Сложностные классы. Вычисления с оракулом

В начале 1960-х годов, в связи с началом широкого использования вычислительной техники для решения практических задач, возник вопрос о границах практической применимости данного алгоритма решения задачи в смысле ограничений на её размерность. Какие задачи могут быть решены на ЭВМ за реальное время?

Ответ на этот вопрос был дан в работах Кобхэма (Alan Cobham, 1964) и Эдмондса (Jack Edmonds, 1965), где были введены сложностные классы задач. К ним относятся классы P, NP и т.д.

Слож­ность ал­го­рит­ма - ве­ли­чи­на, ха­ра­к­те­ри­зу­ющая дли­ну опи­са­ния ал­го­рит­ма или гро­мо­зд­кость про­цес­сов его при­ме­не­ния к ис­хо­дным дан­ным.

В основных понятиях теории сложности используются такие величины как время работы и объем затрачиваемой памяти.

Определение:

[math]\mathrm{T}(p,x)[/math] — время работы программы р на входе х.

Определение:

[math]\mathrm{S}(p,x)[/math] — объем памяти, требуемый программе р для выполнения на входе х.

Введём понятия [math]\mathrm{DTIME}[/math] и [math]\mathrm{DSPACE}[/math], аналогичным образом определяются классы [math]\mathrm{NSPACE}[/math] и [math]\mathrm{NTIME}[/math] (префикс [math]\mathrm{D}[/math] соответствует детерминизму, а [math]\mathrm{N}[/math] — недетерминизму). Через них будет дано определение многим сложностным классам.

Определение:

[math]\mathrm{DTIME}(f(n))[/math] — класс языков [math]L[/math], для которых существует детерминированная программа [math]p[/math] такая, что [math]L(p)=L[/math] и для любого [math]x[/math] из [math]L[/math] выполнено [math]\mathrm{T}(p,x) = O(f(n))[/math] (здесь [math]n[/math] — длина [math]x[/math]).

Определение:

[math]\mathrm{DSPACE}(f(n))[/math] — класс языков [math]L[/math], для которых существует детерминированная программа [math]p[/math] такая, что [math]L(p)=L[/math] и для любого [math]x[/math] из [math]L[/math] выполнено [math]\mathrm{S}(p,x) = O(f(n))[/math] (здесь [math]n[/math] — длина [math]x[/math]).

Определение:

[math]\mathrm{TS}(f,g)[/math] — класс языков [math]L[/math], для которых существует детерминированная программа [math]p[/math] такая, что [math]L(p)=L[/math] и для любого [math]x[/math] из [math]L[/math] выполнено [math]\mathrm{T}(p,x) = O(f(n))[/math] и [math]\mathrm{S}(p,x) = O(g(n))[/math], где [math]x[/math] — длина входа.

Вычисление с оракулом

В теории вычислений и теории сложности Машиной с оракулом называют абстрактную машину, предназначенную для решения какой-либо проблемы разрешимости. Такая машина может быть представлена как машина Тьюринга, дополненная оракулом с неизвестным внутренним устройством. Постулируется, что оракул способен решить определенные проблемы разрешимости за один такт машины Тьюринга. Машина Тьюринга взаимодействует с оракулом путем записи на свою ленту входных данных для оракула и затем запуском оракула на исполнение. За один шаг оракул вычисляет функцию, стирает входные данные и пишет выходные данные на ленту. Иногда машина Тьюринга описывается как имеющая две ленты, одна предназначена для входных данных оракула, другая — для выходных.

Определение:

Оракул — программа [math]A(x)[/math], вычисляющая за [math]O(1)[/math] времени, верно ли, что [math]x \in A[/math].

Сложностный класс задач, решаемых алгоритмом из класса [math]\mathrm{C}[/math] с оракулом для языка [math]\mathrm{A}[/math], обозначают [math]\mathrm{C^A}[/math]. Если [math]\mathrm{A}[/math] — множество языков, то [math]\mathrm{C^A} =\bigcup\limits_{D \in A}\mathrm{C^D}[/math].