¿Qué clases de programas matemáticos pueden resolverse exactamente o aproximadamente, en tiempo polinómico?


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Estoy bastante confundido por la literatura de optimización continua y la literatura de TCS sobre qué tipos de programas matemáticos (continuos) (MP) se pueden resolver de manera eficiente y cuáles no. La comunidad de optimización continua parece afirmar que todos los programas convexos se pueden resolver de manera eficiente, pero creo que su definición de "eficiente" no coincide con la definición de TCS.

Esta pregunta me ha estado molestando mucho en los últimos años, y parece que no puedo encontrar una respuesta clara. Espero que puedan ayudarme a resolver esto de una vez por todas: qué clases de MP se pueden resolver exactamente en tiempo polinómico y por qué medios; ¿Y qué se sabe acerca de la aproximación de la solución óptima de MP que no podemos resolver exactamente en el tiempo polinómico?

A continuación, doy una respuesta incompleta a esta pregunta que también es posiblemente incorrecta en algunos lugares, por lo que espero que puedan verificarme y corregirme en los puntos en los que estoy equivocado. También establece algunas preguntas que no puedo responder.

Todos sabemos que la programación lineal se puede resolver exactamente en tiempo polinómico, ejecutando el método elipsoide o un método de punto interior, y posteriormente ejecutando algún procedimiento de redondeo. La programación lineal incluso se puede resolver en el tiempo polinomial en el número de variables cuando se enfrenta a una familia de LP con una cantidad súper grande de restricciones lineales, siempre que se pueda proporcionar un "oráculo de separación": un algoritmo que, dado un punto , determina si ese punto es factible o genera un hiperplano que separa el punto del poliedro de puntos factibles. Del mismo modo, la programación lineal en el tiempo polinomial en el número de restricciones cuando se enfrenta a una familia de LP con cualquier cantidad súper grande de variables, si se proporciona un algoritmo de separación para los duales de estos LP.

El método elipsoide también puede resolver programas cuadráticos en tiempo polinómico, en caso de que la matriz en la función objetivo sea positiva (semi?) Definida. Sospecho que, al usar el truco del oráculo de separación, en algunos casos también podemos hacer esto si nos enfrentamos a un número increíble de restricciones. ¿Es eso cierto?

Últimamente, la programación semidefinida (SDP) ha ganado mucha popularidad en la comunidad TCS. Uno puede resolverlos con una precisión arbitraria mediante el uso de métodos de punto interior, o el método elipsoide. Creo que los SDP no se pueden resolver exactamente debido al problema de que las raíces cuadradas no se pueden calcular exactamente. (?) ¿Sería correcto si digo que hay un FPTAS para SDP? No he visto eso en ningún lado, así que probablemente eso no sea correcto. ¿Pero por qué?

Podemos resolver LPs exactamente y SDPs con precisión arbitraria. ¿Qué pasa con otras clases de programas cónicos? ¿Podemos resolver programas de cono de segundo orden con una precisión arbitraria, utilizando el método elipsoide? No lo sé.

¿En qué clases de MP podemos usar el método elipsoide? ¿Qué propiedades necesita tal MP para satisfacer una respuesta arbitraria, y qué propiedades adicionales necesitamos para poder obtener una solución exacta en el tiempo polinómico? Las mismas preguntas para los métodos de puntos interiores.

Ah, y finalmente, ¿qué es lo que hace que los optimizadores continuos digan que los programas convexos se pueden resolver de manera eficiente? ¿Es cierto que se puede encontrar una respuesta de precisión arbitraria a un programa convexo en tiempo polinómico? Creo que no, entonces, ¿en qué aspectos difiere su definición de "eficiente" de la nuestra?

Cualquier contribución es apreciada! Gracias por adelantado.


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El título de esta pregunta es demasiado amplio; parece que lo que realmente quiere saber es si los programas convexos realmente pueden resolverse en tiempo polinómico.
Peter Shor

Secundado Bart, ¿tal vez puedas dividir las cosas en preguntas específicas?
Suresh Venkat

Peter y Suresh, gracias por estas sugerencias. De lo que escribí se supone que no solo estoy interesado en la cuestión de si los programas convexos pueden resolverse o aproximarse en tiempo polivinílico. Básicamente, estoy interesado en los límites de los métodos de elipsoide y punto interior, y espero que alguien sepa con precisión en qué clases de MP trabajan eficientemente. Pregunto esto porque el cuerpo actual de literatura sobre el tema no está claro (para mí).
Bart

Personalmente, creo que sería bueno tener una buena visión general de esto en un lugar (como una respuesta a esta pregunta de intercambio de pila). También para mí esta parece una pregunta bastante coherente. Sin embargo, como soy nuevo en stackexchannge, no estoy familiarizado con la cultura y la ética aquí ... así que en caso de que insista, trataré de descubrir cómo dividir esta pregunta en varias preguntas más pequeñas.
Bart

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Creo que el alcance de esta pregunta es demasiado amplio para tener una respuesta. Los límites de los métodos de elipsoide y punto interior serían una buena pregunta, y lo que se puede hacer para los programas convexos es una buena pregunta, pero si no especifica el tipo de algoritmo o el tipo de programa, básicamente está preguntando para obtener un resumen de todo el campo de la optimización continua en su respuesta, y esto es prácticamente imposible. No es un campo pequeño. Sin embargo, si deja su pregunta como está, es muy posible que obtenga otra buena respuesta parcial.
Peter Shor

Respuestas:


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Puedo responder esta parte:

¿Sería correcto si digo que hay un FPTAS para SDP? No he visto eso en ningún lado, así que probablemente eso no sea correcto. ¿Pero por qué?

La afirmación es correcta, pero a menudo no la vemos porque una afirmación más fuerte es válida y es más importante que esta más débil.

Un FPTAS es un algoritmo de tiempo polinómico que, dado un problema y un parámetro de precisión 1 k , genera una solución aproximada (1 + 1 / k ).

Pero para SDP, el método elipsoide y el método de punto interior proporcionan algoritmos de tiempo polinomial que, dado un problema y un parámetro de precisión 1 k , generan una solución aproximada (1 + 2 - k ). Tenga en cuenta que el factor de aproximación es mucho mejor que el requerido para un FPTAS.


Esto necesita un poco más de cuidado ya que el método elipsoide y los métodos de punto interior necesitan condiciones adicionales para ejecutarse en tiempo polinomial.
Yoshio Okamoto

¡Gracias por esto, Tsuyoshi! Yoshio, ¿podrías aclarar qué quieres decir con esto? ¿Realmente quiere decir que hay condiciones en el SDP particular que se necesita, porque de lo contrario el SDP no se puede aproximar de esa manera en poli-tiempo? Esto es una sorpresa para mí en ese caso, y me interesaría saber sobre estas condiciones. Gracias.
Bart

@Bart: Por ejemplo, si observa las notas de clase de Lovasz cs.elte.hu/~lovasz/semidef.ps , puede encontrar que el Teorema 3.7 (Página 19) habla sobre el límite de tiempo de ejecución del método elipsoide para la minimización convexa . Allí, se imponen algunos supuestos técnicos.
Yoshio Okamoto

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rRlogR/r

Muchas gracias por esto. Esto responde una gran parte de mi pregunta. Parece que este conocimiento puede ser una herramienta muy útil para los científicos teóricos de la computación, aunque todavía me parece que no es tan conocido, y que no se menciona en ninguna parte. Extraño.
Bart

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