Методика повернення порядку квантових ефірів


73

Загальновідомо, що в цілому порядок універсальних та екзистенційних кількісних показників неможливо змінити. Іншими словами, для загальної логічної формули ,ϕ(⋅,⋅)

(∀x)(∃y)ϕ(x,y)⇎(∃y)(∀x)ϕ(x,y)

З іншого боку, ми знаємо, що права частина є більш обмежуючою, ніж ліва; тобто (∃y)(∀x)ϕ(x,y)⇒(∀x)(∃y)ϕ(x,y) .

Це питання фокусується на методах отримання (∀x)(∃y)ϕ(x,y)⇒(∃y)(∀x)ϕ(x,y) , коли це має місце для ϕ(⋅,⋅) .

Діагоналізація - одна з таких методик. Я перший бачити це використання діагональних в паперовій Релятивизация в P=?NP Питання (дивіться також коротку записку Каца ). У цій роботі автори спочатку доводять, що:

Для будь-якої детермінованої оракулової машини многочленного часу М існує мова B така, що L_B \ ne L (M ^ B)LB≠L(MB) .

Потім вони змінюють порядок кількісних показників (використовуючи діагоналізацію ), щоб довести, що:

Існує мова B така, що для всіх детермінованих, М є .LB≠L(MB)

Ця методика використовується в інших роботах, таких як [CGH] і [AH] .

Я знайшов іншу техніку в доведенні теореми 6.3 [ІЧ] . Він використовує комбінацію теорії вимірювань та принципу голубої ями, щоб змінити порядок кількісних показників.

Хочу знати, які інші методи використовуються в інформатиці, щоб змінити порядок універсальних та екзистенційних кількісних показників?


14
Нічого собі, це чудове питання. Просто її читання змусило мене по-різному дивитись на "знайомі" об'єкти. Дякую!
— Марк Рейтблат

Відповіді:


68

Повернення кванторів є важливою властивістю, яка часто відстає від добре відомих теорем.

Наприклад, в аналізі різниця між і - різниця між точковою та рівномірною безперервністю. Добре відома теорема говорить, що кожна точкова безперервна карта рівномірно безперервна за умови, що область є приємною, тобто компактною .∀ϵ>0.∀x.∃δ>0∀ϵ>0.∃δ>0.∀x

Насправді компактність лежить в основі зміни кількості кількісних показників. Розглянемо два типи даних і з яких є явним, а є компактним (див. Нижче для пояснення цих термінів), і нехай є відношенням між і напіврозрізним . Заява можна прочитати так: кожна точка в покрита деяким . Оскільки множини є "обчислено відкритими" (напіврозрізними) іXYXYϕ(x,y)XY∀y:Y.∃x:X.ϕ(x,y)yYUx={z:Y∣ϕ(x,z)}UxYкомпактний, існує кінцевий підкриття. Ми довели, що означає Часто ми можемо скоротити існування кінцевого списку до одиниці . Наприклад, якщо лінійно впорядкований і є монотонним у відносно порядку, то ми можемо вважати, що є найбільшим з .

∀y:Y.∃x:X.ϕ(x,y)
∃x1,…,xn:X.∀y:Y.ϕ(x1,y)∨⋯∨ϕ(xn,y).
x1,…,xnxXϕxxx1,…,xn

Щоб побачити, як цей принцип застосовується у звичному випадку, давайте подивимось на твердження, що - це неперервна функція. Ми зберігаємо як вільну змінну, щоб не плутатись із зовнішнім універсальним кількісним показником: Оскільки є компактним, а порівняння дій є напівроздільним, висловлювання є напівроздільним. Позитивні результати явні і компактні, тому ми можемо застосувати принцип: f:[0,1]→Rϵ>0

