Yoğun bir lineer operatörün OR-devresi karmaşıklığı


14

Aşağıdaki basit monoton devre modelini düşünün: her kapı sadece bir ikili OR'dir. fonksiyonunun karmaşıklığı nedir; burada A , O ( n ) 0'lara sahip bir Boole n × n matrisidir ? Doğrusal boyutlu OR devreleri ile hesaplanabilir mi?f(x)=AxAn×nO(n)

Daha resmi olarak, n ila n bit arasında bir işlevdir . İ arasında inci çıkış f olduğu ⋁ n j = 1 ( A ı j ∧ x j ) (diğer bir deyişle, bir OR tarafından verilen giriş bit alt kümesinin i arasında inci satır A ).fnnif⋁j=1n(Aij∧xj)iA

Not bu 0 en sıraları bölünmüş A içine O ( n ) aralıkları (ardışık elemanlardan oluşan alt- [ n ] ). Bu, bilinen aralık sorgu veri yapılarının kullanılmasını mümkün kılar. Örneğin, seyrek bir tablo veri yapısı O boyutunda bir OR devresine ( n log n ) dönüştürülebilir . Yao algoritması Aralığı Yarıgrup operatör sorguları için boyutu (neredeyse doğrusal bir devre haline olabilir , O ( α ( n ) ⋅ n )O(n)AO(n)[n]O(nlog⁡n)O(α(n)⋅n) ters Ackermann)α(n)

Özellikle, her bir satırının tam olarak iki sıfır içerdiği özel bir durum için doğrusal boyut devresinin nasıl oluşturulacağını bile bilmiyorum . Her sırada tam olarak bir sıfır olması kolaydır. (Her çıkış işlevi, 2 n OR geçidi ile önceden hesaplanabilen bir [ 1 .. k - 1 ] önekinin OR'si ve [ k + 1 .. n ] sonekiyle hesaplanabilir .)A[1..k−1][k+1..n]2n


3
Bir üst sınır bilinmektedir: en çok rk (A) çarpı n, log n'ye bölünür; burada rk (A), bir A boolean matrisinin OR-sıralamasıdır (= VEYA A ile çakışan minimum-1 alt-matrisin minimum sayısı ). Bu kitaptaki Lemma 2.5'e bakınız . Peki, O (n) sıfırlı bir nxn matrisinin boolean sıralaması ne kadar büyük olabilir?
— Stasys

@Stasys Teşekkürler, Stasys! Zaten diyagonal sıfır olan matris için OR sırası doğrusaldır, değil mi?
— Alexander S.Kulikov

2
Matrisinizin OR sırası (sıfır çapraz ve başka bir yerde 1s) en fazla 2 \ log n: satırları / sütunları \ log n ikili dizeleriyle etiketleyin ve dikdörtgenleri {(r, c): r (i) = a, 0,1 için a, c (i) = 1-a}. Ayrıca Lemma 2.5'in bir üst sınır olduğuna dikkat edin . Bir alt yönünden bağlı YA rütbe THM verilmiştir. 3.20. Ayrıca, OR sıralamasının kaydı tam olarak matrislerin belirsiz olmayan iletişim karmaşıklığıdır.
— Stasys

@Stasys oh, evet, doğru!
— Alexander

Yanıtlar:


7

Bu, her satırdaki veya her sütundaki sıfır sayısı üzerinde bir üst sınırımız olduğunda kısmi (olumlu) bir cevaptır.

