PCP-теорема
Теорема ( | теорема):
Классическое доказательство теоремы громоздкое и довольно сложное для восприятия, рассмотрим вариант докаательства, предложенный Динуром.
Лемма об эквивалентности PCP теоремы и NP-трудности GAP-3SAT
Определение: |
Задача
| :
Лемма: |
теорема эквивалентна вопросу принадлежности
классу -трудных задач для некоторого . |
Доказательство: |
Сначала докажем, что из теоремы следует -трудность .Заметим, что для -полной задачи существует сведение к .Из принадлежности и теоремы следует, что существует доказательство прувера . Обозначим -й бит доказательства (не его значение), будем рассматривать как переменные в формуле.По данному графу , нумерует все возможные случайные строки, которые может выбрать верифаер . Обозначим их .Каждая строка дает нам позиций в доказательстве и предикат . строит формулу для каждого . Поскольку функция от </tex>C</tex> пременных, построенная содержит не более дизъюнктов. Для упрощения будем считать, что формула содержит дизъюнктов. возвращает конъюнкцию всех полученных формул, содержащую дизъюнктов.Можно заметить, что из по теореме следует, что существует , удовлетворяющее всем проверкам . Таким образом все дизъюнктов могут быть удовлетворены и , что и требуется для корректности сведения .Однако, если , хотя бы проверок должны привести к отрицательному результату. Если приводит к отрицательному ответу, формула, построенная по соответствующему предикату должна быть неудовлетворимой, значит не больше дизъюнктов могут быть удовлетворены. Суммарное количество дизъюнктов, которое может быть удовлетворено:
Мы показали, что из теоремы следует -трудность задачи . Теперь покажем, что из -трудности задачи следует теорема.В предположении -трудности задачи любая -полная задача, например может быть сведена к . Таким образом мы можем свести к формуле такой , что:
Имея такое сведение мы построим и доказательство прувера для системы. запускает функцию сведения во время предподсчета, доказателтьство для данной формулы представляет собой значения пременных . случайно выбирает дизъюнкт из и проверяет, что он удовлетворяется .Понятно, что если Таким образом мы показали эвивалентность , то по определению любой дизъюнкт, выбранный будет удовлетворен, поскольку . Если же , мы знаем, что , опять же по определению . Тaким образом вероятность того, что выберет удовлетворенный дизъюнкт меньше . Так как — константа, повторяя процесс мы можем сделать вероятность меньше . теоремы вопросу -трудности задачи . |
Определения и леммы, используемые в доказательстве
Определение: |
назовем множеством условий над множеством переменных . |
Определение: |
Число неудовлетворенности | — минимальное подмножество неудовлетворенных условий для любых возможных назначений . удовлетворимо тогда и только тогда, когда . Если же неудовлетворимо, тогда .
Графы условий
Нам понадобятся графы ограничений для двух переменных, которые определяются следующим образом:
Определение: |
| называется графом условий, если:
Присваивание это отображение , которое назначает каждой вершине из
значение из . Для любого присвоения определим и .
Назовем
числом неудовлетворенности графа . Размером графа будем считать размер его описанияЛемма: |
Для заданного графа условий , где проверка утверждения — -трудная задача. |
Доказательство: |
Сведем | к нашей задаче. Дан граф , алфавит для трех цветов. Оснастим ребра условиями неравенства. Очевидно, что тогда и только тогда, когда для графа условий и графа, лежащего в его основе).
Экспандер графы
Экспандер графы играют важную роль во многих теоретических результатах.
Определение: |
-регулярный граф. Положим равным количеству ребер их подмножества в его дополнение. Определим реберное расширение как |
Лемма (О экспандерах): |
Существует и такие, что есть построимое за полиномиальное время семейство -регулярных графов с вершинами таких, что . |
Доказательство: |
см. The PCP Theorem by Gap Amplification, Irit Dinur, 2005 |
Лемма: |
Пусть -регулярный граф, а его реберное расширение. Тогда |
Определение: |
Собственным числом графа | называют собственное число его матрицы смежности.
Лемма: |
Пусть -регулярный граф со вторым по величине собственным числом . Пусть множество ребер. Вероятность того, что случайный путь, начинающийся со случайного ребра из на шаге попадет ограничена . |
Доказательство: |
см. The PCP Theorem by Gap Amplification, Irit Dinur, 2005 |
Операции на графах условий
Для доказательства
теоремы потребуются три операции над графами уловий:- Препроцессинг. Простая операция, сохраняющая чило неудовлетворенности(примерно) и размер алфавита, но делающая граф лучше.
- Усиление. Эта операция увеоичивает чило неудовлетворенности за счет увеличения размера алфавита.