∀x∈[0,1].∃δ>0.∀y∈[x−δ,x+δ].|f(y)−f(x)|<ϵ.
[x−δ,x+δ]ϕ(x,δ)≡∀y∈[x−δ,x+δ].|f(y)−f(x)|<ϵ[0,1]
∃δ1,δ2,…,δn>0.∀x∈[0,1].ϕ(δ1,x)∨⋯ϕ(δn,x).
Оскільки є антимонотонним в найменший з виконує цю роботу, тому нам просто потрібна одна : У нас є однакова безперервність .ϕ(δ,x)δδ1,…,δnδ
∃δ>0.∀x∈[0,1].∀y∈[x−δ,x+δ].|f(y)−f(x)|<ϵ.
f

Незрозуміло кажучи, тип даних є компактним, якщо він має обчислюваний універсальний кількісний коефіцієнт і явний, якщо він має обчислюваний екзистенціальний кількісний показник. Цілі числа (негативні) є явними, оскільки для того, щоб переглядати, чи , з напіврозрізним, ми виконуємо паралельний пошук шляхом доопрацювання . Простір Кантора є компактним і відвертим, як це пояснили абстрактні каменні подвійності Пола Тейлора та " Синтетична топологія типів даних і класичних просторів " Мартіна Ескардо (див. Також пов'язане поняття простір для пошуку ).N∃n∈N.ϕ(n)ϕ(n)2N

Давайте застосуємо принцип до згаданого вами прикладу. Ми розглядаємо мову як карту від (кінцевих) слів через фіксований алфавіт до булевих значень. Оскільки кінцеві слова знаходяться в обчислювальній біектичній відповідності з цілими числами, ми можемо розглядати мову як карту від цілих чисел до булевих значень. Тобто, тип даних у всіх мовах, аж до обчислюваного ізоморфізму, є саме простором Кантора nat -> bool, або в математичному позначенні , який є компактним. Поліномальна машина Тьюрінга описується його програмою, яка є кінцевим рядком, таким чином, простір усіх (уявлень) машин Тьюрінга можна вважати рівним або .2NnatN

З огляду на машину Тьюрінга та мову , висловлювання якому йдеться про те, що "мова відхиляється " є напіврозрізним, оскільки воно насправді вирішальне: просто запустіть із введенням і подивіться це робить. Умови нашого принципу виконуються! Заява "кожна машина Oracle має мову такою, що не приймається " пишеться символічно як Після інверсії кванторів отримуємо Mcrejects(M,c)cMMcMbbMb

∀M:N.∃b:2N.rejects(Mb,b).
∃b1,…,bn:2N.∀M:N.rejects(Mb1,b1)∨⋯∨rejects(Mbn,bn).
Гаразд, тому ми перебуваємо до безлічі мов. Чи можемо ми поєднати їх в єдине? Я залишу це як вправу (для себе і для вас!).

Можливо, вас також зацікавить трохи більш загальне питання про те, як перетворити до еквівалентного виразу форми або навпаки. Наприклад, це кілька способів:∀x.∃y.ϕ(x,y)∃u.∀v.ψ(u,v)


4
Це дуже загальна умова (один простір повинен бути відкритим, інший компактним, а відношення відкритим), але це також техніка: якщо ви зможете знайти топології, які задовольняють умовам, ви можете інвертувати квантори.
— Андрій Бауер

8
@Andrej, твоя відповідь справді хороша та пізнавальна. Я ніколи не знав, що існує співвідношення між компактністю та зворотними кванторами, поки цей пост не з’явиться. Я відчуваю себе освіченим.
— Hsien-Chih Chang 22 之

8
Яка дивовижна відповідь.
— Суреш Венкат

10
Я відчуваю себе лестощами. Я хотів би, щоб більше людей знали про інтимний зв’язок між логікою, обчисленням і топологією.
— Андрій Бауер

6
@Andrej: Чи є хороша довідка (особливо книга чи конспект лекції) про "інтимний зв'язок між логікою, обчисленням і топологією"?
— М. С. Дусті

25

Напружена лема Impagliazzo дозволяє перемикати квантори в контексті припущень обчислювальної твердості. Ось оригінальний папір . Ви можете знайти тони відповідних паперів та публікацій від Googling.

