我们研究了稠密图类(有界秩宽图类)上的图同构问题、逻辑可定义性和结构图论之间的相互作用。证明了维数(3)的组合weisfeiller - leman算法k+ 4)是对秩宽最多的所有图的类的完全同构检验k。我们的结果的一个结果是第一个多项式时间正则化算法的图有界秩宽度。
我们的第二个主要结果解决了描述复杂性理论中的一个开放问题:我们证明了带计数的不动点逻辑精确地表达了有界秩宽图的多项式时间性质。
回到顶部一个>
是否存在一种有效的算法来决定两个图是否同构的问题是理论计算机科学中最古老和最著名的未决问题之一。已经在卡普的书中提到过了18一个>关于NP完全组合问题的开创性文章,图同构(从现在起:GI)一直是NP中为数不多的既不能在多项式时间内求解也不能为NP完全的自然问题之一。这个问题最近受到了相当多的关注,因为爸爸的1一个>在拟多项式时间内确定GI的突破算法npolylog (n).
然而,GI是否可在多项式时间内求解的问题仍然是开放的。多项式时间算法因GI对许多有趣的图类的限制而闻名,例如平面图类14一个>,有界度的类19一个>,甚至所有不将固定图作为拓扑子图的类9一个>,直到最近,有界秩宽度的图类。11一个>
排名宽度,由乌姆和西摩介绍,21一个>是一个图不变量,它度量以某种样式分层分解图的效果。在这方面,它类似于更广为人知的树宽,但树宽根据两边之间的“连通性”来衡量分层分解中分离的复杂度或宽度,秩宽根据分离的两边之间的边的邻接矩阵的秩来衡量分离的复杂性(参见<一个href="https://dl.acm.org/cms/attachment/db0e9486-aeca-46f9-a18b-0e94865abe86/f1.jpg" onclick="window.open(this.href, '', 'resizable=yes,status=no,location=no,toolbar=no,menubar=no,fullscreen=no,scrollbars=no,dependent=no,width=708,height=300'); return false;">图1一个>).与树宽度相反,秩宽度也是对密集图的简单性的一种有意义的度量。例如,一个完整图(可以说是最简单的密集图)的秩宽是1。等级宽度与派系宽度密切相关,5一个>另一个被充分研究的基于图语法的图不变量。许多困难的算法问题都可以在有界秩宽图上,或者等价地在有界团宽图上有效地求解,其中所有的问题都可以在一元二阶逻辑中定义。4一个>
图1。一个秩宽为2的密集图(左)和这个宽度为2的图的分层“秩分解”(右)。由于顶点切割和右边的分解是非常规则的,所以秩宽较低。
本文研究了有界秩宽图类的图同构问题和密切相关的图规范化问题,以及图类的逻辑可定义性和描述复杂性。我们工作的技术核心是一种美丽的连接。2一个>)是一种通用的组合图同构算法weisfeler - leman算法和一种通常用于证明逻辑中下界的Ehrenfeucht-Frässé风格的博弈。
虽然已知秩宽有界图类的多项式时间同构算法11一个>在此工作之前,该算法的运行时间为nf(k),在那里n顶点的个数和k输入图的秩宽,和f是一个nonelementary函数。此外,该算法非常复杂,使用了结构图论的先进技术12一个>以及群论图同构机制。19一个>
我们的第一个贡献是秩宽最多的图的一个简单同构检验k运行的时间nO(k).实际上,我们使用的算法是一种通用的组合同构检验,称为weisfeiller - leman算法。23一个>,<一个href="#R1">1一个>,<一个href="#R2">2一个>的ℓ-维Weisfeiler-Leman算法(ℓ迭代- wl)颜色ℓ-tuple的两个输入图形的顶点,然后比较得到的颜色图案。如果它们不同,我们就知道这两个输入图是非同构的。如果两个图形具有相同的颜色图案,一般来说,它们仍然可能是非同构的。2一个>因此ℓ-WL不是完整的所有图的同构检验。但是,我们证明了它适用于秩宽有界的图。我们说ℓ- wl标识一个图表G如果它区别G从每一个图H不同构G。
定理1。的(3k+ 4) -维维weisfeler - leman算法识别秩宽不超过k的每一个图。
结合这个定理和Immerman和Lander关于WL算法运行时间的结果,我们得到:
推论2。秩宽为k的图在时间O时可以确定同构性(n3.k+ 5日志n).
