Jak udowodnić, że USTCONN wymaga przestrzeni logarytmicznej?


19

USTCONN to problem, który wymaga podjęcia decyzji, czy istnieje ścieżka od wierzchołka źródłowego s do wierzchołka docelowego t na wykresie G , gdzie wszystkie są podane jako część danych wejściowych.

Omer Reingold wykazał, że USTCONN znajduje się w L (doi: 10.1145 / 1391289.1391291 ). Dowód konstruuje ekspander o stałym stopniu za pomocą produktu zygzakowatego. Ekspander o stałym stopniu ma średnicę logarytmiczną, a następnie można sprawdzić wszystkie możliwe ścieżki za pomocą stałej liczby znaczników wielkości logarytmicznej.

Wynik Reingolda daje logarytmiczną górną granicę złożoności przestrzeni USTCONN, rozwiązując złożoność przestrzeni „aż do stałego współczynnika” zgodnie z dokumentem. Jestem ciekawy odpowiedniej dolnej granicy, o której nigdzie indziej nie wspomniano.

Jak udowodnić, że w najgorszym przypadku USTCONN jest wymagana przestrzeń logarytmiczna?

Edycja: Napraw reprezentację wejściową jako macierz przylegania N×N leżącego u jej podstaw symetrycznego prostego wykresu N -vertex, z rzędami wymienionymi kolejno, aby utworzyć ciąg N2 bitowy.


Lewis i Papadimitriou wykazali (doi: 10.1016 / 0304-3975 (82) 90058-5 ), że USTCONN jest kompletny SL, co z wynikiem Reingolda oznacza, że ​​SL = L. Savitch wykazał (doi: 10.1016 / S0022-0000 (70) 80006-X ), że NSPACE(n)DSPACE(n2) . Dalsze DSPACE(f(n))=DSPACE(1) dla dowolnej funkcji obliczalnej f(n)=o(loglogn)przez Stearns, Hartmanis i Lewis (doi: 10.1109 / FOCS.1965.11 ), więc potrzeba co najmniej Ω(loglogn) dla USTCONN. Wreszcie, zwykłe klasy, o których wiadomo, że są poniżej L (takie jak NC1 ), są zdefiniowane w kategoriach obwodów i nie są oczywiście porównywalne z żadną klasą zdefiniowaną w kategoriach ograniczonej przestrzeni.

O ile widzę, pozostawia to otwartą (co mało prawdopodobne) możliwość, że istnieje jeszcze lepszy deterministyczny algorytm, który wykorzystuje tylko przestrzeń O((logn)δ) ale Ω(loglogn) , dla niektórych δ<1 , lub nawet niedeterministyczny algorytm USTCONN że zastosowania o((logn)1/2) przestrzeń.

DSPACE(o(f(n))DSPACE(f(n))f(n)DSPACE(o(logn))

Tak długo, jak istnieje język w L, który wymaga przestrzeni logarytmicznej, to pokazanie, że USTCONN jest kompletne dla L pod ściśle „słabszym” niż redukcja przestrzeni logicznej, dałoby pożądaną dolną granicę.

Czy USTCONN jest kompletny dla L przy redukcji wymagającej spacji ?o(logn)

Immerman wykazał (doi: 10.1137 / 0216051 ), że wersja ukierunkowanej osiągalności, w której pożądana ścieżka (ale nie sam wykres) jest deterministyczna, jest kompletna dla L przy redukcjach pierwszego rzędu, które są obliczalne przez obwody AC . Być może można to następnie dostosować, aby wykazać, że USTCONN jest kompletny dla L przy obniżeniu FO. Jednakże, chociaż AC jest ściśle zawarty w L, AC ponownie jest klasą obwodów i nie jestem świadomy żadnego sposobu wykonywania redukcji FO w przestrzeni sublogarytmicznej.000


Edytuj 2015-07-14: Ciekawym zagadnieniem filozoficznym jest to, czy wykorzystanie miejsca przez TM powinno obejmować wielkość indeksu na wejściu (umożliwiając w ten sposób losowy dostęp do wejścia, ale wymaga dodatkowego bitu, jeśli rozmiar wejścia podwaja się ) lub czy przestrzeń używana przez bazę TM jest liczbą kwadratów taśmy roboczej odwiedzonych podczas obliczeń (która zakłada, że ​​głowica taśmy wejściowej jest stała i nie zmienia się, gdy rozmiar taśmy wejściowej podwaja się). Poprzednia definicja stylu RAM natychmiast określa dolną granicę dla dowolnego obszaru logówobliczenia i modeluje bieżące komputery, które śledzą bieżącą pozycję w pliku jako przesunięcie względem początku pliku. Ta ostatnia klasyczna definicja zakłada taśmę w kształcie papieru ze stałą głowicą czytającą, która nie wie nic o taśmie poza bieżącym symbolem wejściowym, co prawdopodobnie jest tym, co zamierzał Turing w swoim artykule z 1937 roku.

