Изменения

# <tex> \mathrm{SAT}\in \mathrm{NPH} </tex> <br> Теперь докажем, что <tex> \mathrm{SAT}\in \mathrm{NPH} </tex>. Для этого сведём задачу <tex> \mathrm{BH_{1N}} </tex>, которая <tex> \mathrm{NP} </tex>-полна, к <tex> \mathrm{SAT} </tex>. Тогда получится, что любой язык из <tex> \mathrm{NP} </tex> может быть [[Сведение относительно класса функций. Сведение по Карпу. Трудные и полные задачи|сведен по Карпу]] к <tex> \mathrm{BH_{1N}} </tex>, и, по транзитивности сведения по Карпу, к <tex> \mathrm{SAT} </tex>. <br> По определению языка <tex> \mathrm{BH_{1N}} </tex>, у нас есть :#* недетерминированная машина Тьюринга <tex>m</tex>, причём можно считать, что её лента односторонняя и что машина не пишет на ленту пробелы, #* входное слово <tex>x</tex> и #* время <tex>t</tex>, заданное в унарной системе счисления. #:Нам же надо построить такую булеву формулу <tex>\varphi</tex>, что она выполнима тогда, и только тогда, когда <tex>m</tex>, получив на вход <tex>x</tex>, делает не более <tex>t</tex> шагов и допускает это слово. <br> В любой момент времени мгновенное описание (МО) <tex>m</tex> есть строка <tex>z\#_qyb</tex>, где <tex>b</tex> &mdash; строка, состоящая из такого количества пробелов, чтобы длина всего МО была <tex>t + 1.</tex> Соответственно, начальное МО задаётся так: <tex>\#_sxb</tex>. Если же <tex>|x| > t</tex>, то будем считать, что на ленту записаны лишь первые <tex>t</tex> символов, ведь <tex>m</tex> не может обработать большее количество символов за <tex>t</tex> шагов. <br> Также нам удобно считать, что все вычисления проходят ровно за <tex>t + 1</tex> шагов, даже если мы попали в допускающее состояние раньше. То есть, мы разрешим переход <tex>q \vdash q</tex>, если в МО <tex>q</tex> есть допускающее состояние, так что, чтобы проверить, допустила ли машина слово, надо лишь проверить наличие допускающего состояния в МО <tex>q_t</tex>. <br> Тогда процесс работы машины <tex>m</tex> на входе <tex>x</tex>, то есть цепочка переходов <tex>q_0 \vdash q_1 \vdash \ldots \vdash q_t</tex> может быть представлен следующей таблицей :

<tex> \mathrm{CNFSAT} </tex>{{---}} язык булевых формул, заданных в [[КНФ]], таких что для них существует подстановка, при которой формула истинна.

## Посчитаем какой длины будет <tex> f(x) </tex>. Это зависит от количества логических операций в формуле. Заметим, что количество скобок в конечной формуле равно количеству операций <tex> \land </tex>. Количество операций <tex> \land </tex> не более чем <tex> |x| </tex>, так как <tex> \land </tex> добавляется один раз в первом из рассмотренных выше случаев. А во втором из рассмотренных случаев добавляется <tex> \lor </tex> в том количестве, сколько скобок у нас есть. А количество скобок равно количеству <tex> \land </tex>, поэтому количество операций <tex> \lor </tex> не превысит <tex> |x|^2 </tex>. Поэтому <tex> f </tex> будет работать за полином.

