모노톤 CNF가 모노톤 DNF를 내포하는지 여부를 결정하는 문제


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다음 결정 문제를 고려하십시오

입력 : 모노톤 CNF Φ 및 모노톤 DNF .Ψ

질문 : 는 팽팽한가요?Φ→Ψ

확실히 O(2n⋅poly(l)) 시간 에서이 문제를 해결할 수 있습니다 . 여기서 n 은 의 변수 수 Φ→Ψ이고 l 은 입력 길이입니다. 한편,이 문제는 coNP-complete입니다. 또한,도 세스되지 않는 프로그램을 CONP-완전성을 확립 감소가 전혀 없다 O(2(1/2−ε)npoly(l))이 문제에 대한 -time 알고리즘 (긍정적 인 ε ). 여기이 축소가 있습니다. 하자 A A (비 모노톤) CNF하고하자 x 의 변수가 될. 모든 양의 선두로부터 교체 x 하여 y 및 각 음의 선두로부터의 x 에 의해 z . 모든 변수에 대해 동일한 작업을 수행하십시오. 결과 모노톤 CNF를 하자 Φ. 이 있는지 쉽게 A IFF 만족할이다 Φ→yz∨… 동의어 반복 아니다. 이 감소는 2의 인자만큼 변수의 수를 날려 버립니다. 이는 2 n / 2 를 의미합니다2n/2 상기 언급 된 (SETH- 기반) 하한.

따라서 와 2 n 시간 사이에 간격이 있습니다. 내 질문은 더 나은 알고리즘이나 SETH에서 더 나은 축소가 알려져 있는지 여부입니다.2n/22n

문제와 관련이있는 것처럼 보이는 두 가지 언급 만 있습니다.

  • 모노톤 DNF가 모노톤 CNF를 암시하는지의 역 문제는 다항식 시간에서 사소하게 해결 될 수있다.

  • 흥미롭게도, 와 Ψ 가 동일한 함수를 계산 하는지를 결정하는 문제는 Fredman과 Khachiyan으로 인해 준 다항식 시간에 해결 될 수 있습니다 (단일 톤 분리 정규형의 이중화 복잡성, Journal of Algorithms 21 (1996), 3 번). , 618–628 페이지, doi : 10.1006 / jagm.1996.0062 )ΦΨ

답변:


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SETH를 가정하면 문제는 시간 O ( 2 ( 1 − ϵ ) n p o l y ( l ) 에서 해결할 수 없습니다 모든 대ε>0.O(2(1−ϵ)npoly(l))ϵ>0


먼저, 와 Ψ 가 임의의 모노톤 공식 일 수 있는보다 일반적인 문제에 대해서는 이것이 사실임을 보여 드리겠습니다 . 이 경우 TAUT에서 변수의 수를 보존하는 문제로의 poly-time ctt 감소가 있습니다. 렛츠 T N t ( X 0 , ... , X N - 1 ) 임계 값 기능을 나타낸다 T N t를 ( X 0 , ...ΦΨTtn(x0,…,xn−1) Ajtai–Komlós–Szemerédi 분류 네트워크를 사용하여T n t 는 시간poly(n)로구성 할 수있는 다항식 크기의 모노톤 공식으로 작성할 수 있습니다.

Ttn(x0,…,xn−1)=1⟺|{i<n:xi=1}|≥t.
Ttnpoly(n)

불리언 공식 주어지면 De Morgan 규칙을 사용하여 ϕ ′ ( x 0 , … , x n - 1 , ¬ x 0 , … , ¬ x 형식으로 쓸 수 있습니다. n - 1 ) ( 여기서, ϕ ' 는 모노톤 임) 그런 다음 ϕ ( x 0 , … , x n −ϕ(x0,…,xn−1)

ϕ′(x0,…,xn−1,¬x0,…,¬xn−1),
ϕ′은 단조의 의미 Tϕ(x0,…,xn−1) 모든t≤n에유효하며, 여기서 Ni=T n − 1 t (
Ttn(x0,…,xn−1)→ϕ′(x0,…,xn−1,N0,…,Nn−1)
t≤n
Ni=Ttn−1(x0,…,xi−1,xi+1,…,xn−1).