- Композицияю Эта операция уменьшает размер алфавита, сохраняя число неудовлетворенности(приблизительно).
Препроцессинг
Под хорошим графом будем понимать регулярный, фиксированной степени экспандер граф.
Лемма (Препроцессинг): |
существуют константы и такие, что любой граф условий может быть преобразован в граф условий такой, что:
|
Заметим, что третий пункт теммы гарантирует поддержание полноты, т.е. если
, то и . Доказательство этой леммы состоит из двух следующих лемм ( ).Лемма (Константная степень): |
Любой граф условий может быть преобразован в -регулярный граф условий такой, что =2 |
Доказательство: |
см. The PCP Theorem by Gap Amplification, Irit Dinur, 2005 |
Эта лемма известна как экспандер-замена(expander-replacement transformation).
Лемма (О расширении): |
Пусть некоторые константы. Любой -регулярный граф условий может быть преобразован в такой, что:
|
Доказательство: |
см. The PCP Theorem by Gap Amplification, Irit Dinur, 2005 |
Усиление
Это новая операция на системах условий, которая увеличивает число неудовлетворенности. Пусть
. Определим как следующий граф условий:- Веришины совпадают с вершинами
- Ребра: и соединены ребрами в , если количество путей длины из в в графе равно
- Алфавит: алфавит графа , где каждой вершине сопоставлены значения ее соседей, достижимых за шагов.
- Условия: Условия сопоставленные ребру удовлетворены, если назначения для и согласованы с назначениями, удовлетворяющими условия, порожденные соседями и .
Если
тогда очевидно . Интереснее доказательство того, что .Лемма (Усиление): |
Пусть и произвольные константы. Тогда существует константа и для любого -регулярного графа условий с собственными циклами и ,. |
Доказательство: |
см. The PCP Theorem by Gap Amplification, Irit Dinur, 2005 |
Поскольку
, из жтой леммы следует что . Это основная техническая лемма.Композиция
Определение: |
Тестер присвоений с алфавитом
| и вероятностью отклонения это полиномиальное преобразование , принимающее на вход схему над будевыми переменными и дающую на выходе граф условий такой, что (в условном графе играет одновременно две роли: переменных и вершин. подразумевает, что некоторые вершины из определены с помощью переменных ). Пусть и — присваивание.
Следует заметить, что не накладывается никаких ограничений ни на время работы ни на . Мы игнорируем размер схемы , которая может быть экспоненциальна относительно .
Лемма (Композиция): |
Пусть существует тестер присвоений с константной вероятностью отклонения и алфавитом , . Тогда существует , зависящая только от , такая что любой граф условий может быть преобразован в , обозначаемый , такой что и |
Доказательство: |
см. The PCP Theorem by Gap Amplification, Irit Dinur, 2005 |
Основная теорема
Основываясь на операциях с графами условий мы можем доказать основную теорему.
Теорема (Основная теорема): |
Для любого , существуют константы и такие, что для данного графа условий за полиномиальное время можно построить граф условий такой, что:
|
Доказательство: |
Построим по следующим образом: .
Проверим выполнение условий теоремы. Размер линеен относительно размера , поскольку на каждом шагу увеличивался линейно. Полнота явно поддерживается на каждом шаге. Теперь выберем . Пусть . Таким образом, |
Доказательство PCP теоремы
Лемма: |
Следствием из основной теоремы является -трудность . |
Доказательство: |
Сведем удовлетворимость графа условий к нашей задаче. Пусть задача удовлетворимости некоторого графа с . Идей состоит в повторении применения основной теоремы до тех пор, пока число неудовлетворенности не станет постоянным.Пусть и — результат применения основной теоремы к . Тогда для — граф условий с алфавитом . Пусть — множество ребер .Полнота показывается тривиально: если , то для всех . Для обоснованности рассмотрим . Если для некоторого , , то из основной теоремы следует, что для всех . На остальные это распространяется по индукции .Если Мы доказали, что , то . Конечно, . Таким образом . -трудная. В частности, для , надо преобразовать каждое условие к константное число дизъюнктов . |
Дополнительные материалы
- Linial and A. Wigderson. Expander graphs and their applications. Lecture notes of a course, 2003.
- Michael Sipser and Daniel A. Spielman. Expander codes. IEEE Trans. Inform. Theory, 42(6, part 1):1710–1722, 1996. Codes and complexity.
- C. Papadimitriou and M. Yannakakis. Optimization, approximation and complexity classes. Journal of Computer and System Sciences, 3:425–440, 1991.
- Irit Dinur and Omer Reingold. Assignment testers: Towards combinatorial proofs of the PCP theorem. In Proceedings of the 45th Symposium on Foundations of Computer Science (FOCS), 2004.