างเป็นจริง เราสามารถเข้ารหัสตัวเลือกเป็นรายการของ จำนวนเต็ม kตัวที่จัดเก็บในรูปแบบไบนารี เนื่องจากค่าสูงสุดที่เป็นไปได้ของจำนวนใดๆ เหล่านี้คือnจึงต้องใช้บิตสำหรับแต่ละจำนวน ดังนั้นจึงต้องใช้บิตทั้งหมดเพื่อเข้ารหัสตัวเลือก ดังนั้นเราจึงสามารถเลือกสับเซตด้วยตัวเลือกที่ไม่แน่นอนได้
ชั้นเรียนอื่นๆ
ลำดับ ชั้น W*คล้ายกับ ลำดับชั้น Wแต่กำหนดพารามิเตอร์ความลึกแทนที่จะคงค่าไว้คงที่ คลาส W*[t]ถูกกำหนดให้เป็นคลาสของปัญหาที่สามารถลดรูป fpt ให้เป็นปัญหานี้ได้: [ 5 ]
- อินพุต: วงจรบูลีนที่มีความกว้างของเส้นด้ายพุ่งไม่เกินt และความลึกไม่เกินk
- พารามิเตอร์: k
- เอาต์พุต: วงจรบูลีนมีน้ำหนักkที่ตรงตามเงื่อนไข หรือไม่
เกี่ยวข้องกับWโดย: [ 4 ]ลำดับ ชั้น AWได้รับมาจากการเพิ่มการสลับไปยังลำดับชั้นW คลาส AW[t]ถูกกำหนดให้เป็นคลาสของปัญหาที่สามารถลดรูป fpt ให้เป็นปัญหานี้ได้: [ 5 ] [ 6 ]
- อินพุต: วงจรบูลีนที่มีค่า weft ไม่เกินtและการแบ่งอินพุตของวงจรเป็น
- พารามิเตอร์:
- เอาต์พุต: วงจรบูลีนสามารถเป็นจริงได้หรือไม่ภายใต้เงื่อนไข น้ำหนักสลับกัน
การถ่วงน้ำหนักแบบสลับกันนั้นกำหนดไว้ดังนี้:
- มีเซตย่อยที่มีขนาดเท่ากับ n อยู่เซตหนึ่ง ซึ่งถ้าเรากำหนดค่าอินพุตเหล่านั้นเป็น True และค่าอินพุตอื่นๆ เป็น False แล้ว จะได้ว่า
- สำหรับเซตย่อยใดๆที่มีขนาดโดยที่ถ้าเราตั้งค่าอินพุตเหล่านั้นเป็น True และอินพุตอื่นๆ เป็น False แล้ว
- ...
- วงจรบูลีนให้ผลลัพธ์เป็น True
อาจตีความได้ว่าเป็นเกมสองผู้เล่น โดยผู้เล่นคนแรกพยายามทำให้วงจรส่งค่าออกมาเป็น True และผู้เล่นคนที่สองพยายามทำให้วงจรส่งค่าออกมาเป็น False ผู้เล่นคนแรกจะทำการเคลื่อนไหวโดยตั้งค่าอินพุตบางตัวให้เป็น True และบางตัวให้เป็น False จากนั้นผู้เล่นคนที่สองจะทำการเคลื่อนไหวกับอินพุตอื่นๆ ต่อไป เรื่อย ๆ วงจรจะอยู่ภายใต้เงื่อนไขน้ำหนักสลับกันก็ต่อเมื่อผู้เล่นคนแรกมีกลยุทธ์ที่ชนะเท่านั้น
ปรากฏว่าลำดับชั้นนั้นพังทลายลง: ดังนั้น ในเอกสารจึงใช้สัญลักษณ์ทั่วไปแทนพวกมัน:
ดูเพิ่มเติม
- อัลกอริทึมการประมาณค่าแบบพารามิเตอร์สำหรับปัญหาการหาค่าเหมาะสมที่สุดอัลกอริทึมที่ทำงานในเวลา FPT อาจประมาณค่าคำตอบได้
หมายเหตุ
- ↑เฉิน, คานจ์ และเซี่ย 2549
- ^โกรเฮ (1999)
- ↑ฟลัม แอนด์ โกรเฮ (2549) , พี. 39.
- ^ a b c d e Downey, Rodney G.; Fellows, Michael R. (2013). " ลำดับชั้น W"พื้นฐานของความซับซ้อนแบบพารามิเตอร์ตำราวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ ลอนดอน: Springer London หน้า 427–459 doi : 10.1007 /978-1-4471-5559-1 ISBN 978-1-4471-5558-4.
- ^ a b c Flum, Joerg; Grohe, Martin (2005-03-07). "ปัญหาการตรวจสอบแบบจำลองเป็นพื้นฐานสำหรับความยากในการแก้ปัญหาแบบพารามิเตอร์"วิธีการเชิงตรรกะในวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ 1 ( 1) 2272. arXiv : cs/0502005 . doi : 10.2168/LMCS-1(1:2)2005 . ISSN 1860-5974 .