Лема говорить, що якщо для кожного алгоритму A існує великий набір входів, на яких A не вдається обчислити фіксовану функцію f, то насправді існує великий набір входів, на яких кожен алгоритм не в змозі обчислити f з вірогідністю, близькою до 1 / 2.

Цю лему можна довести за допомогою теореми min-max або прискорення (техніка з теорії обчислювального навчання), що є прикладами перемикання кількісних показників.


3
Це відмінний момент.
— Суреш Венкат

17

Для мене "канонічне" доказ теореми Карпа-Ліптона (що ) має цей аромат. Але тут справа не в самому твердженні теореми, в якому кількісні показники повертаються назад, а скоріше «квантори» перетворюються в модель чергування обчислень, використовуючи припущення, що має малі ланцюги.NP⊆P/poly⟹Π2P=Σ2PNP

Ви хочете імітувати обчислення форми

(∀y)(∃z)R(x,y,z)

де - предикат багаточленного часу. Це можна зробити, відгадавши малу ланцюг для (скажімо) задоволеності, змінивши таким чином, щоб він перевіряв себе і виробляв задовольняюче завдання, коли його вклад задовольняється. Тоді для всіх створіть екземпляр SAT , еквівалентний і вирішіть його. Таким чином, ви здійснили еквівалентну обчислення формиRCCyS(x,y)(∃z)R(x,y,z)

(∃C)(∀y)[S(x,y) задовольняється відповідно до .C]


Видатний! Це приклад перемикання кількісних показників на основі припущення.
— MS Dousti

Хоча це цілком правильно, я хотів запропонувати написати замість , оскільки NP ніколи не може дорівнювати P / poly. NP⊂P/polyNP⊆P/poly
— MS Dousti

12

Основне використання об'єднання, пов'язаного у ймовірнісному методі, можна інтерпретувати як спосіб змінити порядок кількісних показників. Хоча це вже згадується у питанні неявно, тому що доказ Імпальязцо та Рудича є прикладом цього, я вважаю, що варто викласти більш чітко.

Припустимо, що X є кінцевим і що для кожного x ∈ X ми знаємо не тільки те, що деякий y ∈ Y задовольняє φ ( x , y ), але й те, що багато варіантів y ∈ Y задовольняють φ ( x , y ). Формально припустимо, що ми знаємо (∀ x ∈ X ) Pr y ∈ Y [¬φ ( x , y )] <1 / | X | для деякої ймовірнісної міри щодо Y. Тоді зв'язок об'єднання дозволяє нам зробити висновок Pr y ∈ Y [(∃ x ∈ X ) ¬φ ( x , y )] <1, що еквівалентно (∃ y ∈ Y ) (∀ x ∈ X ) φ ( x , y ).

Існують варіанти цього аргументу:

  1. Якщо X нескінченно, ми можемо іноді дискретизувати X , розглядаючи відповідну метрику на X та ε- нетто її. Після дискретизації X , ми можемо використовувати з'єднання, як зазначено вище.

  2. Коли події φ ( x , y ) для різних значень x майже не залежать, ми можемо використовувати локальну лему Ловаша замість об'єднаної.


2
Цуйосі, це жахливо поза темою, але прийшов час призначити себе модератором :)
— Suresh Venkat,

10

Я хотів би додати кілька інших методик. Хоча перші дві методики не є точно для зміни порядку універсальних та екзистенційних кількісних показників, вони мають дуже схожий аромат. Тому я скористався можливістю описати їх тут:

