以下问题NP难吗?


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考虑在基本集上集合的集合其中和,令为正整数。F={F1,F2,,Fn}F={F1,F2,,Fn}U={e1,e2,,en}U={e1,e2,,en}|Fi||Fi| nneiFieiFikk

的目标是找到组另一集合超过使得每个最多可被写为一个联盟相互不相交集在,我们也希望最小化(即,所有集中元素的总数应尽可能小)。C={C1,C2,,Cm}C={C1,C2,,Cm}UUFiFikk (k<<|C|)(k<<|C|) CCm1|Cj|m1|Cj|CC

请注意,与具有相同的大小,但的大小不确定。FFUUCC

谁能说出上述问题是否对NP不利?(设置覆盖物?包装?完美覆盖物)

谢谢你的时间。


我不明白什么是“问题”。您想回答什么?
Ankur 2012年

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为什么通过设置C = {U}来解决这个问题呢?
伊藤刚(Tsuyoshi Ito)2012年

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除了“小得多”的确切含义外,我仍然很难理解问题。如修订版11所述,在我看来,最佳解决方案始终是C =∅或C = {∅}。如果我们添加一个约束,使得C至少包含一个非空集作为元素,那么对于某些元素e∈U,C = {{e}}将是最优的。
伊藤刚(Tsuyoshi Ito)

1
请仔细阅读您自己的问题。你从来都没有说过c必须选择,使F_i可以写成套从C.工会
刚伊藤

1
我可以将NORMAL SET BASIS问题视为原始问题的一个子问题吗?
莱茵

Answers:


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引理。 问题是NP难。

证明草图。 我们无视约束| F i | n = | U | |Fi|n=|U|在发布的问题中,因为对于问题的任何实例F U k (F,U,k),实例F ' = F nU ' = U nk (F=Fn,U=Un,k)通过取Fn个n独立副本的并集而获得U k (其中i(F,U,k)i的个复制˚FF使用i的第复制üU作为其基本组)是等价的,并且满足约束(它有| ˚F ' |Ñ « Ñ 2 = | Ù ' ||Fi|nn2=|U|)。

我们从3-SAT减少。对于演示文稿,在还原的第一阶段,我们忽略了约束Ë ˚F eiFi在贴出的问题。在第二阶段,我们描述了如何在保持缩减正确性的同时满足这些约束。

第一阶段。修正任何3-SAT公式ϕϕ。假设WLOG,每个子句正好具有三个文字(每个文字使用不同的变量)。产生发布的问题的以下实例F U k (F,U,k)k = 3k=3

nϕ中的变量数。有3个Ñ + 1元素ü:一个元件(为“真”),并且,对于每个变量X φ,三个元件X ¯ X,和˚F (为“假”)。nϕ3n+1Utxiϕxix¯¯¯ifi

对于U中的每个元素,都有一个单例集,仅包含F中的该元素。任何溶液Ç因此包括每个这些组,这有助于它们的总大小的3 Ñ + 1到的成本ÇUFC3n+1C

此外,对于每个变量X φ有一个“可变的”集合{ X ¯ X˚F }˚F。对于每个子句φ有处于“条款”组˚F组成的条款,并在文字的。例如,第X 1¯ X 2X 3个产率集合{ X 1&OverBar; X 2Xxiϕ{xi,x¯¯¯i,fi,t}FϕFtx1x¯¯¯2x33t } F中{x1,x¯¯¯2,x3,t}F

要求1. 减数是正确的:如果某些解C的成本为j,则 ϕ是满足的Ç Ĵ | = 5 Ñ + 1ϕCj|Cj|=5n+1

(仅当)假设φ是满足的。构造一个由3 n +1 单例集组成的解决方案C,此外,对于每个变量x i,由真实文字和t组成的对。(例如,{ ¯ X}如果X 是假的。)的成本Ç然后5 Ñ + 1ϕC3n+1xit{x¯¯¯i,t}xiC5n+1