另一种表述定理1的方法是Weisfeiler-Leman (WL)维度8一个>的秩宽图k最多是3k+ 4。众所周知,许多自然图类都具有有限的WL维数,其中所有的图类都不包括一些固定的小图。8一个>但这些类大多由稀疏图组成,其边数与顶点数呈线性关系。我们的结果添加了一个丰富的类家族,其中包括密集的图。
在图同构的许多应用中,实际上有必要计算一个图的规范表示,即所谓的规范形式,而不是仅仅判断两个图是否同构。一个规范形式对于图形课来说C是一个函数k:C→C这样
注意类的同构问题C很容易简化为计算的规范形式C(例如,给定一个图表G∈C,计算k(G))。另一个方向的减少是不知道的。然而,已知如果一类图最多有WL维ℓ然后有一个算法计算该类的标准形式O(nℓ+3日志n).因此,作为定理1的另一个推论,我们得到了秩宽度有界图的第一个多项式时间规范化算法。
推论3。有一种算法可以计算时间O中秩宽不超过k的一类图的标准形式(n3.k+ 7日志n).
本文的第二部分是描述复杂度理论,其目的是将计算复杂度和描述(或逻辑)复杂度联系起来。这个领域的核心开放性问题是,是否存在一种逻辑捕获多项式时间。3.一个>,<一个href="#R13">13一个>我们将把这个问题及其背景的更详细的讨论推迟到第4节,在这一点上只陈述我们的主要结果。
定理4。定点逻辑计数FP + C捕获每一类有界秩宽图的多项式时间。
在一个非常高的层面上,这两个定理之间的联系是为了证明定理4,我们在逻辑FP+C的范围内模拟定理1的证明。
本文的其余部分组织如下:第2节对weisfeler - leman算法进行了全面介绍。在第三节中,我们正式地引入秩宽,并非正式地简述了定理1的证明。最后,第4节致力于描述复杂性理论和定理4。
2.1.颜色细化算法
解决图同构问题的最简单的组合程序之一是颜色细化算法。简而言之,基本思想是用迭代度序列标记图的顶点。更准确地说,一种最初一致的颜色通过计算每种颜色的相邻颜色的数量来反复细化。
让G是一个图。让χ1,χ2:V(G)→C是顶点的颜色C是一个有限的颜色集合。的着色X1改进X2,用χ1χ2,如果χ1(v) =χ1(w)意味着χ2(v) =χ2(w)为所有v,w∈V(G).的色素X1而且X2是等效,用X1≡X2,如果X1X2而且X2X1.
我们给出了颜色细化算法的形式化描述。最初,所有顶点都被分配相同的颜色。在形式上,我们定义<我米g alt="cacm6405_x.gif" src="https://dl.acm.org/cms/attachment/a4109db8-01db-428a-bcef-bd0ef0fa2e13/cacm6405_x.gif">对所有v∈V(G).然后,对着色进行迭代细化如下我> 0,我们定义<我米g alt="cacm6405_y.gif" src="https://dl.acm.org/cms/attachment/9e994967-5165-499a-9332-84cd573b896f/cacm6405_y.gif">在哪里
在上一轮中计算的相邻颜色的多集。
在每一轮中,算法计算一个比上一轮计算的颜色更细的颜色,即:<我米g alt="cacm6405_z.gif" src="https://dl.acm.org/cms/attachment/ba399a6d-7e5b-428c-875d-1662f2e805e6/cacm6405_z.gif">.在某一时刻,这一过程趋于稳定,意味着颜色不再严格地变得更细。换句话说,有一个极小值我*∈N<我米g alt="cacm6405_aa.gif" src="https://dl.acm.org/cms/attachment/32a9eba3-c68a-4469-92e0-6f9479e23781/cacm6405_aa.gif">.我们把相应的颜色表示为稳定的着色和定义<我米g alt="cacm6405_ab.gif" src="https://dl.acm.org/cms/attachment/101977e8-9751-4e4e-a3b9-661dc1646f90/cacm6405_ab.gif">.作为一个例子,长度为6的路径的着色序列描述在<一个href="https://dl.acm.org/cms/attachment/f37cd60a-1efe-4966-8984-fdaa81fa2a0a/f2.jpg" onclick="window.open(this.href, '', 'resizable=yes,status=no,location=no,toolbar=no,menubar=no,fullscreen=no,scrollbars=no,dependent=no,width=680,height=283'); return false;">图2一个>.