Argumenty heurystyczne, takie jak komentarz Thomasa, że ​​nie jest nawet możliwe indeksowanie danych wejściowych bitami , wydają się przyjmować nowoczesną definicję stylu RAM. Stearns / Hartmanis / Lewis używają definicji stylu TM, podobnie jak większość klasycznych prac w obliczeniach ograniczonych przestrzenią.o(logn)

Można udowodnić dolną granicę przestrzeni logicznej dla USTCONN reprezentowaną jako macierz przylegania, zauważając, że jednoargumentowy język idealnych kwadratów wymaga przestrzeni logicznej do rozpoznania (patrz Rūsiņš Freivalds, Modele obliczeń, Riemann Hypothesis i Classical Mathematics , SOFSEM 1998, LNCS 1521, 89 –106. Doi: 10.1007 / 3-540-49477-4_6 ( preprint)). Następnie ta sama dolna granica dotyczy USTCONN z reprezentacją macierzy przyległości. Jest to być może zbyt wielki oszust: zazwyczaj egzekwowanie obietnicy w przypadku problemu z obietnicą ma być łatwe w porównaniu do rzeczywistego problemu, ale tutaj egzekwowanie obietnicy, że dane wejściowe są wykresem, już określa dolną granicę. Byłoby miło widzieć argument za dolną granicą obszaru logów dla problemu z obietnicą, w którym dane wejściowe są gwarantowane z języka .{{0,1}N×NN=1,2,}


Wniosek „, więc przynajmniej ... przestrzeń jest potrzebna do UStCONN”, nie wynika z reszty zdania, ponieważ istnieją funkcje dla których taka robi nie istnieje. o(log(log(n)))δ

5
Ważna jest reprezentacja wejściowa, ponieważ w przypadku przestrzeni nie możemy określić ani uzyskać dostępu do dowolnej lokalizacji na wejściu. Jakiej reprezentacji wejścia używasz? Czy możemy nawet wykazać, że USTCONN znajduje się w niedeterministycznej przestrzeni podlogarytmicznej? o(logn)
Thomas wspiera Monikę

FO = LTH = DLogTime uniform AC ^ 0
Kaveh

jest to bardzo szczegółowe i świetne, ale wydaje się, że pomogłoby to odnieść się do „oficjalnie znanych / uznanych otwartych problemów” oraz znanych pełnych problemów (patrz niektóre z tych ostatnich, ale może więcej?) ... z których jest najwyraźniej dość blisko ... i zauważ, że se nie jest dobrym formatem do tego, jeśli tak ... btw U w USTConn wydaje się oznaczać Undirected, prawda? FYI SJ na tej stronie badał „niski poziom” STConn obniżyć swoje granice i wzajemne do USTConn, ofc Wygląda byłoby bardzo naturalne połączenia
vzn

Być może technika złożoności komunikacji w celu udowodnienia dolnej granicy przestrzeni czasowej może pomóc: jeśli przestrzeń jest mniejsza niż czas jest mniejszy niż więc czas jest mniejszy niż . Czy możemy w jakiś sposób pozbyć się w czasoprzestrzeni i pokazać, że jeśli przestrzeń jest mniejsza niż to przestrzeń czasowa jest mniejsza niż ? lognn2n2lognlognlognn2
Kaveh

Odpowiedzi:


13

Artykuł Liczenie kwantyfikatorów, relacje następców i przestrzeń logarytmiczna Kousha Etessami udowadnia, że ​​problem (który polega zasadniczo na sprawdzeniu, czy wierzchołek poprzedza wierzchołek na zdeklasowanym jednym wykresie , który ma być ścieżką ) jest twardy w projekcjach wolnych od kwantyfikatora.ORDstGL

Problem można zredukować do problemu , dzięki -reductions: Biorąc pod uwagę instancjęORDUSTCONNFOG,s,tORDtuv{u,v}USTCONNs,tsą połączone na wynikowym wykresie. (Uwaga: redukcję można prawdopodobnie zwiększyć jeszcze).


1
Dzięki! To wydaje się być rozwinięciem mojego ostatniego komentarza na temat kompletności L USTCONN. Jednak nie jest dla mnie jasne, że redukcję ORD można dokonać w przestrzeni sublogarytmicznej, więc nie wydaje się to odpowiadać na główne pytanie, pokazując, że USTCONN naprawdę wymaga przynajmniej przestrzeni logarytmicznej. czego mi brakuje?
András Salamon,

1
@AndrasSalamon: Brakuje pytania Thomasa na temat reprezentacji danych wejściowych, nawet jeśli nie odnosi się to do pytania, które właśnie zadałeś.
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.