Дискретные функции и выполнимость ограничений

Обязательный курс для студентов 518/1 группы магистерской программы "Дискретные структуры и алгоритмы".

Спецкурс для студентов магистратуры.

Лектор - Селезнева Светлана Николаевна

Лекции - 2 ч в неделю.

Семинары - 1 ч в неделю (для студентов 518/1 группы).

Аннотация. Цель курса - показать, каким образом теория дискретных функций применяется при решении задачи обобщенной выполнимости. Задача обобщенной выполнимости, или выполнимости ограничений (англ. constraint satisfaction problem, CSP) состоит в выяснении выполнимости системы отношений, взятых из заранее известного множества S и связывающих произвольные переменные. При этом полагается, что в S входят отношения на конечном множестве A, |A| = k. В курсе показывается, что вычислительная сложность задачи S-выполнимости зависит только от функций, сохраняющих все отношения из S. Первая часть курса посвящена булевой выполнимости (k = 2). В ней рассматривается теорема Шефера о разделимости вычислительной сложности задачи булевой выполнимости. Вторая часть курса посвящена задаче S-выполнимости для произвольных конечных k > 2. Доказываются случаи NP-полноты этой задачи, а также рассматриваются ее полиномиальные случаи. Приводится теорема о разделимости вычислительной сложности задачи S-выполнимости для произвольных конечных k.

Лекции

Часть 1. Повторение.

Лекция 1. Вступление. Алгебра логики. Функции алгебры логики. Формулы. Полнота. Замкнутые классы. Классы T_0, T_1, L, S, M. Теорема Поста.

Лекция 2. Конъюнктивные нормальные формы. Имплицента, простая имплицента функции. Сокращенная КНФ функции. Способы построения сокращенной КНФ.

Лекция 3. Полином Жегалкина. Способы построения полинома Жегалкина функции. Линейная имплицента функции. Линейная конъюнктивная нормальная форма (ЛКНФ). Линейная соимплицента функции. Поиск всех линейных соимплицент функции.

Лекция 4. Задачи распознавания. Вычислительная сложность задачи. Классы P и NP, NP-полные задачи. NP-полнота задачи 3-раскраски графов. Задача обобщенной выполнимости.

Коллоквиум 1.

Часть 2. Обобщенная выполнимость.

Лекция 5. Слабо положительные и слабо отрицательные КНФ и функции. Критерии слабой положительности и слабой отрицательности функции. Полиномиальность проверки выполнимости слабо положительной и слабо отрицательной КНФ.

Лекция 6. Биюнктивные КНФ и функции. Критерий биюнктивности функции. Полиномиальность проверки выполнимости биюнктивной КНФ. Полиномиальность поиска решения выполнимой биюнктивной КНФ.

Лекция 7. ЛКНФ и мультиаффинные функции. Критерий мультиаффинности функции. Полиномиальность проверки выполнимости ЛКНФ. Функции, сохраняющие константу.

Лекция 8. Условная выразимость функций. Леммы об условной выразимости. Лемма о функции, не сохраняющий единицу, и о функции, сохраняющей ноль. Лемма о несамодополнительной функции. Лемма о самодополнительной функции.

Лекция 9. Лемма о не слабо положительной функции и не слабо отрицательной функции. Лемма о небиюнктивной функции и немультиаффинной функции. Условная выразимость дизъюнкции трех литералов.

Лекция 10. Теорема разделимости Шефера. Примеры.

Коллоквиум 2.

Часть 3. Выполнимость ограничений.

Лекция 11. Предикаты над конечным множеством. Формулы, S-формулы и замкнутые классы предикатов. Задача обобщенной выполнимости S-ВЫП. Вычислительная сложность некоторых задач S-ВЫП.

Лекция 12. Функции над конечным множеством. Формулы и замкнутые классы функций. Сохранение предиката функцией, полиморфизмы. Двузначный случай. Вычислительная сложность некоторых задач S-ВЫП. Теорема разделимости.

Коллоквиум 3.

Упражнения

Занятие 1. Сокращенная КНФ и способы ее построения.

Занятие 2. Полином Жегалкина. ЛКНФ и представимость ЛКНФ.

Занятие 3. Классы P и NP, NP-полнота.

Занятие 4. Слабо положительные и слабо отрицательные функции.

Занятие 5. Биюнктивные и мультиаффинные функции.

Занятие 6. Теорема разделимости Шефера.

Занятие 7. Доказательство NP-полноты некоторых задач.

Занятие 8. Доказательство полиномиальности некоторых задач.

Программа курса

• Функции алгебры логики. Конъюнктивные и дизъюнктивные нормальные формы (КНФ и ДНФ). Сокращенная КНФ и способы ее построения. Полиномы Жегалкина, быстрый способ построения полинома Жегалкина функции. Линейные конъюнктивные нормальные формы (ЛКНФ). Проверка представимости функции ЛКНФ.

• Задачи распознавания свойств. Классы P и NP. Полиномиальные, NP-трудные и NP-полные задачи. NP-полнота задач распознавания выполнимости КНФ (ВЫП) и 3-КНФ (3-ВЫП), полиномиальность задачи распознавания выполнимости 2-КНФ (2-ВЫП). Постановка задачи обобщенной выполнимости S-ВЫП.

• Слабо положительные, слабо отрицательные и биюнктивные КНФ и слабо положительные, слабо отрицательные и биюнктивные функции алгебры логики. Критерии слабой положительности, слабой отрицательности и биюнктивности функции. Полиномиальность распознавания выполнимости слабо положительной, слабо отрицательной и биюнктивной КНФ.

• Линейные и мультиаффинные функции алгебры логики. Приведенное представление мультиаффинной функции алгебры логики. Критерий мультиаффинности функции. Полиномиальность распознавания выполнимости конъюнкции приведенных представлений мультиаффинных функций.

• Условная выразимость функций алгебры логики, леммы об условной выразимости функций (о транзитивности, о замене множителя в конъюнктивной форме, о подстановке констант вместо переменных и о навешивании отрицаний над переменными). Лемма о функции, сохраняющей константу 0, и функции, не сохраняющей константу 1. Лемма о функции, не являющейся самодополнительной. Лемма о функции, не являющейся слабо положительной, и функции, не являющейся слабо отрицательной. Леммы о небиюнктивной функции и немультиаффинной функции. Теорема разделимости Шефера о сложности задачи обобщенной выполнимости S-ВЫП.