Нижние оценки для ветвящихся программ с ограниченными повторениями на задачи поиска

Софронова Анастасия Александровна
Бесплатно
В избранное
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0

Ветвящиеся программы позволяют описать различные меры сложности, например, память в машинах Тьюринга или длину доказательств в пропозициональных системах доказательств. В данной работе изучается связь именно с системами доказательств, впервые описанная Ловасом и др. ’95, которые показали, что регулярная резолюция эквивалентна однопроходным ветвящимся программам для задачи поиска невыполненного клоза. Эта связь широко используется; например, в недавнем результате о сложности клики в регулярной резолюции (Атсериас и др. ’18).

Мы изучаем ветвящиеся программы с ограниченными повторениями, так называемые (1, +k)-BP (Силинг ’96), в применении к задаче поиска невыполненного клоза (Search Phi). С одной стороны, это естественное обобщение однопроходных ветвящихся программ. С другой стороны, данная модель вычислений соответствует довольно сильной системе доказательств, в которой существуют короткие доказательства для широкого класса формул, сложных для резолюции (Кноп ’17).

Мы работаем с задачей Search Phi, которая является “простой” в сравнении с известными сложными примерами для (1, +k)-BP. В работе представлена первая техника для доказательства экспоненциальных нижних оценок на (1, +k)-BP для задачи Search Phi. Для этого мы объединяем известную технику для доказательств нижних оценок на ветвящиеся программы (Силинг ’96; Силинг, Вегенер ’94; Юкна, Разборов ’98) с модификацией техники “замыкания” (Алехнович и др. ’04; Алехнович, Разборов ’03). В отличие от большинства нижних оценок на резолюцию, наша техника использует не только локальные свойства формулы, но и её глобальную структуру. Сложное семейство формул, описанное в работе, основано на потоковых формулах, описанных в (Алехнович, Разборов ’03).

1. Introduction 3
1.1. Ourresults……………………………….. 5
1.2. Technique ……………………………….. 5
2. Preliminaries 7
2.1. Branchingprograms…………………………… 7
3. Expanders 10
4. Lower bounds for (1, + )-BP 12
4.1. HardFormulas……………………………… 13
4.1.1. LocallyConsistentAssignments…………………. 15
4.2. ProofofTheorem1.4 ………………………….. 16
4.2.1. ConstructionoftheGarland…………………… 17
4.3. UnreachableLeaves…………………………… 20
4.4. DirectingtheFlow……………………………. 22
5. Conclusion 28
References 29
A. MissedLemmas 32
A.1.Lemma4.5……………………………….. 32
A.2. Lemma4.10 ………………………………. 35
B. Garland in the Paths 38

Propositional proof complexity theory studies proof systems for UNSAT, the language of unsatisfiable propositional formulas. Studying lower bounds on size of such proofs is closely related to the question whether NP and coNP coincide or not. Non-equivalence of those classes would be equivalent to existence of hard formulas for any propositional proof system — that is, formulas which do not have short, polynomial-size proofs.
There exists so-called Cook’s program, which proposes to prove superpolynomial lower bounds for stronger and stronger proof systems until the techniques are developed to do it in a general case. Currently there exist lower bounds only for some specific proof systems.
For many proof systems, the proofs describe the runs of specific classes of SAT-solving al- gorithms. Which means that lower bounds of the size of proofs give us lower bounds on run- ning time of SAT- solvers, as well as some other algorithms. For example, Resolution describes DPLL algorithms [DLL62; Gol79], Cutting Planes corresponds to combinatorial optimization [Gom58; Gom60; Gom63], Nullstellensatz and Polynomial Calculus are related to calculating Gröbner basis [CEI96; Bus+97]. For all those systems there are known lower bounds. The majority of theorem-proving systems is based on propositional proofs as well.
Proofs of unsatisfiability of a formula are closely connected to a certain search relation: given an assignment, it is required to find an unsatisfied clause. Formally it is defined in the following way:

