Techniki odwracania porządku kwantyfikatorów


73

Dobrze wiadomo, że ogólnie nie można odwrócić kolejności uniwersalnych i egzystencjalnych kwantyfikatorów. Innymi słowy, dla logicznego ogólnym wzorze ,ϕ(⋅,⋅)

(∀x)(∃y)ϕ(x,y)⇎(∃y)(∀x)ϕ(x,y)

Z drugiej strony wiemy, że prawa strona jest bardziej restrykcyjna niż lewa; czyli (∃y)(∀x)ϕ(x,y)⇒(∀x)(∃y)ϕ(x,y) .

To pytanie koncentruje się na technikach uzyskiwania (∀x)(∃y)ϕ(x,y)⇒(∃y)(∀x)ϕ(x,y) , ilekroć jest to ważne dla ϕ(⋅,⋅) .

Diagonalizacja jest jedną z takich technik. Po raz pierwszy widzę to zastosowanie diagonalizacji w artykule Relatywizacje pytania P=?NP (patrz także krótka notka Katza ). W tym artykule autorzy najpierw udowadniają, że:

Dla każdej deterministycznej, wielomianowej maszyny wyroczniowej M istnieje język B taki, że LB≠L(MB) .

Następnie odwracają kolejność kwantyfikatorów (wykorzystując diagonalizację ), aby udowodnić, że:

Istnieje język B taki, że dla wszystkich deterministycznych M mamy .LB≠L(MB)

Ta technika jest używana w innych artykułach, takich jak [CGH] i [AH] .

Znalazłem inną technikę w dowodzie Twierdzenia 6.3 [IR] . Wykorzystuje połączenie teorii miary i zasady gołębia do odwrócenia kolejności kwantyfikatorów.

Chcę wiedzieć, jakie inne techniki są stosowane w informatyce, aby odwrócić kolejność uniwersalnych i egzystencjalnych kwantyfikatorów?


14
Wow, to świetne pytanie. Już samo czytanie sprawiło, że spojrzałem na „znajome” przedmioty inaczej. Dzięki!
— Mark Reitblatt

Odpowiedzi:


68

Odwrócenie kwantyfikatorów jest ważną właściwością, która często stoi za dobrze znanymi twierdzeniami.

Na przykład w analizie różnica między i jest różnicą między ciągłością punktową a jednolitą . Dobrze znane twierdzenie mówi, że każda punktowa mapa ciągła jest jednolicie ciągła, pod warunkiem, że domena jest ładna, tj . Zwarta .∀ϵ>0.∀x.∃δ>0∀ϵ>0.∃δ>0.∀x

W rzeczywistości zwartość jest podstawą odwrócenia kwantyfikatora. Rozważmy dwa typy danych i , z których jest jawny i jest zwarty (patrz poniżej wyjaśnienia tych warunkach) i niech być semidecidable stosunek pomiędzy i . Instrukcja można odczytać w następujący sposób: każdy punkt w jest objęty pewnym . Ponieważ zestawy są „obliczalne otwarte” (półdecydowalne) iXYXYϕ(x,y)XY∀y:Y.∃x:X.ϕ(x,y)yYUx={z:Y∣ϕ(x,z)}UxYjest zwarty, istnieje skończona subcover. Udowodniliśmy, że oznacza, że Często możemy zredukować istnienie skończonej listy do pojedynczego . Na przykład, jeśli jest uporządkowane liniowo, a jest monotoniczny w względem kolejności, to możemy przyjąć, że jest największym z .

∀y:Y.∃x:X.ϕ(x,y)
∃x1,…,xn:X.∀y:Y.ϕ(x1,y)∨⋯∨ϕ(xn,y).
x1,…,xnxXϕxxx1,…,xn

Aby zobaczyć, jak ta zasada jest stosowana w znanym przypadku, spójrzmy na stwierdzenie, że jest funkcją ciągłą. Zachowujemy jako wolną zmienną, aby nie pomylić zewnętrznego zewnętrznego uniwersalnego kwantyfikatora: Ponieważ jest zwarta, a porównanie liczb rzeczywistych jest w połowie nierozstrzygalne, instrukcja jest w połowie niezdecydowany. Pozytywne liczby rzeczywiste są jawne, a jest zwarta, więc możemy zastosować zasadę: f:[0,1]→Rϵ>0