Bir dikdörtgen bir bütün-1 submatrix oluşan ve başka bir yerde sıfır olan bir Boole matristir. Bir OR-seviye bir Boole matris en küçük sayı R şekilde dikdörtgenler bir bir (componentwise) şekilde yazılabilir olabilir veya bu dikdörtgenler. Yani, A'nın her 1 girişi , dikdörtgenlerden en az birinde 1 giriştir ve A'nın her 0 girişi, tüm dikdörtgenlerde 0 giriştir. Not günlük r k ( A ) tam matris nondeterministic iletişim karmaşıklığıdır Ark(A)rAAAlog⁡rk(A)A(burada Alice satırlar ve Bob sütunları alır). OP'nin yazdığı gibi, her boolean matrisi A = ( a i , j ) y = A x eşlemesini tanımlar , burada y i = ⋁ n j = 1 a i , i = 1 , … , m için j x j . Yani, boole döneminin üzerine bir matris-vektör ürünü alıyoruz. m×nA=(ai,j)y=Axyi=⋁j=1nai,jxji=1,…,m

Aşağıdaki lemmanın nedeni Pudlák ve Rödl'dir; doğrudan bir yapım için bu makaledeki Önerme 10.1'e veya bu kitaptaki Lemma 2.5'e bakınız .

Lemma 1: Her boolean matrisi A için , y = A x eşlemesi , en fazla O ( r k ( A ) ⋅ n / log n ) kablosu kullanılarak sınırsız bir derinlik-3 fanin OR-devresi ile hesaplanabilir . n×nAy=AxO(rk(A)⋅n/log⁡n)

Ayrıca yoğun matrislerin OR-sıralamasında aşağıdaki üst sınırlara sahibiz. Argüman bu makalede Alon tarafından kullanılanın basit bir varyasyonudur .

Lemma 2: Boole matris her sütunu veya her satırı en fazla d sıfır içeriyorsa, r k ( A ) = O ( d ln | A | ) , burada | A | sayısıdır 1 de s A . Adrk(A)=O(dln⁡|A|)|A|1A

İspat: Her sırayı bağımsız olarak aynı olasılıkla p = 1 / ( d + 1 ) seçerek rastgele bir all- matrisi R oluşturun . Let Ben satırların elde rastgele alt kümesi. O zaman R = I × J olsun , burada J , I'deki satırlarda sıfır olmayan tüm A sütunlarının kümesidir . 1Rp=1/(d+1)IR=I×JJAI

Bir -Giriş ( i , j ) bir A ile kaplıdır R ise ı olarak seçildi I ve (en hiçbiri d bir ile) sıralar , 0 içinde j -inci sütun içinde seçildi I . Dolayısıyla, giriş ( i , j ) en az p ( 1 - p ) d ≥ p e - p d - p 2 d prob ile kaplıdır.1(i,j)ARiId0jI(i,j) . R dikdörtgenlerinielde etmek içinbu prosedürü r kezuygularsak, ( i , j ) ' nin bu dikdörtgenlerin hiçbirinin kapsamadığıolasılığı ( 1 - p / e ) r ≤ e - r p / e değerini aşmaz. Sendikaya bağlı olarak, A'nın bazı 1 girişlerininaçıkkalmaolasılığıen fazla | A | ⋅ E - r p / ep(1−p)d≥pe−pd−p2d≥p/err(i,j)(1−p/e)r≤e−rp/e1A|A|⋅e−rp/er = O ( d ln | A | ) için küçüktür . ◻1r=O(dln⁡|A|)◻

Sonuç: Boole matrisinin her sütunu veya her satırı en fazla d sıfır içeriyorsa, y = A x eşlemesi O ( d n ) telleri kullanılarak derinlik-3'ün sınırsız bir fanin OR devresi ile hesaplanabilir . Ady=AxO(dn)

Lemma 2'deki gibi bir üst sınırın da bir sütunda (veya bir satırda) ortalama 1 sn olduğu zaman tutması gerektiğini tahmin ediyorum . Bunu göstermek ilginç olurdu.d1