图2。颜色优化算法在长度为6的路径上的迭代。
颜色细化算法以图形作为输入G和输出(相当于)XG.它可以在几乎线性的时间内实现,也就是说,在时间上O((n+米)日志n),n表示顶点和的数量米的边数G。
颜色细化算法最常见的应用之一是作为GI的启发式。由于颜色细化算法计算的颜色以同构不变的方式定义,每一个同构:GH两个图G而且H满足,χG(v) =χH对所有v∈V(G).颜色细化算法区分G而且H如果有一种颜色c这样
从而确定算法上颜色的细化算法是否有效区分G而且H的不相交并集上运行颜色细化算法G而且H并决定是否有颜色c这在两个图中出现的次数不同。
如果颜色细化算法不区分G而且H,我们写GH。请注意,
对所有的图表G而且H。不幸的是,反向的含义并不成立。例如,尽管两个图形是非同构的,但颜色细化算法并不区分两个三角形的不相交并集和一个长度为6的循环。
尽管颜色细化算法很简单,但它可以作为大量图的完全同构测试。我们称之为颜色优化算法标识一个图表G如果它区别G从每一个非同构图H。例如,我们知道颜色细化算法几乎肯定地识别随机图。
再加上它的效率,使得颜色优化算法成为GI背景下流行的子程序,在许多实际和理论算法中都得到了应用。
2.2.的k维算法
虽然颜色细化算法通常用作完全同构检验,但其能力仍然受到很大限制。例如,给定任意两个d正则图G而且H,颜色细化算法不区分G而且H。的Weisfeiler-Leman算法提供对颜色细化算法的扩展,该算法不只是为单个顶点着色k-顶点的元组,用于固定的数量k。这给了算法额外的表达能力增加的值k,但代价是计算复杂度更高。
让G是一个图,让k∈n .的k维Weisfeiler-Leman算法(k-WL)是一个过程,给定一个图G的同构不变初始着色k-顶点的元组,然后以同构不变的方式迭代地改进这种颜色。一维weisfeler - leman算法与上述颜色细化算法完全对应。
对于高维算法的描述,请固定k≥2,令G= (V,E)是一个图表。最初的颜色<我米g alt="cacm6405_ac.gif" src="https://dl.acm.org/cms/attachment/78f17a35-17af-4dfd-8ac9-c8d94251e6b0/cacm6405_ac.gif">计算k-WL决定每个∈Vk底层有序诱导子图的同构型。更准确地说,<我米g alt="cacm6405_ad.gif" src="https://dl.acm.org/cms/attachment/74f52128-461e-429c-bee7-9c6937b80d0b/cacm6405_ad.gif">如果对所有我,j∈(k它拥有v我=vj当且仅当w我=wj,v我vj∈E当且仅当w我wj∈E.初始着色是通过迭代计算着色来改进的<我米g alt="cacm6405_ae.gif" src="https://dl.acm.org/cms/attachment/e075bfb6-e1b7-4ca0-9d84-dc42d7442e08/cacm6405_ae.gif">为我> 0。= (v1、……vk),w∈V,让我/w: = (v1、……v我−1,w,v我+1、……vk的元组通过替换我-th项with vertexw。现在我们定义<我米g alt="cacm6405_af.gif" src="https://dl.acm.org/cms/attachment/fce58920-fd73-4ad1-b500-7cdfdf416feb/cacm6405_af.gif">在哪里
从颜色的定义,很明显<我米g alt="cacm6405_ag.gif" src="https://dl.acm.org/cms/attachment/4748b7d8-6130-4ed6-8aa0-6033a32dfe67/cacm6405_ag.gif">.现在我们我*∈N是这样的最小值<我米g alt="cacm6405_ah.gif" src="https://dl.acm.org/cms/attachment/9c4a352e-4ac7-406d-8529-7d320c6b81e1/cacm6405_ah.gif">.对于这个我*,着色<我米g alt="cacm6405_ai.gif" src="https://dl.acm.org/cms/attachment/de769c20-39da-4d7a-be67-b3912be92860/cacm6405_ai.gif">被称为稳定的着色的G关于k-WL,表示为XG、k.
举个例子,颜色XG,2在哪里G是否描述了长度为9的循环<一个href="https://dl.acm.org/cms/attachment/e2c36e6e-1dba-4976-95f1-f8b6cd69cb74/f3.jpg" onclick="window.open(this.href, '', 'resizable=yes,status=no,location=no,toolbar=no,menubar=no,fullscreen=no,scrollbars=no,dependent=no,width=363,height=358'); return false;">图3一个>.
图3。2-WL在长度为9的循环上的稳定着色。在本例中,χG,2(v,w) =χG,2(w,v)为所有v,w∈V(G),因此,所有颜色都由无向边表示。
的k维Weisfeiler-Leman算法接受一个图作为输入G然后计算(一种颜色相当于)XG、k.
定理5 (Immerman和Lander17一个>).设G是一个图。然后,等价于X的同构不变着色G、k可以在时间O(nk+1日志n).