Definition 1.2
An unsatisfied clause search problem Search for an unsatisfiable CNF formula ≔ ⋀ on variables is defined as follows:

input: an -variable assignment ∈ {0, 1} ;
output: an element ∈ such that clause of is falsified by .
Informally speaking, we may think that if we can solve the Search problem in some computational model C, then the description of ∈ C that solves Search is a “certificate of unsatisfiability” of a formula . So we may think of this model as a proof system.
We study a computational model named branching programs. A proof system based on 3
this model could be defined in a way described above [Kno17]. Regular Resolution, which is the restriction of general Resolution, is, in those terms, equivalent to a read-once branching program that searches for an unsatisfied clause [Lov+95].
Branching program is a computational model that is described by a directed acyclic graph. In each vertex a variable is queried, and we proceed along one of the outgoing edges depending on its value. A total assignment corresponds to a path from source to one of the sinks (a computation path), and in the sink a value of a function is written. Let us state the formal definition.
Definition 1.3
Let ≔ { 1, … , } be a set of propositional variables and be a finite set.
A branching program for a relation ⊆ {0, 1} × is a directed acyclic graph with one source. Every sink of the graph is labeled with ∈ , every inner vertex is
labeled with ∈ and it has exactly two outgoing edges labeled by 0 and 1.
Every total assignment : → {0, 1} to variables induces a path in a branch- ing program in the following way. We start in the root of the program. If the current
vertex is labeled with variable , we proceed along the edge ( ).
Let ∈ be the label in the sink we ended up in. We require the following property:
( ( 1), … , ( ), ) ∈ .
This is one of the most fundamental models in theoretical computer science: it captures the space complexity of many versions of restricted and unrestricted Turing machine etc. The read-once version queries each bit only once on every path. This model corresponds to the eraser Turing machines. Exponential lower bounds for this model were proven in [Weg88; Žák86].
The connection between regular Resolution and branching programs makes it interesting to consider some less restricted models of branching programs in application to the Search problems. Some of these models were considered in [Kno17]. In this paper we focus on (1, + )-BPs (branching programs with bounded repetitions).
It is a natural generalization of read-once branching programs that was described in [Sie96]. In this model, we allow our branching programs to requery variables, but on each computation only input bits may be queried more than one time. There are two natural points of view on this model:
syntactic: if we apply the restriction on every path;
semantic: if we apply the restriction on consistent paths
(for formal definition see section 2.1). The semantic version is more powerful and may capture
strong Turing machine models (for details see [JR98]). 4

Exponential lower bounds on (1, + )-BP were shown in [SŽ97; Sie96; SW94; JR98] for various parameters . Lower bounds from [JR98] hold for = Ω ( ) and the lower bound
log
from [Juk08] holds even for = Ω( ), where is the number of input bits. We refer the
reader to the books [Juk12; Weg00] with the detailed description of results related to branching programs.
Described lower bounds for (1, + )-BP are given for “complicated” functions (usually it is characteristic functions of an error-correcting code with additional properties). In particular, these functions are complicated in terms of the certificate complexity, which is not true for Search relation, so the usual techniques do not work in this case. Despite the success in proving lower bounds on the Resolution (and hence read-once programs) the lower bounds for (1, + )-BP on the Search are an open question even for = 1.
Apart from small certificate complexity, there arises another issue in proving lower bounds on Search . It is that (1, + )-BP is much stronger than general Resolution on some classes of formulas [Kno17] even for small constant and syntactic model. This is a crucial observation and it means that we cannot directly apply general techniques for proving lower bounds in proof complexity like [BW01; AR03] etc., since these techniques cannot distinguish between considered classes of formulas and other hard examples for Resolution. Hence if we want to prove lower bound for (1, + )-BP on Search we need some additional arguments in comparison to Resolution lower bounds.
In this work, we introduce a technique for proving such lower bounds on the semantic (1, + )-BP where = (log / log log ) where is the number of variables.
1.1 Our results
The main result is an exponential lower bound on the size of (1, + )-BPs in application
to Search

for = ( log ). log log

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?
Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

    Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных и с правилами пользования Платформой

    Последние выполненные заказы

    Хочешь уникальную работу?

    Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

    user1250010 Омский государственный университет, 2010, преподаватель,...
    4 (15 отзывов)
    Пишу качественные выпускные квалификационные работы и магистерские диссертации. Опыт написания работ - более восьми лет. Всегда на связи.
    Пишу качественные выпускные квалификационные работы и магистерские диссертации. Опыт написания работ - более восьми лет. Всегда на связи.
    #Кандидатские #Магистерские
    21 Выполненная работа
    Катерина В. преподаватель, кандидат наук
    4.6 (30 отзывов)
    Преподаватель одного из лучших ВУЗов страны, научный работник, редактор научного журнала, общественный деятель. Пишу все виды работ - от эссе до докторской диссертации... Читать все
    Преподаватель одного из лучших ВУЗов страны, научный работник, редактор научного журнала, общественный деятель. Пишу все виды работ - от эссе до докторской диссертации. Опыт работы 7 лет. Всегда на связи и готова прийти на помощь. Вместе удовлетворим самого требовательного научного руководителя. Возможно полное сопровождение: от статуса студента до получения научной степени.
    #Кандидатские #Магистерские
    47 Выполненных работ
    Андрей С. Тверской государственный университет 2011, математический...
    4.7 (82 отзыва)
    Учился на мат.факе ТвГУ. Любовь к математике там привили на столько, что я, похоже, никогда не перестану этим заниматься! Сейчас работаю в IT и пытаюсь найти время на... Читать все
    Учился на мат.факе ТвГУ. Любовь к математике там привили на столько, что я, похоже, никогда не перестану этим заниматься! Сейчас работаю в IT и пытаюсь найти время на продолжение диссертационной работы... Всегда готов помочь! ;)
    #Кандидатские #Магистерские
    164 Выполненных работы
    Алёна В. ВГПУ 2013, исторический, преподаватель
    4.2 (5 отзывов)
    Пишу дипломы, курсовые, диссертации по праву, а также истории и педагогике. Закончила исторический факультет ВГПУ. Имею высшее историческое и дополнительное юридическо... Читать все
    Пишу дипломы, курсовые, диссертации по праву, а также истории и педагогике. Закончила исторический факультет ВГПУ. Имею высшее историческое и дополнительное юридическое образование. В данный момент работаю преподавателем.
    #Кандидатские #Магистерские
    25 Выполненных работ
    Екатерина П. студент
    5 (18 отзывов)
    Работы пишу исключительно сама на основании действующих нормативных правовых актов, монографий, канд. и докт. диссертаций, авторефератов, научных статей. Дополнительно... Читать все
    Работы пишу исключительно сама на основании действующих нормативных правовых актов, монографий, канд. и докт. диссертаций, авторефератов, научных статей. Дополнительно занимаюсь английским языком, уровень владения - Upper-Intermediate.
    #Кандидатские #Магистерские
    39 Выполненных работ
    Татьяна П.
    4.2 (6 отзывов)
    Помогаю студентам с решением задач по ТОЭ и физике на протяжении 9 лет. Пишу диссертацию на соискание степени кандидата технических наук, имею опыт годовой стажировки ... Читать все
    Помогаю студентам с решением задач по ТОЭ и физике на протяжении 9 лет. Пишу диссертацию на соискание степени кандидата технических наук, имею опыт годовой стажировки в одном из крупнейших университетов Германии.
    #Кандидатские #Магистерские
    9 Выполненных работ
    AleksandrAvdiev Южный федеральный университет, 2010, преподаватель, канд...
    4.1 (20 отзывов)
    Пишу качественные выпускные квалификационные работы и магистерские диссертации. Опыт написания работ - более восьми лет. Всегда на связи.
    Пишу качественные выпускные квалификационные работы и магистерские диссертации. Опыт написания работ - более восьми лет. Всегда на связи.
    #Кандидатские #Магистерские
    28 Выполненных работ
    Егор В. кандидат наук, доцент
    5 (428 отзывов)
    Здравствуйте. Занимаюсь выполнением работ более 14 лет. Очень большой опыт. Более 400 успешно защищенных дипломов и диссертаций. Берусь только со 100% уверенностью. Ск... Читать все
    Здравствуйте. Занимаюсь выполнением работ более 14 лет. Очень большой опыт. Более 400 успешно защищенных дипломов и диссертаций. Берусь только со 100% уверенностью. Скорее всего Ваш заказ будет выполнен раньше срока.
    #Кандидатские #Магистерские
    694 Выполненных работы
    Анастасия Б.
    5 (145 отзывов)
    Опыт в написании студенческих работ (дипломные работы, магистерские диссертации, повышение уникальности текста, курсовые работы, научные статьи и т.д.) по экономическо... Читать все
    Опыт в написании студенческих работ (дипломные работы, магистерские диссертации, повышение уникальности текста, курсовые работы, научные статьи и т.д.) по экономическому и гуманитарному направлениях свыше 8 лет на различных площадках.
    #Кандидатские #Магистерские
    224 Выполненных работы

    Другие учебные работы по предмету

    Алгоритмы для динамических диаграмм Вороного
    📅 2021год
    🏢 Санкт-Петербургский государственный университет
    О локальных свойствах решений задач гидродинамики
    📅 2021год
    🏢 Санкт-Петербургский государственный университет
    Структуры комодулей на кольцах Чжоу флаговых многообразий
    📅 2021год
    🏢 Санкт-Петербургский государственный университет
    Полнота биортогональных систем для нескольких интервалов
    📅 2021год
    🏢 Санкт-Петербургский государственный университет
    Задача размещения элементов цепи поставок
    📅 2021год
    🏢 Санкт-Петербургский государственный университет