<tex> \mathrm{3SAT} </tex> {{---}} язык булевых формул, заданных в [[КНФ]], таких что каждый дизъюнкт состоит ровно из 3 переменных и для этой булевой формулы существует подстановка, при которой она истинна.  <tex> \mathrm{3SAT} = \lbrace \varphi(x_1 \ldots x_n) \bigm| \varphi </tex> задано в 3КНФ и <tex> \exists x_1 \ldots x_n : \varphi(x_1 \ldots x_n) = 1 \rbrace </tex> {{Теорема|statement= <tex> \mathrm{3SAT} \in \mathrm{NPC} </tex>|proof=#<tex> \mathrm{3SAT} \in \mathrm{NP} </tex> <br> Можно написать недетерминированную программу <tex>p</tex>, которая распознает язык <tex> \mathrm{3SAT} </tex>. Она будет недетерминированно выбирать подстановку, проверять, истинна ли формула при такой подстановке, и выдавать ответ.# <tex> \mathrm{3SAT} \in \mathrm{NPH} </tex> <br>Сведем задачу <tex> \mathrm{CNFSAT} </tex> к задаче <tex> \mathrm{3SAT} </tex>. Построим функцию <tex> f(x) </tex>, которая будет строить по булевой формуле в [[КНФ]], булевую формулу в 3-КНФ, такую что <tex> x \in \mathrm{CNFSAT} \Leftrightarrow f(x) \in \mathrm{3SAT} </tex>, причем <tex> |f(x)| \le p(|x|) </tex> для некоторого полинома <tex> p </tex>. <br> Опишем как будет работать функция <tex> f </tex>. <br> Заменим каждый дизъюнкт в <tex> x </tex> на может быть несколько дизъюнктов, которые состоят ровно из трех переменных.## Дизъюнкт содержит не более трех переменных. Тогда возьмем какую-нибудь переменную из этого дизъюнкта и продублируем ее так, чтобы в нем стало ровно 3 переменных. Например: <tex> f(y \lor z) = (y \lor z \lor y) </tex>, <tex> f(y) = (y \lor y \lor y) </tex>## Дизъюнкт содержит больше трех переменных. Пусть он имеет вид: <tex> (x_1 \lor x_2 \lor \ldots \lor x_k) </tex>, создадим новые переменные <tex> z_1, z_2, \ldots, z_{k - 2} </tex>, и тогда <br> <tex> f(x_1 \lor x_2 \lor \ldots \lor x_k) = (x_1~\lor~x_2~\lor~z_1)~\land~(x_3~\lor~\neg{z_1}~\lor~z_2)~\land~\ldots~\land~(x_i~\lor~\neg{z_{i - 2}}~\lor~z_{i - 1})~\land~\ldots~\land~(x_{k - 1}~\lor~x_k~\lor~\neg{z_{k - 2}}) </tex> <br> Можно заметить, что если какое-то <tex> x_i = 1 </tex>, то существует подстановка для <tex> z_1, z_2, \ldots, z_{k - 1} </tex>, такая что <tex> f(x_1 \lor x_2 \lor \ldots \lor x_k)</tex> удовлетворима. Также, если <tex> \forall i : x_i = 0 </tex>, нельзя удовлетворить все скобки, так как каждая скобка удовлетворяется только переменными <tex> z_1, z_2, \ldots, z_{k - 2} </tex>, можно понять, что при выборе значения <tex> z_1 </tex> все переменные восстанавливаются однозначно и значение <tex> z_{k - 2} </tex> нельзя выбрать так, чтобы удовлетворить последние две скобки одновременно. А значит <tex> x \in CNFSAT \Leftrightarrow f(x) \in 3SAT </tex>.#:Заметим, что размер формулы возрос не более чем в три раза, поэтому функция <tex> f </tex> будет работать за полином.:Значит <tex> \mathrm{3SAT} \in \mathrm{NPC} </tex>}}=== NP-полнота раскраски графа поиска максимального независимого множества ===<tex> \mathrm{IND} </tex> {{---}} язык неориентированных графов, таких что в графе есть независимое множество мощности <tex> k </tex>. <tex> \mathrm{IND} =\lbrace \langle G, k \rangle \bigm| \exists H \subset V(G) </tex>, такое что <tex> H </tex> независимо в <tex> G \rbrace </tex> {{Теорема|statement= <tex> \mathrm{IND} \in \mathrm{NPC} </tex>|proof=#<tex> \mathrm{IND} \in \mathrm{NP} </tex> <br> Можно написать недетерминированную программу <tex>p</tex>, которая распознает язык <tex> \mathrm{IND} </tex>. Она будет недетерминированно выбирать множество вершин мощности <tex> k </tex>, проверять, является ли это множество независимым, это можно сделать за полином, и выдавать ответ.# <tex> \mathrm{IND} \in \mathrm{NPH} </tex> <br>Сведем задачу <tex> \mathrm{3SAT} </tex> к задаче <tex> \mathrm{IND} </tex>. Построим функцию <tex> f(x) </tex>, которая будет строить по булевой формуле в 3-КНФ, пару <tex> \langle G, k \rangle </tex>, такую что <tex> x \in \mathrm{3SAT} \Leftrightarrow f(x) \in \mathrm{IND} </tex>, причем <tex> |f(x)| \le p(|x|) </tex> для некоторого полинома <tex> p </tex>. <br> Опишем как будет работать функция <tex> f </tex>.## <tex> k </tex> {{---}} количество дизъюнктов в <tex> x </tex>.## Для каждого дизъюнкта создадим по три вершины в графе <tex> G </tex>, каждая из которой будет сопоставлена переменной из этого дизъюнкта. <tex> |V(G)| = 3k </tex>## Соединим вершины из одного дизъюнкта ребрами.## Для всех пар вершин, которые сопоставлены переменным, которые являются отрицаниями друг друга, добавим ребро между этими вершинами.#: Докажем, что <tex> x \in \mathrm{3SAT} \Leftrightarrow \langle G, k \rangle \in \mathrm{IND} </tex>#* Пусть формула <tex> x </tex> удовлетворима. Тогда в каждом дизъюнкте будет будет существовать вершина, что сопоставленная ей переменная истинна. Для каждого дизъюнкта выберем ровно одну такую вершину. Это множество будет мощности <tex> k </tex> и независимым, потому что в каждом дизъюнкте мы выбрали ровно одну переменную и мы не выбрали пару вершин, которые сопоставленны переменным, которые являются отрицаниями друг друга.#* Пусть существует независимое множество мощности <tex> k </tex> в графе <tex> G </tex>. Тогда известно, что для каждого дизъюнкта не может быть выбрано более одной вершины из нее, значит из каждого дизъюнкта выбрана ровно одна вершина, потому что всего вершин {{---}} <tex> k </tex>. Теперь если мы удовлетворим каждую переменную, сопоставленная вершина которой в независимом множестве, вся формула удовлетворится. А каждую переменную можно удовлетворить, потому что в независимом множестве нет пары вершин, которым сопоставлены переменные, которые являются отрицаниями друг друга. Значит формула удовлетворима.: А значит <tex> \mathrm{IND} \in \mathrm{NPC} </tex>.}}