我们扩展了为颜色细化算法引入的符号。的k维Weisfeiler-Leman算法区分两个图形G而且H如果有颜色的话c这样|(χG,k)−1(c(χ)|≠|H,k)−1(c) |。在这种情况下是这样的G而且Hnonisomorphic。两个图形G而且H是等效关于k- wl,用GkH,如果他们没有被区分k- wl。一个图表G是确认通过k- wl如果GkH当且仅当G≅H对所有的图表H。的Weisfeiler-Leman维度的图G是最小的数k∈Nk- wl标识G。
2.3.一个卵石游戏
当与weisfeler - leman算法的定义直接争论时,提供某些图的weisfeler - leman维的上界通常是相当复杂的。实际上,利用weisfeler - leman算法的其他特性来完成这项任务通常更方便。特别地,下面的卵石博弈被认为可以捕获与weisfeler - leman算法相同的信息。
让k∈N。对图G,H在相同数量的顶点上,我们定义双射k-pebble游戏英国石油公司k(G,H)如下:
我们说扰流器(resp。复印机)赢得双射k卵石游戏英国石油公司k(G,H如果剧透(resp.)(《Duplicator》)有一个游戏的制胜策略。
此外,申请的职位<我米g alt="cacm6405_ap.gif" src="https://dl.acm.org/cms/attachment/d889f5ab-7e10-47e5-ad6e-c59dedbe5b38/cacm6405_ap.gif">扰流板(分别地。复印机)赢得了比赛英国石油公司k(G,H)从位置如果剧透(分别地。在游戏BP中有一个制胜策略k(G,H)从初始位置开始<我米g alt="cacm6405_ar.gif" src="https://dl.acm.org/cms/attachment/472ed49f-6cec-4393-9a32-0edb4da5191d/cacm6405_ar.gif">.
下一个定理连接了双射k-卵石博弈到weisfeler - leman算法。
定理6 (Cai等。2一个>).让克,H是两个图,让∈V(G)k而且<我米g alt="cacm6405_as.gif" src="https://dl.acm.org/cms/attachment/1c458c3d-2846-41a9-be66-c7f0518a3bdd/cacm6405_as.gif">.然后<我米g alt="cacm6405_at.gif" src="https://dl.acm.org/cms/attachment/fdbd3c8b-3998-47c3-af0d-16b480caec62/cacm6405_at.gif">当且仅当复制人赢了卵石游戏英国石油公司k+1(G,H)的立场.
推论7。设G和H是两个图。然后GkH当且仅当复制人赢了卵石游戏英国石油公司k+1(G,H).
秩宽是由Oum和Seymour首先提出的一个图不变量21一个>它衡量的是某种图形层次分解的宽度。直观地说,目标是以分层的方式,沿着低复杂度的切面重复分割图的顶点集。对于秩宽度,一个切口的复杂度是用捕获切口两边在2元场F上的邻接矩阵的秩来衡量的2.
让G是一个图。为X,Y⊆V(G),我们定义<我米g alt="cacm6405_av.gif" src="https://dl.acm.org/cms/attachment/3e7edc8a-456b-42cd-8945-485fc8924970/cacm6405_av.gif">(在哪里米(X,Y))x,y= 1当且仅当xy∈E(G).此外,<我米g alt="cacm6405_aw.gif" src="https://dl.acm.org/cms/attachment/25c215b4-a995-47a6-8e5e-1b5547b9f972/cacm6405_aw.gif">在哪里<我米g alt="cacm6405_ax.gif" src="https://dl.acm.org/cms/attachment/033eb0c0-6d7f-4149-81eb-701354059c2c/cacm6405_ax.gif">和rk2(一个)表示F2矩阵的-秩一个。
一个秩分解的G是一个元组(T,γ)由二叉有向树组成T和一个映射γ:V(T)→2V(G)这样
(R.1)γ(r) =V(G),r是的根T,
(R.2)γ(t)=γ(t1)∪γ(t2),γ(t1)∩γ(t2)对于所有内部节点=/t∈V(T有孩子的)t1而且t2,
(R.3) |γ(t)| = 1为所有t∈l(T),l(T)表示树的叶的集合T。
注意,不要给予γ,我们可以等价地指定一个双射f:l(T)→V(G)(这完全说明了γ按条件(R.2))。的宽度的秩分解(T,γ)是
一个图的秩宽G是
图表的例子G的秩分解G提供了<一个href="https://dl.acm.org/cms/attachment/db0e9486-aeca-46f9-a18b-0e94865abe86/f1.jpg" onclick="window.open(this.href, '', 'resizable=yes,status=no,location=no,toolbar=no,menubar=no,fullscreen=no,scrollbars=no,dependent=no,width=708,height=300'); return false;">图1一个>和(更详细)<一个href="https://dl.acm.org/cms/attachment/e9f304a0-adcd-4f9e-9d17-1bda69461838/f4.jpg" onclick="window.open(this.href, '', 'resizable=yes,status=no,location=no,toolbar=no,menubar=no,fullscreen=no,scrollbars=no,dependent=no,width=1093,height=386'); return false;">图4一个>.
