PCP-теорема
Теорема ( | теорема):
Классическое доказательство теоремы громоздкое и довольно сложное для восприятия, рассмотрим вариант докаательства, предложенный Динуром.
Содержание
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 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.