Dolne granice złożoności Gaussa


18

Określić Gaussa złożoność danego matrycy, tak aby minimalna ilość elementarnych wierszy i kolumn operacji wymaganych do matrycy w postaci górnej trójkątnej. Jest to wielkość od do (poprzez eliminację Gaussa). Pojęcie ma sens w każdej dziedzinie.n×n0n2

Ten problem z pewnością wydaje się bardzo podstawowy i musiał zostać zbadany. O dziwo, nie znam żadnych referencji. Będę zadowolony z wszelkich odniesień. Ale oczywiście głównym pytaniem jest:

Czy znane są jakieś nietrywialne, wyraźne dolne granice?

Przez nietrywialne rozumiem superlinię. Żeby było jasne: ponad polami skończonymi argument zliczający pokazuje, że macierz losowa ma porządek złożoności n ^ 2 (podobne twierdzenie powinno być prawdziwe w przypadku pól nieskończonych). Dlatego szukamy wyraźnej rodziny macierzy, np. Macierzy Hadmarda. Jest to to samo, co w przypadku złożoności obwodu logicznego, w której wiemy, że funkcja losowa ma wysoką złożoność, ale szukamy funkcji jawnych z tą właściwością.


Nie jestem do końca pewien, o co tu chodzi. Czy pytasz o konkretne formy macierzy, czy o ogólny przypadek (w takim przypadku wydaje się, że działa prosty argument liczenia)?
Joe Fitzsimons,

@Joe, jak wspomniano, proszę o wyraźną rodzinę macierzy, np. Macierze Hadamarda. Jak zwykle losowe matryce oszukują. Jest to w podobny sposób, ponieważ nie jesteśmy zadowoleni z faktu, że funkcja losowa wymaga dużych obwodów. Dodałem akapit, aby podkreślić ten punkt.
Moritz

może to powinno być opublikowane jako odpowiedź :)
Suresh Venkat

Ok, zrobię to.
Joe Fitzsimons,

Właściwie uważam, że moja metoda mogła być wadliwa.
Joe Fitzsimons,

Odpowiedzi:


17

Wydaje się, że jest to bardzo trudny problem, związany z szerzej badanym.

Załóżmy, że bierzemy pod uwagę kwadratową odwracalną macierz A i definiujemy c (A) jako minimalną liczbę elementarnych operacji na wierszach potrzebnych do zredukowania A do macierzy tożsamości. Ta miara złożoności jest większa niż sugeruje Moritz, więc udowodnienie granic ponadliniowych może być łatwiejsze.

Teraz operacje na wierszach są odwracalne . Wynika z tego, że c (A) można równo zdefiniować jako minimalną liczbę operacji wiersza potrzebnych do wytworzenia A, zaczynając od macierzy tożsamości.

Zauważ, że wytworzenie A w taki sposób powoduje powstanie obwodu arytmetycznego do obliczenia mapy przyjmującej x do Ax. Fanin każdej bramki wynosi 2, a liczba bramek niepochodzących z wejścia odpowiada liczbie operacji rzędowych.

Nie ma żadnej oczywistej redukcji w odwrotnym kierunku (od obwodów do sekwencji rzędów). Nadal możemy scharakteryzować c (A) pod względem złożoności obwodu arytmetycznego Ax w modelu z ograniczonym obwodem: twierdzę, że c (A) jest równe połowie minimalnej liczby krawędzi w obwodzie arytmetycznym dla A, fanin co najwyżej 2 i szerokość n, gdzie nie pobieramy opłat za krawędzie prowadzące do bram fanin 1. (Używam tutaj zwykłego pojęcia szerokości obwodu). Można to pokazać za pomocą prostego pomysłu naszkicowanego wcześniej.

Oto związek z dobrze zbadanymi problemami: od ponad 30 lat znany jest otwarty problem z wyświetlaniem wyraźnej liniowej mapy Ax (na dowolnym skończonym polu), która wymaga superliniowej liczby bramek w obwodzie fanin-2. Klasycznym odniesieniem jest Valiant, „Teoretyczne wykresy w złożoności niskiego poziomu”, a pomocne są również niedawne ankiety FTTCS przeprowadzone przez Lokam.

Studiując c (A), nakładamy dodatkowe ograniczenie szerokości, ale ponieważ nasze ograniczenie jest tak słabe (szerokość n), nie przewiduję, że problem stanie się znacznie łatwiejszy. Ale hej - chciałbym, żeby mi się nie udało.


2
Ponadto Gowers na swoim blogu przeprowadził dyskusję dotyczącą złożoności eliminacji Gaussa. Nie przeczytałem go uważnie (jest to długi dialog), ale może być pomocny: gowers.wordpress.com/2009/11/03/…
Andy Drucker

Aby zrozumieć to poprawnie, pojawia się ograniczenie szerokości, ponieważ masz najwyżej n operacji na kolumnę i możesz kontynuować kolumnę po kolumnie?
Moritz

Myślę o operacjach na wierszach. Ograniczenie szerokości n odpowiada temu, że mamy n rzędów do pracy, w których miałaby miejsce cała nasza praca pośrednia. Bramki obwodu n na głębokości t reprezentują stany n rzędów po t zastosowaniach operacji rzędowych. (może mówisz to samo co ja)
Andy Drucker,

Gdybyśmy zamiast tego dopuścili dodatkowe wiersze „pomocniczego obszaru roboczego” w naszej eliminacji Gaussa, wierzę, że otrzymalibyśmy dokładną zgodność między złożonością redukcji A do tożsamości, a złożonością liniowego obwodu arytmetycznego Axa (co jest zasadniczo złożonością arytmetyczną ckt, ponieważ mnożenia nie pomagają obliczyć funkcji liniowych poza stałym współczynnikiem).
Andy Drucker,

Tak właśnie miałem na myśli. Zgadzam się również z drugim stwierdzeniem. Ogólny obwód liniowy może tworzyć nowe rzędy, ilekroć chce :-)
Moritz

9

Istnieją referencje i są one dość stare. Natknąłem się na nich podczas pracy nad algorytmami kombinatorycznymi do mnożenia macierzy boolowskich.

Θ(n2)/losoln)logn

JW Moon i L. Moser. Problem redukcji macierzy. Mathematics of Computation 20 (94): 328– 330, 1966.

Artykuł powinien być dostępny na JSTOR.

Jestem prawie pewien, że dolna granica jest tylko argumentem liczącym i nie podano żadnych wyraźnych macierzy osiągających dolną granicę.

Korzystając z naszej strony potwierdzasz, że przeczytałeś(-aś) i rozumiesz nasze zasady używania plików cookie i zasady ochrony prywatności.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.