Усереднення лемми: використовується для доказу та багатьох інших цікавих теорем. Неофіційно припустимо, що позначає набір підписників на деяку бібліотеку, позначає набір книг у бібліотеці, а для і пропозиція є істинним iff "абонентом подобається книга ". У леммі усереднення зазначено, що: якщо для кожного існує принаймні 2/3 's у так що має місце, то існує одинBPP⊂P/polySBs∈Sb∈Bϕ(s,b)sbs∈SbBϕ(s,b)b∈B, Таким чином, що , по крайней мере , 2/3 «s в , то пропозиція має місце. (Це можна легко довести через reductio ad absurdum та аргумент підрахунку.)sSϕ(s,b)

Нехай тепер , і нехай бути РРТ машина , яка вирішує . Припустимо, що час роботи обмежений многочленом . Тоді для будь-якого , і принаймні для 2/3 's, , це справедливо, що . Тут, є машина , яка використовує хаотичності , і є характеристичною функцією . Лемма усереднення потім використовується, щоб показати, що для будь-якогоL∈BPPM(⋅)LMq(⋅)x∈{0,1}∗rr∈{0,1}q(|x|)Mr(x)=χL(x)Mr(⋅)MrχL(⋅)Ln∈N, Існує єдиний , таким чином, що , по крайней мере , 2/3 «и довжини , . Цей сингл служить порадою для , і тому .r∈{0,1}q(n)xnMr(x)=χL(x)rMBPP⊂P/poly

NOTE: I re-emphasize that this is not a quantifier switching technique, but it has the same spirit.

Зміна леми: Зачос і Фюрер ввели новий ймовірнісний кількісний коефіцієнт (що приблизно означає "для більшості"). Вони довели, що (опускаючи деталі):∃+

(∀y)(∃+z)ϕ(x,y,z)⇒(∃+C)(∀y)(∃z∈C)ϕ(x,y,z)

Зауважимо, що це логічна теорема другого порядку.

Використовуючи лемму обміну, вони довели ряд цікавих теорем, таких як теорема БПП та теорема . Я посилаюсь на оригінальний папір для отримання додаткової інформації.MA⊆AM

Теорема , аналогічна теоремі Короп-Lipton згадується в Райан Вільямс пост: .coNP⊂NP/Poly⟹Π3P=Σ3P


Нітпікінг: Я хотів би зазначити, що фактичне підтвердження BPP⊆P / poly вимагає трохи більше, ніж написано тут, тому що поради, що працюють лише для 2/3 частки екземплярів, недостатня. Але я думаю, що важливим моментом першої половини цієї відповіді є те, що доказ BPP⊆P / poly може розглядатися як щось подібне до зворотного визначення кількості, що цілком справедливо.
— Цуйосі Іто,

@Tsuyoshi: Ви праві. Але в решті доказів використовується послідовне повторення і пов'язане Черноффом, щоб довести існування який працює для всіх, крім експоненціально малої частини входів; і, як ви вже сказали, це не має відношення до зворотного зміни кількісних показників, тому я його опустив. r
— М. С. Дусті

Я не впевнений, чи ви зрозуміли мою думку. Моя думка, що твердження про «середню лему» недостатньо для підтвердження BPP proveP / poly. Вам потрібна дещо тонша оцінка, а саме оцінка очікуваної ймовірності E_b [Pr_s φ (s, b)] замість max_b [Pr_s φ (s, b)].
— Цуйосі Іто,

@Tsuyoshi: Боюся, що я тебе не отримав. У попередньому коментарі я зазначив, що спочатку посилюємо 1/3 помилку до , а потім застосовуємо лемму усереднення. Ось повноцінний доказ, узятий із книги Голдрейха. Я щось пропускаю? 2−|x|
— М.С. Дусті,

Дякую! Я нерозумів ваш коментар. Я не знав, що BPP⊆P / poly можна довести, спочатку зменшивши помилку, а потім застосувавши лемму усереднення (я думав про протилежний порядок).
— Tsuyoshi Ito
Використовуючи наш веб-сайт, ви визнаєте, що прочитали та зрозуміли наші Політику щодо файлів cookie та Політику конфіденційності.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.