哪些单调布尔函数可表示为求和阈值?


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我将通过一个例子来介绍我的问题。假设您正在设计考试,其中包括一组特定的n独立问题(考生可以对是错)。您想决定要给每个问题的分数,其规则是总分高于某个阈值的候选人将通过,其他候选人将不及格。

实际上,您对此非常了解,并且已经预见了所有可能的2n结果,并为每个结果确定具有这种表现的候选人应该通过还是失败。所以,你有一个布尔函数f:{0,1}n→{0,1}表示候选人是否应通过或失败取决于其确切的答案。当然,此功能应该是单调的:当正确解决一组问题使您通过时,正确解决任何超集也必须使您通过。

您能否确定要给出问题的分数(正实数)和阈值,以便您的功能能够被“如果正确问题的分数总和高于阈值,则候选人通过”规则准确地捕获。 ?(当然,在不失一般性的前提下,可以将阈值设为1,直至将分数乘以一个常数。)f

正式:是否有的单调布尔函数表征对于其中存在瓦特1,... ,瓦特Ñ ∈ [R +使得对于所有v ∈ { 0 ,1 } ñ,我们有˚F (v )= 1当且仅当Σ 我瓦特我v 我 ≥ 1f:{0,1}n→{0,1}w1,…,wn∈R+v∈{0,1}nf(v)=1∑iwivi≥1?

不难发现并非所有功能都可以如此表示。例如,该函数不能:如(1 ,1 ,0 ,0 )被接受,我们必须具有瓦特1 + 瓦特2 ≥ 1,的这么一瓦特1,瓦特2必须是≥ 1 / 2,并同样用于瓦特3,(x1∧x2)∨(x3∧x4)(1,1,0,0)w1+w2≥1w1,w2≥1/2。现在,如果它是,例如,瓦特1和瓦特3,我们有一个矛盾,因为瓦特1 + 瓦特3 ≥ 1但(1 ,0 ,1 ,0 )被拒绝; 其他情况类似。w3,w4w1w3w1+w3≥1(1,0,1,0)

在我看来,这是一个非常自然的问题,所以我的主要问题是要知道使用哪种名称进行了研究。当然,要求“特征化”是含糊的;我的问题是要知道可以用这种方式表示的函数的类别是否具有名称,关于测试输入函数是否属于该函数(以公式或电路形式)的复杂性的了解,等等。

当然,可以想到有关此主题的许多变体。例如,在实际考试中,问题不是独立的,但是有一个DAG上的指示依赖项的问题,并且只有在所有先决条件都得到满足后,考生才能回答问题。上单调函数的条件可以随后在被限制为估值满足的依赖性,而问题是要确定是否输入功能可如此捕捉给定的变量的输入DAG。人们还可以想到的变体,其中分数的ķ固定元组ķ(逐点求和,并逐点相比于阈值矢量),其能够捕捉比多个功能ķ{0,1}nkk。另外,您可能希望捕获更多不是布尔型的表达函数,而是转到一个完全有序的域,并使用不同的阈值来指示您在域中的位置。最后,我不确定如果您允许负分数会发生什么事情(因此您可以取消对功能的单调限制)。k=1

(注意:让我对此感到疑惑的是Google Code Jam选择回合,如果候选人达到一定的分数阈值,就会选择他们,并且问题的分数大概经过精心设计,以反映认为哪些问题足以被选中。Code Jam对问题具有依赖关系结构,除非您先解决了“小输入”问题,否则某些“大输入”问题是无法解决的。)


这些称为阈值函数(尽管有时更严格地定义此术语)。我不知道是否存在本质上不同的特征。一个明显的必要条件是和˚F - 1(0 )是凸形的(即,凸包˚F - 1(1 )与相交{ 0 ,1 } Ñ被包括在˚F - 1(1 ),同样适用于0)。f−1(1)f−1(0)f−1(1){0,1}nf−1(1)
— EmilJeřábek支持Monica

实际上,现在我想一想:布尔函数是一个阈值函数,前提是f - 1(1 )和f - 1(0 )的凸包是不相交的。ff−1(1)f−1(0)
— EmilJeřábek

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实际上,这些更确切地说是正阈值函数。
— Kristoffer Arnsfelt Hansen,2015年

@KristofferArnsfeltHansen:好的,谢谢!实际上,在布尔函数:理论,算法和应用中提到了这一点。定理9.16说,给定正DNF,我们可以在PTIME中测试它是否是阈值函数,如果是,则构造一个向量(根据定理9.6,我想它将为正)。我对所建议的变量有什么了解吗,尤其是那些带有DAG变量的变量?如果不是这样,欢迎您提出这样的答案(并接受您的评论),我会接受。:)w
— a3nm 2015年

Answers:


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评论中提到这些是正阈值函数。

至于其他特征,我发现以下内容很有趣。假设我们有减小的权重的正阈值函数: ˚F (v 1,... ,v Ñ)= 1w1≥w2≥…wn 然后,在特定的一组输入(v1,...,vÑ)为其˚F( → v)=1是二进制优化晶格的顺序理想与2个Ñ点,这是就读于

f(v1,…,vn)=1⟺∑iwivi≥1.
(v1,…,vn)f(v→)=12n

Donald Knuth,“计算机编程的艺术”,第7.1.1节的练习109。

把它非正式的,是函数,其中使早期位的那种1个品牌˚F更可能是1:所以如˚F (0 ,1 ,1 )≤ ˚F (1 ,0 ,1 )≤ ˚F (1 ,1 ,0 )。也就是说,“某些位更重要”,为了消除冗余的同构情况,我们假设较早的位更重要。FFF(0,1个,1个)≤F(1个,0,1个)≤F(1个,1个,0)

但是,并非所有此类功能都是正阈值功能!也就是说,仅因为您已将考试问题从最重要到最不重要排序,并不意味着您的通过/失败规则仅基于总分。

实际上,正的阈值函数对数(随权重)变量是由序列表中给出 2 ,3 ,5 ,10 ,27 ,119 ,1113,... (oeis.org序列A000617),而这样的顺序的理想的数是 2 ,3 ,5 ,10 ,27 ,119 ,1173,... (oeis.org序列A132183)ñ

2,3,5,10,27,119,1113,…
2,3,5,10,27,119,1173,…

谢谢!只是以为我会指出,您的答案中提到的另一种布尔函数,即对变量影响总顺序的布尔函数,称为“常规”布尔函数。在序列A132183中提到了这一点,并且在布尔函数的
— a3nm
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