Кількість двійкових шлюзів, необхідних для обчислення І і АБО з n вхідних бітів одночасно


16

Яка мінімальна кількість двійкових воріт, необхідних для обчислення І і АБО з вхідних бітів одночасно? Тривіальна верхня межа дорівнює 2 n - 2 . Я вважаю, що це оптимально, але як це довести? Стандартна техніка усунення затвора тут не працює, оскільки призначаючи константу будь-якій із вхідних змінних, тривіалізує один із результатів.n2n−2

Проблема також подана як вправа 5.12 у книзі "Складність булевих функцій" Інго Вегенер у дещо іншій формі: "Нехай . метод усунення можна довести лише нижню межу розміру n + Ω ( 1 ) . Спробуйте довести більші нижні межі. "fn(x)=x1…xn∨x¯1…x¯nn+Ω(1)


1
@Ryan: Питання не про те і в OR , а про І та АБО. Я не знаю відповіді на запитання Саші.
— Цуйосі Іто

1
@TsuyoshiIto Дякую, мені якось вдалося проаналізувати його неправильно. Це, безумовно, нетривіальна проблема - можна уявити, використовуючи інші типи воріт, щоб отримати перевагу над . 2n−2
— Райан Вільямс

2
@Sasha, ви спробували застосувати SAT-рішення для невеликих прикладів (наприклад, ), як у деяких попередніх роботах? n=4
— Райан Вільямс

2
@Ryan Так, звичайно. Ми знаємо, що , C 4 = 5 , C 5 ≤ 7 . Це для функції з книги (це 1, якщо всі n вхідних бітів рівні). Це зростає як 2 n - 3 . І схему розміром 2 n - 3 побудувати легко: спочатку обчислити x i ≡ x i + 1 для всіх i = 1 , … , n -C3=3C4=5C5≤71n2n−32n−3xi≡xi+1 ( ( n - 1 ) ворота), а потім обчислити сполучення їх ( ( n - 2 ) воріт). i=1,…,n−1(n−1)(n−2)
— Олександр Сергійович Куліков

1
@Tsuyoshi: Я думаю, що функція Саші ворота є другою функцією питання ( f n ( x ) = x 1 … x n ∨ ˉ x 1 … ˉ x n ), яку можна побудувати за допомогою n - 1 ворота XNOR (застосовані до x i , x i + 1 ) і n - 2 ворота І, застосовані до XNOR. 2n−3fn(x)=x1…xn∨x¯1…x¯nn−1xi,xi+1n−2
— Марціо Де Біасі

Відповіді:


14

Ця стаття Blum & Seysen може бути корисною:

Н.Блум, М. Сейсен. Характеристика всіх оптимальних мереж для одночасного обчислення AND і NOR . Acta Inf. 21: 171-181 (1984)

Я подумав, що для 2 n - c нижня межа може бути отримана за допомогою методів Blum & Seysen, але, здається, це не так.x1…xn∨x¯1…x¯n 2n−c


1
Чи доступна публічна версія PDF у форматі паперу Blum і Seysen?
— Marzio De Biasi

@ Владимир, дякую за довідку! Я спробую перевірити, чи застосовуються їх методи в цьому випадку, коли знайду статтю.
— Олександр Сергійович Куліков

3
@Vladimir, thans again! Actually, this paper contains exactly the answer to my question anv even more: it says that to compute AND and OR simultaneously one needs 2n−2 and any circuit of this size computes AND and OR independently (this is interesting!). It is also not difficult to show that C(fn)≥C(AND,OR)−c≥2n−c′.
— Alexander S. Kulikov

2n−2x1…xn∨x¯1…x¯n2n−5

1
Просто нагадування @SashaK. якщо вам подобається відповідь, будь ласка, "прийняти" її, натиснувши на галочку під підрахунком голосів.
— Суреш Венкат

3

Your question is related to the well-known question about computing the minimum and maximum of a list simultaneously using the minimum number of comparisons. In that case the answer is 3⌊n/2⌋.

The clever algorithm proving the upper bound translates to an AND/OR circuit with same bound you get, since one of the comparisons computes both a minimum and a maximum.

However, the lower bound (given by an adversary argument) does seem to translate, at least in the case of monotone circuits (since an AND/OR circuit translates to a max/min algorithm). This would imply a lower bound of 3⌊n/2⌋. Perhaps a tight lower bound can be obtained by analyzing the adversary argument.

The upper bound appears in "Introduction to Algorithms", where you can also find the easy argument showing that max/min comparator circuits are valid iff they work for boolean inputs (use an appropriate threshold). The lower bound can be found e.g. here.


2
Note in Sasha's question, all 2-bit Boolean functions can be used to construct the circuit.
— Ryan Williams

Yes, it is not clear how the lower bound can be translated to the case of all binary functions.
— Alexander S. Kulikov
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.