왼쪽에서 오른쪽으로의 의미를 위해, 가 T n t를 만족시키는 , 즉 적어도 t 개의 것을 갖는 할당 이라고하자 . 이 존재 전자 ' ≤ 전자 와 정확하게 t의 사람. 그러면 E ' ⊨ N 전 ↔ ¬ X 나 , 따라서 E ' ⊨ φ 의미 E ' ⊨ φ ' ( X 0 , ... , X N - 1 , N 0 , ...eTtnte′≤ete′⊨Ni↔¬xie′⊨ϕ . 이것은 모노톤 공식이므로 e ⊨ ϕ ' ( x 0 , … , x n - 1 , N 0 , … , N n - 1 ) 도 갖습니다. 오른쪽에서 왼쪽으로의 의미는 비슷합니다.e′⊨ϕ′(x0,…,xn−1,N0,…,Nn−1)e⊨ϕ′(x0,…,xn−1,N0,…,Nn−1)


이제 원래 문제로 돌아가 보겠습니다. 문제를 시간 에서 해결할 수있는 경우 k 에 대해 k -DNF-TAUT (또는 이중으로 k -SAT)를 시간 2 에서 해결할 수있는 경우2δnpoly(l)kkk. SETH가 유지되면δ≥1을의미합니다.2δn+O(knlog⁡n)poly(l)δ≥1

따라서, 우리는 주어진 것으로 가정 -DNF φ = ⋁ I < L ( ⋀ J ∈ 내가 X J ∧ ⋀ J ∈ B의 I ¬ X J ) , 여기서 | 전 | + | B 나는 | ≤ K 각 I . 우리는 n 개의 변수를 크기가 b ≈ √ 인 n ′ = n / b 블록 으로 나눕니다.k

ϕ=⋁i<l(⋀j∈Aixj∧⋀j∈Bi¬xj),
|Ai|+|Bi|≤kinn′=n/bb≈k−1nlog⁡nϕ
(∗)⋀u<n′Ttub(xbu,…,xb(u+1)−1)→⋁i<l(⋀j∈Aixj∧⋀j∈BiNj)
n′-tuple t0,…,tn′−1∈[0,b], where for any j=bu+j′, 0≤j′<b, we define
Nj=Ttub−1(xbu,…,xbu+j′−1,xbu+j′+1,…,xb(u+1)−1).
We can write Ttb as a monotone CNF of size O(2b), hence the LHS of (∗) is a monotone CNF of size O(n2b). On the right-hand side, we may write Nj as a monotone DNF of size O(2b). Thus, using distributivity, each disjunct of the RHS can be written as a monotone DNF of size O(2kb), and the whole RHS is a DNF of size O(l2kb). It follows that (∗) is an instance of our problem of size O(l2O(kb)) in n variables. By assumption, we may check its validity in time O(2δn+O(kb)lO(1)). We repeat this check for all bn′ choices of t→, thus the total time is
O((b+1)n/b2δn+O(kb)lO(1))=O(2δn+O(knlog⁡n)lO(1))
as claimed.

We get a tighter connection with the (S)ETH by considering the bounded-width version of the problem: for any k≥3, let k-MonImp denote the restriction of the problem where Φ is a k-CNF, and Ψ is a k-DNF. The (S)ETH concerns the constants

sk=inf{δ:k-SAT∈DTIME(2δn)},s∞=sup{sk:k≥3}.
Likewise, let us define
sk′=inf{δ:k-MonImp∈DTIME(2δn)},s∞′=sup{sk′:k≥3}.
Clearly,
s3′≤s4′≤⋯≤s∞′≤1
as in the SAT case. We also have
sk′≤sk,
and the double-variable reduction in the question shows
sk≤2sk′.
Now, if we apply the construction above with constant block-size b, we obtain
sk≤sbk′+log⁡(b+1)b,
hence
s∞=s∞′.
In particular, SETH is equivalent to s∞′=1, and ETH is equivalent to sk′>0 for all k≥3.

Thank you for your answer! I'm curious whether it is possible to make Φ and Ψ constant-depth in this construction? Namely, I'm not aware whether subexponential-size constant-depth monotone Boolean formulas (or even non-monotone circuits) are known for Tkn (in particular for Majority)? Of course there is a 2nΩ(1/d) lower bound for depth-d, but, say, 2n size would be OK.
— Sasha Kozachinskiy

Tkn, and in general anything computable by polynomial-size formulas (i.e., in NC^1), has depth-d circuits of size 2nO(1/d). See e.g. cstheory.stackexchange.com/q/14700 . I will have to think if you can make them monotone, but it sounds plausible.
— Emil Jeřábek supports Monica

OK. First, the generic construction works fine in the monotone setting: if a function has poly-size monotone formulas, it has depth-d monotone circuits of size 2nO(1/d)poly(n) for any d≥2. Second, for Tkn specifically, it is easy to construct monotone depth-3 circuits of size 2O(nlog⁡n) by splitting the input into blocks of size Θ(nlog⁡n).
— Emil Jeřábek supports Monica

Actually, pushing this idea a little bit more, it does provide an answer to the original question: assuming SETH, the lower bound holds already for Φ monotone CNF and Ψ monotone DNF. I will write it up later.
— Emil Jeřábek supports Monica

I would guess that you can divide all the variables into about n blocks x1,…xn and then write Tk1n(x1)∧…∧Tknn(xn)→ϕ′ for every k1+…+kn≤n. You can use 2n-size CNF for every threshold function. But then on a right hand side you will have not DNF but a depth-3 formula...
— Sasha Kozachinskiy
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