Not: (2018/04/01 ilave) bir analog olduğunda lemma 2 de geçerli d olan maksimum ortalama sayısı bir submatrix sıfırların A , burada ortalama sayısı sıfır arasında bir r x s matris bölünmesiyle sıfırların toplam sayısı s + r . Bu, N. Eaton ve V. Rödl'deki Teorem 2'den ; Küçük boyutlu grafikler, Combinatorica 16 (1) (1996) 59-85 . Biraz daha kötü bir üst sınırrk(A)=O(d2log⁡n)dAr×ss+r aşağıdaki gibi lemma 2 doğrudan elde edilebilir.rk(A)=O(d2ln2⁡n)

Lemma 3: Let . Bir bipartit grafiğin her kapsayan alt grafiğinin ise G ortalama derecesi vardır ≤ d , ardından G, bir birlik olarak yazılabilir G = G 1 ∪ G 2 maksimum derecesinin sol G 1 ve en fazla doğru derecede G 2 olan ≤ d . d≥1G≤dGG=G1∪G2G1G2≤d

Korumalı: İndüksiyon numarası ile köşe. Temel vakalar n = 1 ve n = 2 açıktır. İndüksiyon adımı için, kenarları mavi ve kırmızı olarak renklendireceğiz, böylece hem mavi hem de kırmızı alt bölümlerdeki maksimum derece ≤ d olacaktır . Bir köşe al u derece ≤ d ; böyle bir tepe noktası mevcut olmalıdır, çünkü tüm grafiğin ortalama derecesi ≤ d olmalıdır . Eğer u sol kısmına aittir, ardından bütün kenarları olayı renklendirmek u mavi, başka renkte Kırmızı renkli tüm bu kenarları. U tepe noktasını kaldırırsaknn=1n=2≤du≤d≤duuuelde edilen grafik ortalama derecesi de en fazla d'dir ve bu grafiğin kenarlarını indüksiyon hipotezi ile renklendirebiliriz. ◻Gd◻

Lemma 4: Let . Boole n × n matrisindeki maksimum ortalama sıfır sayısı A = ( a i , j ) en fazla d ise , r k ( A ) = O ( d 2 ln 2 n ) . d≥1n×nA=(ai,j)drk(A)=O(d2ln2⁡n)

Korumalı: ikili göz önünde grafik G ile ( i , j ) olmak ancak ve ancak, bir kenar , bir i , j = 0 . O zaman maksimum ortalama G derecesi en fazla d olur . Lemma 3 ile, yazabiliriz G = G 1 ∪ G 2 sol kısmında köşe azami derecede, G 1 ve sağ tarafında köşe azami derecede G 2 olduğu ≤ d . İzin Vermekn×nG(i,j)ai,j=0GdG=G1∪G2G1G2≤d ve A 2 bitişik olması matrislerin tamamlayıcı olabilir G 1 ve G 2 . Bu nedenle, bir = A 1 ∧ bir 2 olan bir componentwise ve bu matrisler. Her satırda sıfır sayısı A 1 ve her bir sütunda A 2 en fazla olduğu , d . Yana r k ( A ) ≤ r k ( A 1 ) ⋅ r k ( A 2 )A1A2G1G2A=A1∧A2A1A2drk(A)≤rk(A1)⋅rk(A2), Lemma 2 verimler . ◻rk(A)=O(d2ln2⁡n)◻

Not : Aşağıdaki basit örnek (Igor Sergeev tarafından işaret edilmiştir) cevabın sonundaki "tahminimin" tamamen yanlış olduğunu gösterir: yı A matrisinin tamamındaki ortalama sıfır sayısı olarak alırsak (değil tüm alt matrislerde maksimum ortalamalar), o zaman Lemma 2 kötü bir şekilde başarısız olabilir. Let m = √d=d(A)A vem×mmatrisini girin,A'nınsol üst köşesini söyleyinve kalan girişleri olanlar ile doldurun. Daha sonrad(A)≤m2/2N<1, ancakrk(A)≥molup,katlanarakdaha büyükln| A| . Bununla birlikte, bu matrisin OR karmaşıklığının çok küçük olduğuna dikkat edin,O(n). Yani,doğrudanargümanlar (sıralama yoluyla değil)m=nm×mAd(A)≤m2/2n<1rk(A)≥mln⁡|A|O(n)yoğun matrislerin OR karmaşıklığı üzerinde çok daha iyi üst sınırlar verebilir .