∀x∈[0,1].∃δ>0.∀y∈[x−δ,x+δ].|f(y)−f(x)|<ϵ.
[x−δ,x+δ]ϕ(x,δ)≡∀y∈[x−δ,x+δ].|f(y)−f(x)|<ϵ[0,1]
∃δ1,δ2,…,δn>0.∀x∈[0,1].ϕ(δ1,x)∨⋯ϕ(δn,x).
Ponieważ jest antymonotonem w najmniejszym z już to robi, więc potrzebujemy tylko : Mamy jednolitą ciągłość .ϕ(δ,x)δδ1,…,δnδ
∃δ>0.∀x∈[0,1].∀y∈[x−δ,x+δ].|f(y)−f(x)|<ϵ.
f

Mówiąc niejasnie, typ danych jest zwarty, jeśli ma obliczalny uniwersalny kwantyfikator, i jawnie, jeśli ma obliczalny kwantyfikator egzystencjalny. (Nieujemne) liczby całkowite są jawne, ponieważ w celu ustalenia, czy , przy czym połowie nierozstrzygalny, przeszukujemy równolegle przez połączenie typu jaskółczy ogon . Przestrzeń Cantora jest zwarta i jawna, jak wyjaśniono w Abstract Stone Duality Paula Taylora oraz w „ Syntetycznej topologii typów danych i przestrzeni klasycznych ” Martina Escardo (zobacz także powiązane pojęcie przestrzeni do przeszukiwania ).N∃n∈N.ϕ(n)ϕ(n)2N

Pozwól nam zastosować zasadę do wspomnianego przykładu. Widzimy język jako mapę od (skończonych) słów nad ustalonym alfabetem do wartości boolowskich. Ponieważ słowa skończone są w obliczalnej biotywnej korespondencji z liczbami całkowitymi, możemy postrzegać język jako mapę od liczb całkowitych do wartości boolowskich. Oznacza to, że typem danych wszystkich języków jest, aż do obliczalnego izomorfizmu, dokładnie przestrzeń Cantora nat -> boollub zapis matematyczny , który jest zwarty. Maszyna Turinga w czasie wielomianowym jest opisana przez swój program, który jest ciągiem skończonym, w związku z czym można przyjąć, że przestrzeń wszystkich (reprezentacji) maszyn Turinga jest jawna lub .2NnatN

Biorąc pod uwagę maszynę Turinga i język , wyrażenie które mówi „język jest odrzucany przez ”, jest w połowie nierozstrzygalne, ponieważ w rzeczywistości jest rozstrzygalne: po prostu uruchom z wejściem i zobacz, co to robi. Warunki dla naszej zasady są spełnione! Stwierdzenie „każda maszyna wyroczni ma język taki, że nie jest akceptowane przez ”, jest zapisywane symbolicznie jako Po odwróceniu kwantyfikatorów otrzymujemy Mcrejects(M,c)cMMcMbbMb

∀M:N.∃b:2N.rejects(Mb,b).
∃b1,…,bn:2N.∀M:N.rejects(Mb1,b1)∨⋯∨rejects(Mbn,bn).
Ok, więc skończymy z wieloma językami. Czy możemy połączyć je w jeden? Zostawię to jako ćwiczenie (dla mnie i dla ciebie!).

Być może zainteresuje Cię nieco bardziej ogólne pytanie, jak przekształcić do równoważnego wyrażenia formularza lub odwrotnie. Można to zrobić na kilka sposobów, na przykład:∀x.∃y.ϕ(x,y)∃u.∀v.ψ(u,v)


4
Jest to bardzo ogólny warunek (jedna przestrzeń musi być otwarta, druga zwarta, a relacja otwarta), ale jest to również technika: jeśli możesz znaleźć topologie spełniające warunki, możesz odwrócić kwantyfikatory.
— Andrej Bauer,

8
@Andrej, twoja odpowiedź jest naprawdę dobra i edukacyjna. Nigdy nie wiedziałem, że istnieje związek między zwartością a kwantyfikatorami zwrotnymi, dopóki nie pojawi się ten post. Czuję się oświecony.
— Hsien-Chih Chang 22 之

8
Co za niesamowita odpowiedź.
— Suresh Venkat

10
Czuję się pochlebny. Chciałbym, aby więcej osób wiedziało o intymnych powiązaniach między logiką, obliczeniami i topologią.
— Andrej Bauer,

6
@Andrej: Czy istnieje dobre odniesienie (szczególnie książka lub notatka z wykładu) na temat „intymnych połączeń między logiką, obliczeniami i topologią”?
— MS Dousti

25

Twardy rdzeń lematu Impagliazzo umożliwia zmianę kwantyfikatorów w kontekście założeń dotyczących twardości obliczeniowej. Oto oryginalny artykuł . Możesz znaleźć mnóstwo powiązanych artykułów i postów od Googling.