- ^ a b c d Chen, Yijia; Flum, Jörg; Grohe, Martin (2005-06-12). "วิธีการที่ใช้เครื่องจักรในทฤษฎีความซับซ้อนแบบพารามิเตอร์" . วิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์เชิงทฤษฎี . 339 (2): 167– 199. doi : 10.1016/j.tcs.2005.02.003 . ISSN 0304-3975 .
- ^ a b Downey, Rod G.; Fellows, Michael R. (สิงหาคม 1995). "ความสามารถในการจัดการและความสมบูรณ์ของพารามิเตอร์คงที่ I: ผลลัพธ์พื้นฐาน" . SIAM Journal on Computing . 24 (4): 873– 921. doi : 10.1137/S0097539792228228 . ISSN 0097-5397 .
- ^ a b c Downey, Rodney G.; Fellows, Michael R. (2013), "The Basic Class W[1] and an Analog of Cook's Theorem" , Fundamentals of Parameterized Complexity , London: Springer London, pp. 383– 406, doi : 10.1007/978-1-4471-5559-1_21 , ISBN 978-1-4471-5558-4
{{citation}}: CS1 maint: work parameter with ISBN (link) - ↑เดห์เน, แฟรงค์; เพื่อนไมเคิล; เฟอร์เนา, เฮนนิ่ง; ปรีเอโต, เอเลน่า; โรซามอนด์, ฟรานเซส (2549), วีเดอร์มันน์, จิริ; เทล, เจอราร์ด; โปกอร์นี, ยาโรสลาฟ; Bieliková, Mária (บรรณาธิการ), "nonblocker: อัลกอริทึมแบบกำหนดพารามิเตอร์สำหรับชุดที่มีอำนาจเหนือกว่าขั้นต่ำ" , SOFSEM 2006: ทฤษฎีและการปฏิบัติของวิทยาการคอมพิวเตอร์ฉบับที่ 3831, เบอร์ลิน, ไฮเดลเบิร์ก: Springer Berlin Heidelberg, หน้า 237– 245, doi : 10.1007/11611257_21 , ISBN 978-3-540-31198-0
{{citation}}: CS1 maint: work parameter with ISBN (link) - ^ https://tcs.rwth-aachen.de/lehre/FPT/WS2021/slides-Dec-3.pdf
- ^ Chen, Jianer; Zhang, Fenghui (2005), Megiddo, Nimrod; Xu, Yinfeng; Zhu, Binhai (บรรณาธิการ), "เกี่ยวกับการครอบคลุมผลิตภัณฑ์ในแบบจำลองห่วงโซ่อุปทาน: ปัญหาที่สมบูรณ์ตามธรรมชาติสำหรับ W[3] และ W[4]" การ ประยุกต์ใช้อัลกอริทึมในการจัดการ เล่มที่ 3521 เบอร์ลิน ไฮเดล เบิร์ก : Springer Berlin Heidelberg หน้า 400–410 doi : 10.1007/11496199_43 ISBN 978-3-540-26224-4สืบค้นเมื่อ 2026-04-13
{{citation}}: CS1 maint: work parameter with ISBN (link) - ^ a b Downey, Rodney G.; Fellows, Michael R. (2013), "Beyond W[t]-Hardness" , Fundamentals of Parameterized Complexity , London: Springer London, pp. 473– 489, doi : 10.1007/978-1-4471-5559-1_25 , ISBN 978-1-4471-5558-4
{{citation}}: CS1 maint: work parameter with ISBN (link) - ^ฟลัม แอนด์ โกรเฮ (2006)
ลิงก์ภายนอก
- วิกิเกี่ยวกับความซับซ้อนแบบพารามิเตอร์
- คู่มือรวมปัญหาที่มีพารามิเตอร์
- https://complexityzoo.net/Complexity_Zoo:W
สรุปเนื้อหา
ข้อมูลสำคัญจากบทความ
ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ ความซับซ้อนแบบพารามิเตอร์
ในวิทยาการคอมพิวเตอร์ความซับซ้อนแบบพารามิเตอร์ (parameterized complexity)เป็นสาขาหนึ่งของทฤษฎีความซับซ้อน ในการ...
การตั้งค่า
โจทย์หลายข้อมีรูปแบบดังนี้: กำหนดให้วัตถุ x และ จำนวนเต็มที่ ไม่เป็นลบ k x มีคุณสมบัติบางอย่างที่ขึ้นอยู่กับ k หรือไม่?
เอฟพีที
FPT (Fixed Parameter Tractable) คือกลุ่มของปัญหาการตัดสินใจที่สามารถตัดสินได้ใน เวลาที่แน่นอน โดยที่ f เป็น ฟังก์ชันที่คำนวณได้ โดยทั่วไป ฟังก์ชันนี้มักถูกมองว่าเป็นฟังก์ชันเอกซ์โปเนนเชียลเดี่ยว เช่น แต่คำจำกัดความนี้ยอมรับฟังก์ชันที่เติบโตเร็วกว่านั้นด้วย...
เอ็กซ์พี
XP คือกลุ่มของปัญหาที่มีพารามิเตอร์ ซึ่งสามารถแก้ไขได้ภายในเวลาที่กำหนดสำหรับ ฟังก์ชันคำนวณ f บางฟังก์ชัน n เอฟ ( เค ) {\displaystyle n^{f(k)}}