Çok teşekkürler, Stasys! Bu güzel! Bu sırada Ivan Mihajlin başka bir kanıtla geldi. Aşağıda yayınladım.
— Alexander

2

(Bunu yukarıdaki Stasys'in cevabına bir yorum olarak göndermeye çalıştım, ancak bu metin bir yorum için çok uzun, bu yüzden bir cevap olarak gönderiyor.) Ivan Mihajlin (@ivmihajlin) aşağıdaki inşaat ile geldi. Stasys'in kanıtına benzer şekilde, her bir satırdaki maksimum (ortalamadan ziyade) 0 sayısının sınırlandığı durumda çalışır.

İlk olarak, her satırın tam olarak iki sıfır içerdiği durumu düşünün. Aşağıdaki yönlendirilmemiş grafiği düşünün: köşe kümesi ; iki düğüm i ve j, sütun sıfır olan bir satır yoksa, bir kenar ile birleştirilir i ve j . Grafiğin n kenarı vardır ve bu nedenle en az n / 2 boyutunda bir kesim ( L , R ) içerir . Bu kesim matrisin sütunlarını iki parçaya ayırır ( L ve R ). Şimdi sıraları iki kısma ayırın: üst kısım T[n]ijijn(L,R)n/2LRT ve R'de tam olarak bir sıfıra sahip tüm sütunları içerir ; alt kısım B , kalan tüm satırları içerir. Matrisin ( T × ( L ∪ R ) ) üst kısmı hakkında güzel olan, O ( n ) kapıları ile hesaplanabilmesidir . Alt kısım için, tüm 1 sütunu keselim ve özyinelemeli bir çağrı yapalım. Karşılık gelen rekürrens ilişkisi C ( n'yi ima eden C ( n ) ≤ a n + C ( n / 2 ) 'dir.LRBT×(L∪R)O(n)C(n)≤an+C(n/2) .C(n)=O(n)

Şimdi, her satırda en fazla sıfır olması durumunda genelleştirin . Let Cı D ( n ) , bir karmaşıklığı olmak n x ( ≤ d n ) en matristen d satır başına sıfırların (birden fazla varsa, d , n bölümlerinden daha sonra bazıları hepsi 1) vardır. Sütunları en az n ( 1 - 2 - d ) satır ( T olarak adlandırın ) aşağıdaki özelliği karşılayacak şekilde iki parça L ve R'ye bölün : tam olarak d varsadCd(n)n×(≤dn)ddnLRn(1−2−d)Tdsırayla sıfırlar, o zaman hepsi aynı parçaya ait değildir (kalan satırları belirtin ). Ardından üç özyineli çağrı yapın: T × L , T × R ve B × ( L ∪ R ) . Bu tekrarlama ilişkisi verir C d ( n ) ≤ a n + 2 ⋅ C d - 1 ( n ( 1 - 2 - d ) ) + C d ( 2BT×LT×RB×(L∪R). Bu da, anlamına gelir Cı D (n)≤f(d)⋅n. Fonksiyonf(d), ancak yine de, üstel bir. Cd(n)≤an+2⋅Cd−1(n(1−2−d))+Cd(2−dn)Cd(n)≤f(d)⋅nf(d)


Güzel bir argüman. Ancak sıra başına d = 2 sıfır olduğu için özel yapılmış gibi görünüyor. D> 2 sıfırları ne olacak?
— Stasys

@Stasys, yanılmıyorsam yapılabilir. Cevabı güncelledim.
— Alexander
Sitemizi kullandığınızda şunları okuyup anladığınızı kabul etmiş olursunuz: Çerez Politikası ve Gizlilik Politikası.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.