关于无限半环的阿德曼定理?


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阿德勒曼已示于1978年:如果布尔函数˚F的Ñ变量可由大小的概率布尔电路来计算中号,然后˚F也可以通过尺寸的确定性布尔电路计算M和n的多项式; 实际上,大小为O (n M )。 BPP⊆P/polyfnMfMnO(nM)

一般问题:在什么其他的(不是布尔)半环确实持有? BPP⊆P/poly

要多的位特异性的,一个概率电路 在半环(小号,+ ,⋅ ,0 ,1 )使用其“增加” (+ )和“乘法‘’ (⋅ )操作作为栅极。输入是输入变量X 1,... ,X ñ以及可能的附加随机变量,它采用的数值的一些数量的0和1 独立地以概率1 / 2 ;在这里C(S,+,⋅,0,1)(+)(⋅)x1,…,xn011/2 和 1分别是半环的加法和乘法身份。这样的电路 Ç计算给定功能的 ˚F :小号Ñ → 小号如果对于每个 X ∈ 小号Ñ, P [R [ Ç(X )= ˚F (X )] ≥ 2 / 3。 01C f:Sn→Sx∈SnPr[C(x)=f(x)]≥2/3

的投票功能 的米变量是一个局部函数,其值是ÿ如果元素ÿ出现多于米/ 2的间倍ÿ 1,... ,ÿ 米,和是未定义,如果不存在此类元素y。切尔诺夫边界和联合边界的简单应用将产生以下结果。Maj(y1,…,ym)myym/2y1,…,ymy

多数诀窍:如果一个概率电路计算一个函数˚F :小号Ñ → 小号上的有限集合X ⊆ 小号Ñ,则有米= Ö (日志| X |)的实现Ç 1,... ,c ^ 米的Ç使得f (x )= M a j(C 1(x ),…Cf:Sn→SX⊆Snm=O(log⁡|X|)C1,…,CmC适用于所有 X ∈ X。 f(x)=Maj(C1(x),…,Cm(x))x∈X

在布尔半环上,表决函数是多数函数,并且电路较小(甚至是单调)。所以,Adleman的定理如下通过拍摄X = { 0 ,1 } Ñ。 MajX={0,1}n

但是其他(尤其是无限的)半环呢?怎么样的算术半环(与通常加法和乘法)?(N,+,⋅,0,1)

问题1:是否保持在算术半环? BPP⊆P/poly

尽管我打赌“是”,但我无法证明这一点。

备注:我知道这个的纸张,其中作者声称在真实字段([R ,+ ,⋅ ,0 ,1 )。它们处理非单调算术电路,并且(在定理4中)到达以表决函数M a j为输出门的电路。但是,如何通过算术电路(无论是否单调)来模拟该M a j门?即如何获得他们的推论3?BPP⊆P/poly(R,+,⋅,0,1)MajMaj

实际上,由莫斯科大学的谢尔盖·加什科夫(Sergey Gashkov)告诉我的以下简单论点似乎表明,这是不可能的(至少对于仅能够计算多项式的电路而言)。假设我们可以将为多项式f (x ,y ,z )= a x + b y + c z + h (x ,y ,z )。然后f (Maj(x,y,z)f(x,y,z)=ax+by+cz+h(x,y,z)表示 c = 0, f (x ,y ,x )= x表示 b = 0, f (x ,y ,y )= y表示 a = 0。这是因为,在零特性的字段上,多项式函数相等意味着系数相等。请注意,在问题1中,概率电路的范围以及 M的域f(x,x,z)=xc=0f(x,y,x)=xb=0f(x,y,y)=ya=0是无限的。因此,我的印象是仅与运算电路计算功能所链接的纸优惠 ˚F :- [R Ñ → ý与小的有限范围 ÿ,像 ÿ = { 0 ,1 }。那么, M a j:Y m → Y实际上很容易通过算术电路计算。但是,如果 Y = R怎么办? Majf:Rn→YYY={0,1}Maj:Ym→YY=R


校正 [6.03.2017]:Pascal Koiran(本文的作者之一)向我指出,他们的模型比算术电路更强大:它们允许符号门(根据输入是负数还是负数输出或1)不)。因此,可以在此模型中模拟投票功能Maj ,然后收回我的“困惑”。01