=== NP<tex> \mathrm{VCOVER} </tex> {{---полнота поиска максимальной клики }} язык неориентированных графов, таких что в графе есть вершинное покрытие мощности <tex> k </tex>. <tex> \mathrm{VCOVER} =\lbrace \langle G, k \rangle \bigm| \exists H \subset V(G) : \forall vu \in E(G), (v \in H) \lor (u \in H) \rbrace </tex>{{Лемма|statement =<tex> G </tex> {{---}} неориентированный граф. <tex> H \subset G </tex> является независимым множеством в <tex> G \Rightarrow G \setminus H </tex> является вершинным покрытием в <tex> G </tex>.|proof=* <tex> \Rightarrow </tex>Пусть <tex> H </tex> {{---}} независимое множество. Заметим, что по определению независимого множества <tex> \forall vu \in E(G) : (v \notin H) \lor (u \notin H) </tex>, из чего следует, что <tex> (v \in (G \setminus H)) \lor (u \in (G \setminus H)) </tex>, это значит, что <tex> G \setminus H </tex> {{---}} вершинное покрытие.* <tex> \Leftarrow </tex>Пусть <tex> H </tex> {{---}} вершинное покрытие. Заметим, что <tex> \forall vu \in E(G) : (v \in H) \lor (u \in H) </tex>, из чего следует, что <tex> (v \notin (G \setminus H)) \lor (u \notin (G \setminus H)) </tex>, это значит, что <tex> G \setminus H </tex> {{---}} независимое множество.}} {{Теорема|statement=<tex> \mathrm{VCOVER} \in \mathrm{NPC} </tex>|proof== #<tex> \mathrm{VCOVER} \in \mathrm{NP-полнота поиска гамильтонова цикла } </tex> <br> Можно написать недетерминированную программу <tex>p</tex>, которая распознает язык <tex> \mathrm{VCOVER} </tex>. Она будет недетерминированно выбирать множество вершин мощности <tex> k </tex>, проверять, является ли это множество вершинным покрытием, это можно сделать за полином, и пути в графе ===выдавать ответ.# <tex> \mathrm{VCOVER} \in \mathrm{NPH} </tex> <br>Сведем задачу <tex> \mathrm{IND} </tex> к задаче <tex> \mathrm{VCOVER} </tex>. Построим функцию <tex> f(x) </tex>, которая будет строить паре <tex> \langle G, k \rangle </tex>, пару <tex> \langle H, l \rangle </tex>, такую что <tex> x \in \mathrm{IND} \Leftrightarrow f(x) \in \mathrm{VCOVER} </tex>, причем <tex> |f(x)| \le p(|x|) </tex> для некоторого полинома <tex> p </tex>. <br> <tex> f(\langle G, k \rangle) === NP\langle G, |V(G)| - k \rangle </tex> <br> Из доказанной выше леммы, следует, что <tex> \langle G, k \rangle \in \mathrm{IND} \Leftrightarrow \langle G, |V(G)| -полнота задачи о рюкзаке ===k \rangle \in \mathrm{VCOVER} </tex>}}