Lemat mówi, że jeśli dla każdego algorytmu A istnieje duży zestaw danych wejściowych, na których A nie oblicza stałej funkcji f, to w rzeczywistości istnieje duży zestaw danych wejściowych, na których każdy algorytm nie oblicza f z prawdopodobieństwem bliskim 1 / 2.

Ten lemat można udowodnić za pomocą twierdzenia min-max lub wzmocnienia (technika z teorii uczenia obliczeniowego), które są przykładami kwantyfikatorów przełączających.


3
To doskonały punkt.
— Suresh Venkat

17

Dla mnie „kanoniczny” dowód twierdzenia Karp-Lipton (że ) ma ten smak. Ale tutaj nie chodzi o rzeczywiste twierdzenie, w którym kwantyfikatory ulegają odwróceniu, ale raczej „kwantyfikatory” odwracane są w modelu obliczeń przemiennych, przy założeniu, że ma małe obwody.NP⊆P/poly⟹Π2P=Σ2PNP

Chcesz symulować obliczenia formularza

(∀y)(∃z)R(x,y,z)

gdzie jest predykatem czasu wielomianowego. Możesz to zrobić, odgadując mały obwód kątem (powiedzmy) satysfakcji, modyfikując aby sprawdzał się i tworzy zadowalające przypisanie, gdy jego dane wejściowe są zadowalające. Następnie przez całe utwórz instancję SAT równoważną i rozwiąż ją. Więc stworzyłeś równoważne obliczenie formularzaRCCyS(x,y)(∃z)R(x,y,z)

(∃C)(∀y)[S(x,y) jest zadowalające zgodnie z .C]


Wybitny! Jest to przykład przełączania kwantyfikatora opartego na założeniach.
— MS Dousti

Chociaż jest to całkowicie poprawne, chciałem zasugerować napisanie zamiast , ponieważ NP nigdy nie może równać się P / poly. NP⊂P/polyNP⊆P/poly
— MS Dousti

12

Podstawowe zastosowanie związku związanego w metodzie probabilistycznej można interpretować jako sposób na odwrócenie kolejności kwantyfikatorów. Chociaż jest to już wspomniane w pytaniu w sposób dorozumiany, ponieważ dowód Impagliazzo i Rudicha jest tego przykładem, uważam, że warto to powiedzieć bardziej wyraźnie.

Załóżmy, że X jest skończony i że dla każdego x ∈ X wiemy nie tylko, że niektóre y ∈ Y spełniają φ ( x , y ), ale także że wiele opcji y ∈ Y spełnia φ ( x , y ). Formalnie załóżmy, że wiemy (∀ x ∈ X ) Pr y ∈ Y [¬φ ( x , y )] <1 / | X | dla pewnej miary probabilistycznej na Y. Następnie związek związany pozwala stwierdzić Pr y ∈ Y [(∃ x ∈ X ) Ź φ ( x , y )] <1, co odpowiada (∃ y ∈ Y ) (∀ x ∈ X ) cp ( x , y ).

Istnieją odmiany tego argumentu:

  1. Jeśli X jest nieskończony, czasami możemy dyskretyzować X , biorąc pod uwagę odpowiednią metrykę na X i jej wartość ε- net. Po dyskretyzacji X możemy użyć związku związanego jak wyżej.

  2. Kiedy zdarzenia φ ( x , y ) dla różnych wartości x są prawie niezależne, możemy użyć lokalnego lematu Lovásza zamiast związać związkiem.


