41
правка
Изменения
→Примеры #P-Complete задач
[[Файл:xor_block.png|thumb|200px|Блок XOR]]
[[Файл:blocks_connection.png|thumb|200px|Блок XOR]]
Докажем, что задача <tex>perm</tex> является <tex>\#P-</tex>полной. Нам известно, что задача <tex>\#SAT</tex> является <tex>\#P-</tex>полной. Аналогично задачам <tex>SAT</tex> и <tex>3SAT</tex> мы можем сказать, что задача <tex>\#SAT</tex> может быть сведена к задаче <tex>\#3SAT</tex>, которая также будет <tex>\#P-</tex>полной. Теперь сведем задачу <tex>\#3SAT</tex> к задаче <tex>perm</tex>.
По данной формуле <tex>\phi</tex> с <tex>n</tex> переменными и <tex>m</tex> клозами построим целочисленную матрицу <tex>A'</tex> такую, что <tex>perm(A')=4^m\cdot(\#\phi)</tex>, где <tex>\#\phi -</tex> количество удовлетворяющих подстановок для <tex>\phi</tex>. Для этого будем рассматривать матрицу <tex>A'</tex> как матрицу смежности двудольного графа <tex>G'</tex> : <tex>X = \{x_1 \ldots \, x_n\}, \, \{x_i, x_j\} \in V(G) \iff A_{i, j} = 1</tex>. Таким образом, нашей целью будет построение некоторого графа <tex>G'</tex>, матрицей смежности которого будет <tex>A'</tex>.
Для этого вначале по данной 3-КНФ формуле построим ориентированный граф <tex>G'</tex> таким образом, чтобы в нем существовали покрытия циклами двух видов: те, которые соответствуют удовлетворяющим назначениям, и те, которые не соответствуют. ПокажемНазовем покрытием ориентированного графа циклами такой подграф, что для любой вершины есть ровно одно входящее и исходящее ребро. Такой подграф должен состоять из циклов. Определим вес покрытия как произведение весов ребер, входящих в него. Тогда <tex>perm(A)</tex> равен сумме весов всех возможных покрытий циклами. Далее покажем, что любое удовлетворяющее назначение для формулы <tex>\phi</tex> будет добавлять <tex>4^m</tex> к <tex>perm(A')</tex>, а остальные не будут вносить вклад. Тогда <tex>perm(A')=4^m\cdot(\#\phi)</tex>.
Построение графа <tex>G'</tex> выполним за полиномиальное время. Для этого будем использовать три вида блоков.(Все ребра, для которых на схеме не указан вес, имеют вес <tex>1</tex>.)
'''Блок переменной'''. Блок каждой переменной имеет два покрытия циклами, соответствующие присвоению <tex>true</tex> или <tex>false</tex> данной переменной. Присвоение <tex>true</tex> соответствует покрытию, содержащему все "внешние" ребра, присвоение <tex>false</tex> соответствует циклупокрытию, включающему ребра-петлии ребро <tex>"false"</tex>. Каждое внешнее ребро ассоциировано с одним клозом, в котором присутствует данная переменная.
'''Блок клоза'''. Любое покрытие циклами для данного блока не содержит в себе как минимум одно внешнее ребро. И для любого подмножества внешних ребер (за исключением набора из всех ребер) существует единственное покрытие веса и его вес равен <tex>1</tex>. Каждое внешнее ребро рассматриваемого клоза ассоциировано с одной переменной, присутствующей в нем.
'''Блок XOR'''. Цель данного блока - убедиться, что для произвольной пары ребер <tex>uu'</tex> и <tex>vv'</tex> ровно одно из них присутствует в любом из покрытий циклами, учитывающемся в итоговой сумме. Допустим Представим, что мы заменяем пару ребер <tex>uu'</tex> и <tex>vv'</tex> в некотором графе <tex>G</tex> на блок XOR. Каждый цикл в <tex>G</tex> веса <tex>w</tex>, проходящий через ровно одно из ребер <tex>uu'</tex> и <tex>vv'</tex>, превращается в набор циклов в графе <tex>G'</tex> общим весом <tex>4w</tex>: вклад дает набор циклов, которые заходят в блок через <tex>u</tex> и выходят через <tex>u'</tex> или заходят через <tex>v</tex> и выходят через <tex>v'</tex>, вес остальных циклов в сумме равняется <tex>0</tex> и при дальнейшем подсчете мы можем их не учитывать. Блок XOR'a соединяет блоки переменных с соответствующими блоками клозов так, чтобы вклад в общую сумму вносили только те циклы, которые соответствуют удовлетворяющим назначениям нашей формулы.
Рассмотрим клоз и переменную внутри него. Рассмотрим внешние ребра соответствующих блоков и соединим их при помощи XOR-блока. Теперь если при построении цикла мы не проходим через внешнее ребро клоза, то мы гарантированно проходим по внешнему ребру переменной, что аналогично присвоению переменной значения <tex>true</tex>. Так как хотя бы одно ребро в каждом блоке клоза будет пропущено, то каждый цикл, который мы учитываем соответствует удовлетворяющему назначению формулы в 3-КНФ. А для каждого удовлетворяющего назначения существует множество циклов суммарным весом <tex>4^{3m}</tex>, так как они проходят через блоки XOR ровно <tex>3m</tex> раз. Таким образом <tex>perm(G') = 4^{3m}\cdot\#\phi</tex>.
Теперь сведем полученную матрицу к <tex>0,1-</tex>матрице. Для начала изменим веса ребер так, чтобы они были равны <tex>\pm1</tex>. Заметим, что замена ребра веса <tex>k</tex> на <tex>k</tex> параллельных ребер веса <tex>1</tex> не меняет перманента матрицы. В графе не допускаются параллельные ребра, но мы можем сделать их допустимыми, если разобьем каждое из них на два, добавив новые вершины. Чтобы избавиться от ребер с отрицательным весом, заметим, что перманент графа <tex>G</tex> с весами ребер равными <tex>\pm1</tex> равен числу из отрезка <tex>[-n!, \, n!]</tex> и может быть вычислен как <tex>y = x \, ( mod \, 2^{m+1})</tex>, где <tex>m</tex> достаточно большое (например, <tex>m = n^2</tex>. Для того, чтобы вычислить <tex>y</tex> достаточно посчитать перманент графа, где все ребра веса <tex>-1</tex> заменены на ребра веса <tex>2^m</tex>. Эти ребра могут быть заменены на <tex>m</tex> ребер весом <tex>2</tex>, которые можно разбить на двойки параллельных ребер весом <tex>+1</tex>, как на предыдущем шаге.