在动态编程的上下文中,特别感兴趣的是对于同样的问题 热带分钟加和max-加半环 和 。(N∪{+∞},min,+,+∞,0)(N∪{−∞},max,+,−∞,0)

问题2:不缓缴热带半环? BPP⊆P/poly

在这两个半环中持有,这意味着随机性无法加速所谓的“纯”动态编程算法!这些算法在其递归中仅使用Min / Max和Sum运算。Bellman-Ford,Floyd-Warshall,Held-Karp和许多其他著名的DP算法都是纯净的。 BPP⊆P/poly

到目前为止,我只能回答问题2(肯定)下单侧误差的情况下,当我们另外需要 在MIN-加半环(最小化),或 在最大加半环(最大化)上。也就是说,我们现在要求随机热带回路永远不能产生比最佳值更好的值。但是,如果给出一些比最佳值差的值,它可能会出错。但是,我的问题是在双向错误情况下。P r [ C(x )> f (x )] = 0Pr[C(x)<f(x)]=0Pr[C(x)>f(x)]=0


PS [添加2017年2月27日]:这是我对问题1的回答(肯定)。这个想法是将“组合Nullstellensatz”的最简单版本与对n分量超抓紧的Zarankiewicz问题的估计结合起来,这是由于鄂尔多斯和斯宾塞造成的。对后一个结果取模,整个参数是基本的。

请注意,问题2仍然没有解决:“天真Nullstellensatz”(至少以我使用的形式)在热带半环中不成立。


nit:BPP是使用PTM而不是电路定义的统一类。
— 卡夫

@Kaveh:是的,从这个意义上说,阿德曼的结果甚至更强一点,甚至对于BPP / poly来说也是如此。
— Stasys'2

没有看到简单的参数如何显示不可能...它似乎表明x,y和z单项式的系数必须为零...我缺少什么?另外,如果多项式不能计算Maj,您还可以如何表示半环上的计算?(除了半环上的多项式以外,还有什么?)直观地,在一个无限域上,某个y的每个约束(强制在> m / 2 y上必须输出y)似乎与其他y是“独立的”(没有约束子集意味着另一个),因此似乎没有“有限”多项式可以满足无限多个独立约束。
— 瑞安·威廉姆斯

@Ryan:是的,这仅显示f = Maj暗示h = Maj。但是h的度数> 1,因此h(x,x,z)= x是不可能的。您是对的:半环上的电路无法将其他任何东西计算为多项式。因此,他们无法计算Maj,但是该论文的作者处理了{+,x,-,/}电路,并允许所有现场运算。也许那时Maj仍然可以通过某种方式计算出来?(不过,我不知道怎么做。)顺便说一句,不是试图模拟Maj本身,而是可以通过显示一个Maj门不能显着减小电路尺寸来回答Q1和Q2(这很合理)。
— Stasys

@Ryan:PS Igor Sergeev观察到Maj“可能”可以通过(R,+,x,-,/)计算。例如,对于| {x,y,z} | = 2的所有输入,可以通过f(x,y,z)=(xy + xz-2yz)/(2x-yz)计算Maj(x,y,z)。注意,上面的简单参数暗示,已经在这样的输入上,这不能在(R,+,x,-)上完成。因此,部门可以提供帮助。但是我们面临着0除法的问题……
— Stasys

Answers:


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这只是对您的一般问题的部分答案(我不确定是什么完全一般的表述),但它表明在足够好的无限半环上工作,同时将随机性限制在有限域上,实际上可能使问题变得微不足道。阿德曼定理成立。

CfxrC(x,r)=f(x)rxC(x,r)=f(x)CnCnrx∃r:C(x,r)=f(x)CfCn


有趣。更一般地,大小为M的概率电路是一些随机变量C,它的值在最多具有M个门的所有电路(该类型)的集合中取。[顺便说一句,库克的论文。允许C任意分配。我可以从您的论断中得出结论,如果C的范围是有限的,那么当Zarinski闭子集是微不足道的(集本身)或零度量时,阿德曼定理是微不足道的?我们这种“全有还是全无”对热带半环的影响吗?(我主要对它们感兴趣。)
— Stasys

Cn
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