¿Algún polinomio que sea difícil de contar pero fácil de decidir?


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Cada circuito aritmético monótono , es decir, un circuito , calcula algunos polinomios multivariados F ( x 1 , ... , x n ) con coeficientes enteros no negativos. Dado un polinomio f ( x 1 , … , x n ) , el circuito{+,×}F(x1,…,xn)f(x1,…,xn)

  • calcula si F ( a ) = f ( a ) se cumple para todos a ∈ N n ; fF(a)=f(a)a∈Nn
  • cuenta si F ( a ) = f ( a ) se cumple para todos a ∈ { 0 , 1 } n ; fF(a)=f(a)a∈{0,1}n
  • decide si F ( a ) > 0 exactamente cuando f ( a ) > 0 se cumple para todo a ∈ { 0 , 1 } n . fF(a)>0f(a)>0a∈{0,1}n

Sé que los polinomios explícitos (incluso multilineales) muestran que la brecha del tamaño del circuito "calcula / cuenta" puede ser exponencial. Mi pregunta se refiere a la brecha "cuenta / decide".f

Pregunta 1: ¿Alguien sabe de algún polinomio que sea exponencialmente más difícil de contar que decidir por { + , × } -circuitos? f{+,×}

Como posible candidato, uno podría tomar el polinomio PATH cuyas variables corresponden a los bordes del gráfico completo en { 1 , ... , n } , y cada monomio corresponde a una ruta simple desde el nodo 1 al nodo n en K n . Este polinomio puede decidirse por un circuito de tamaño O ( n 3 ) que implementa, digamos, el algoritmo de programación dinámica Bellman-Ford, y es relativamente fácil demostrar que cada computación de circuito { + , × }Kn{1,…,n}1nKnO(n3){+,×}La RUTA debe tener un tamaño de . 2Ω(n)

Por otro lado, cada circuito de conteo resuelve PATH el problema del camino, es decir, cuenta el número de 1 -a-- n caminos en el especificado por el correspondiente 0 - 1 subgrafo de entrada de K n . Este es un problema llamado # P -complete . Entonces, todos "creemos" que PATH no puede tener ningún circuito contable { + , × } de tamaño polinómico. El "único" problema es demostrar esto ... #1n01Kn#{+,×}

Puedo demostrar que cada circuito cuenta un HP polinomial de ruta hamiltoniana relacionado requiere un tamaño exponencial. Los monomios de este polinomio corresponden a rutas de 1 a n en K n que contienen todos los nodos. Desafortunadamente, la reducción de # HP a # PATH por Valiant requiere calcular el inverso de la matriz de Vandermonde y, por lo tanto, no puede implementarse mediante un circuito { + , × } .{+,×}1nKn##{+,×}

Pregunta 2: ¿Alguien ha visto una reducción monótona de HP a # PATH? ##

Y finalmente:

Pregunta 3: ¿Se consideró en absoluto una "versión monótona" de la clase P ? #

NB Tenga en cuenta que estoy hablando de una clase muy restringida de circuitos: ¡circuitos aritméticos monótonos ! En la clase de circuitos , sería injusto preguntar en absoluto la pregunta 1: no hay límites inferiores mayores que Ω ( n log n ) para tales circuitos, incluso cuando sea necesario para calcular un polinomio dado en todos se conocen entradas en R n . Además, en la clase de tales circuitos, un "análogo estructural" de la Pregunta 1: ¿hay # P -polinomios completos que se pueden decidir por tamaño de polietileno { + , -{+,−,×}Ω(nlog⁡n)Rn# -circuitos? - Tiene una respuesta afirmativa. Tal es, por ejemplo, el polinomio permanente PER = ∑ h ∈ S n ∏ n i = 1 x i , h ( i ) . {+,−,×}=∑h∈Sn∏i=1nxi,h(i)

AGREGADO: Tsuyoshi Ito respondió la pregunta 1 con un truco muy simple. Aún así, las preguntas 2 y 3 permanecen abiertas. El estado de conteo de PATH es interesante en sí mismo, tanto porque es un problema DP estándar como porque es # P-complete.


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En cuanto a la pregunta 1, ¿qué hay de sumar 1 a un polinomio que es difícil de contar?
— Tsuyoshi Ito

2
Sus tres preguntas parecen lo suficientemente distintas como para que sean tres preguntas separadas.
— David Richerby

Me temo que no puede evitar ejemplos triviales simplemente prohibiendo constantes en circuitos aritméticos. ¿Qué tal agregar x_1 +… + x_n a un polinomio difícil de contar que toma 0 en el origen? (Además, si prohíbe constantes, no puede representar un polinomio que toma un valor distinto de cero en el origen.)
— Tsuyoshi Ito

'Como en la "teoría #P", bajo "decisión" queremos decir "¿hay al menos una solución". Y las constantes no son soluciones (por lo general). Ya sabes, estás en una pendiente resbaladiza aquí. Considere una contraparte #P de la Pregunta 1: dé un ejemplo de relaciones R∈FNP de modo que #R sea # P-completo pero es fácil decidir si #R (x)> 0 o no. Podemos sentir la tentación de decir Matching, pero esto es una exageración. Agregar una solución trivial a 3SAT funciona bien, y mi comentario anterior es análogo a esto. (más)
— Tsuyoshi Ito

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@ Tsuyoshi Ito: Bueno, tu simple truco (agregar la suma de todas las variables a un polinomio difícil de contar) en realidad responde a la pregunta 1 (en la forma en que se indicó). ¿Podría ponerlo como respuesta?
— Stasys

Respuestas:


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(Estoy publicando mis comentarios como respuesta en respuesta a la solicitud del OP).

En cuanto a la Pregunta 1, dejemos que f n : {0,1} n → ℕ sea una familia de funciones cuyo circuito aritmético requiere un tamaño exponencial. Entonces también lo hace f n +1, pero f n +1 es fácil de decidir por un circuito aritmético monótono trivial. Si prefiere evitar constantes en los circuitos aritméticos monótonos, entonces f n : {0,1} n → ℕ sea una familia de funciones de modo que el circuito aritmético para f n requiera un tamaño exponencial y f n (0, ..., 0) = 0, y considere f n + x 1 +… + x n .

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