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)log⁡n

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.