2
Tsuyoshi, to okropnie nie na temat, ale czas nominować się jako moderator :)
— Suresh Venkat

10

Chciałbym dodać kilka innych technik. Chociaż dwie pierwsze techniki nie służą do odwrócenia kolejności uniwersalnych i egzystencjalnych kwantyfikatorów, mają bardzo podobny smak. Dlatego skorzystałem z okazji, aby opisać je tutaj:

Uśrednianie Lemmy: Służy do udowodnienia i wielu innych interesujących twierdzeń. Nieformalnie załóżmy, że oznacza zbiór subskrybentów jakiejś biblioteki, oznacza zbiór książek w bibliotece, a dla i , propozycja jest prawdziwa dla subskrybenta lubi książkę . ” Lemat uśredniający stwierdza, że: jeśli dla każdego istnieje co najmniej 2/3 w tak że utrzymuje, to istnieje jedenBPP⊂P/polySBs∈Sb∈Bϕ(s,b)sbs∈SbBϕ(s,b)b∈BTak, że co najmniej 2/3 „s w , propozycja posiada. (Można to łatwo udowodnić za pomocą reductio ad absurdum i argumentu liczącego.)sSϕ(s,b)

Teraz niech i niech być maszyną PPT który decyduje . Załóżmy, że czas działania jest ograniczony przez wielomian . Następnie, dla każdego i dla co najmniej 2/3 , s , to utrzymuje, że . Tutaj jest maszyny , która wykorzystuje losowość i jest funkcją charakterystyczną . Lemat uśredniający jest następnie używany, aby pokazać, że dla dowolnegoL∈BPPM(⋅)LMq(⋅)x∈{0,1}∗rr∈{0,1}q(|x|)Mr(x)=χL(x)Mr(⋅)MrχL(⋅)Ln∈N, istnieje pojedynczy , taki że dla co najmniej 2/3 długości , . Ten pojedynczy działa jako rada dla , a zatem .r∈{0,1}q(n)xnMr(x)=χL(x)rMBPP⊂P/poly

NOTE: I re-emphasize that this is not a quantifier switching technique, but it has the same spirit.

Zamiana lematu: Zachos i Fürer wprowadzili nowy kwantyfikator probabilistyczny (co z grubsza oznacza „dla większości”). Udowodnili, że (pomijając szczegóły):∃+

(∀y)(∃+z)ϕ(x,y,z)⇒(∃+C)(∀y)(∃z∈C)ϕ(x,y,z)

Zauważ, że jest to twierdzenie logiczne drugiego rzędu.

Korzystając z lematu wymiany, udowodnili szereg interesujących twierdzeń, takich jak twierdzenie BPP i twierdzenie Babai'ego . Więcej informacji odsyłam do oryginalnej pracy.MA⊆AM

Twierdzenie podobny do Karp-Lipton twierdzenia wymienionego w Ryan Williams słupka: .coNP⊂NP/Poly⟹Π3P=Σ3P


Nitpicking: Chciałbym zauważyć, że faktyczny dowód BPP⊆P / poly wymaga nieco więcej niż tu napisano, ponieważ ciąg wskazówek, który działa tylko dla 2/3 części przypadków, jest niewystarczający. Myślę jednak, że ważnym punktem pierwszej połowy tej odpowiedzi jest to, że dowód BPP⊆P / poli można postrzegać jako coś podobnego do odwrócenia kwantyfikatora, co jest całkowicie poprawne.
— Tsuyoshi Ito,

@Tsuyoshi: Masz rację. Ale pozostała część dowodu wykorzystuje sekwencyjne powtarzanie i ograniczenie Chernoffa, aby udowodnić istnienie który działa dla wszystkich oprócz wykładniczo małej części danych wejściowych; i jak powiedziałeś, nie ma to nic wspólnego z odwróceniem kwantyfikatora, więc go pominąłem. r
— MS Dousti

Nie jestem pewien, czy rozumiesz. Chodzi mi o to, że stwierdzenie „lematu uśredniającego” nie jest wystarczające, aby udowodnić BPP⊆P / poly. Potrzebujesz nieco dokładniejszego oszacowania, a mianowicie oszacowania oczekiwanego prawdopodobieństwa E_b [Pr_s φ (s, b)] zamiast max_b [Pr_s φ (s, b)].
— Tsuyoshi Ito

@Tsuyoshi: Obawiam się, że cię nie dostałem. W poprzednim komentarzu zauważyłem, że najpierw wzmacniamy błąd 1/3 do , a następnie stosujemy lemat uśredniający. Oto pełny dowód zaczerpnięty z książki Goldreicha. Czy coś brakuje? 2−|x|
— MS Dousti

Dzięki! Nie zrozumiałem twojego komentarza. Nie wiedziałem, że BPP⊆P / poli można udowodnić, najpierw zmniejszając błąd, a następnie stosując lemat uśredniający (myślałem o odwrotnej kolejności).
— Tsuyoshi Ito
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.