每个变量集{ X ¯ X˚F }是三个集合的并集:所述一对由真实字面和,加上两个单套,一个用于每个其它两个元件。(例如,{ ¯ X} { X } { ˚F }。){xi,x¯¯¯i,fi,t}t{x¯¯¯i,t},{xi},{fi}

每个子句集(例如{ X 1&OverBar; X 2X 3})是三集合的并集:一对由和真正的文字,加上两个单套,一个用于每个其它两个文字的。(例如,{ X 1} { ¯ X 2 } { X 3 })。{x1,x¯¯¯2,x3,t}t{x1,t},{x¯¯¯2},{x3}

(如果)假设有一个溶液Ç尺寸的5 Ñ + 1。该解决方案必须包含3 n +1 单例集,以及其他总大小为2 n的集C5n+13n+12n

首先考虑Ñ “可变的”组,每组形式的{ X ¯ X˚F }。该集合是C中最多三个集合的不交集并集。在不失一般性的情况下,它是两个单例和一对的不相交的并集(否则,C中的拆分集可在不增加成本的情况下实现这一点)。表示对P i。在对P P Ĵ为不同的变量X X Ĵ是不同的,因为n{xi,x¯¯¯i,fi,t}CCPiPiPjxixjP 包含 X ¯ X,或 ˚F P Ĵ没有。因此,这些对的大小之和为 2 n。因此,这些对是解决方案中唯一的非单子集。 Pixix¯¯¯ifiPj2n

接着考虑“条款”集,例如,{ X ¯ X ĴX ķ}。每个这样的集合必须是C中最多三个集合的并集,即最多两个单例集合和至少一对P iP jP k。通过对与所述第一套的检查中,必须有两个单身,和一对的联合,以及对必须是这样的形式{ X }{ ¯ X Ĵ}{xi,x¯¯¯j,xk,t}CPiPjPk{xi,t}{x¯¯¯j,t}(一个文字和t)。t

因此,下面的赋值满足φ:分配真实到每个变量X 使得P = { X },分配假到每个变量X 使得P = { &OverBar; X},并分配剩余变量任意。ϕxiPi={xi,t}xiPi={x¯¯¯i,t}

第2阶段的实例˚F û ķ = 3 上述制作不满足约束ë ˚F 在问题描述说明。修复该缺点,如下所示。对U中的集合F i和元素e i进行排序,以使每个单例集合对应于其元素e i。令mϕ中子句的数量,因此| F | = 1 + 4 n +(F,U,k=3)eiFiFieiUeimϕm | U | = 1 + 3 n|F|=1+4n+m|U|=1+3n

Let (F,U,k=4)(F,U,k=4) denote the instance obtained as follows. Let AA be a set of 2n+2m2n+2m new artificial elements, two for each non-singleton set in FF. Let U=UAU=UA. Let FF contain the singleton sets from FF, plus, for each non-singleton set FiFi in FF, two sets Fi{ai,ai}Fi{ai,ai} and {ai,ai}, where ai and ai are two elements in A chosen uniquely for Fi. Now |F|=|U|=1+5n+2m and (with the proper ordering of F and U) the constraint eiFi is met for each set Fi.

To finish, note that (F,U,k=4) has a solution of cost |A|+5n+1 iff the original instance (F,U,k=3) has a solution of cost 5n+1.

(if) Given any solution C of cost 5n+1 for (F,U,k=3), adding the n+m sets {ai,ai} (one for each non-singleton Fi, so these partition A) to C gives a solution to (F,U,k=4) of cost |A|+cost(C)=|A|+5n+1.

(only if) Consider any solution C for (F,U,k=4) of cost |A|+5n+1. Consider any pair of non-singleton sets Fi{ai,ai} and {ai,ai} in F. Each is the disjoint union of at most 4 sets in C. By a local-exchange argument, one of these sets is {ai,ai} and the rest don't contain ai or ai --- otherwise this property can be achieved by a local modification to the sets, without increasing the cost... (lack of detail here is why I'm calling this a proof sketch). So removing the {ai,ai} sets from C gives a solution C for (F,U,k=3) of cost 5n+1.

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