图4。一个图表G在左边和一个潜在的秩分解G右边的宽度为3。举个例子,矩阵米({6,7,8,9,10},{1,2,3,4,5})。请注意,ρG({6,7,8,9,10]) = 3。
小团体的宽度5一个>是另一种旨在描述图的结构复杂性的度量。它基于一种自然的图语法。
为k∈N,k-graph是一对(G、实验室)G是一个图表和实验室:V(G)→k是顶点的标记。我们定义了以下四个操作k图:
一个k-expression t这些符号和定义的表达式是否格式良好k图(G、实验室)。在这种情况下,t是一个k表达式为G。图的团宽G,表示为cw(G),为最小值k∈N,使得有一个k表达式为G。
例1。表达式
图的2表达式在吗<一个href="https://dl.acm.org/cms/attachment/db0e9486-aeca-46f9-a18b-0e94865abe86/f1.jpg" onclick="window.open(this.href, '', 'resizable=yes,status=no,location=no,toolbar=no,menubar=no,fullscreen=no,scrollbars=no,dependent=no,width=708,height=300'); return false;">图1一个>.“常数”的颜色我指出它们对应于图中的哪个节点。
比较派系宽度和等级宽度,每个参数都是有界的。21一个>更准确地说,是每一张图G,它认为
另外,一个图的秩宽G是否以树的宽度为界G,用tw(Grw), (G)≤太瓦(G) + 1。注意,图的树宽度不能根据其秩宽度有界。例如,完整的图形上n顶点Kn列宽rw(Kn) = 1和树宽度tw(Kn) =n−1。
3.1秩宽有界图的WL维数
该工作的第一个主要结果限定了秩宽最多图的weisfeler - leman维数k通过一个线性函数k。
定理8。的(3k+ 4) -维维weisfeler - leman算法识别秩宽不超过k的每一个图。
注意,由式(1),同样的结果及其所有结果也适用于最多团宽的图k。
在本节的其余部分,我们提供定理8证明的一个高级草图。我们需要证明,对于每两个非同构图G而且H这样rw (G)≤k, (3k+ 4)维威斯菲勒-勒曼算法之间的区分G而且H。利用k-WL在卵石游戏方面(见推论7),它实际上足以表明扰流者赢得了双射{3k+ 5)卵石游戏BP3.k+ 5(G,H).
为了描述剧透者的策略,让我们修改输入图G而且H以及一些秩分解(T,γ)G宽度的最大值k。扰流器的基本思想是沿着等级分解G以向下的方式,以便将两个输入图之间的“差异”限制在图的越来越小的区域。更准确地说,对于他的策略,剧透者保持了集合XG⊆V(G),XH⊆V(H)和顶点<我米g alt="cacm6405_az.gif" src="https://dl.acm.org/cms/attachment/7e46a804-c06b-414a-99c2-85b1dc65c0be/cacm6405_az.gif">而且<我米g alt="cacm6405_ba.gif" src="https://dl.acm.org/cms/attachment/03966e9a-3ac1-410f-98a2-f2af0f8d734e/cacm6405_ba.gif">在哪里p≤k没有同构的:G[XG)→H[XH)与<我米g alt="cacm6405_bb.gif" src="https://dl.acm.org/cms/attachment/c4e93bb2-2d86-4f67-9b1a-6f5d610a6107/cacm6405_bb.gif">而且<我米g alt="cacm6405_bc.gif" src="https://dl.acm.org/cms/attachment/2f108678-855f-4b44-9889-b18267bf6576/cacm6405_bc.gif">(G[XG),H[XH表示顶点集上的诱导子图XG而且XH).通过逐渐减少集合的大小XG,剧透者最终赢得游戏,因为,一旦|XG|≤2k+ 1,整个集合XG可以铺。
演出期间,布景XG本质上对应于集合γ(t),t∈V(T的秩分解的一个节点G在哪里,随着戏的进展,扰流器移动的等级分解,以强制减少规模的集合XG.最初,XG: =V(G),XH=:V(H),p= 0,t的秩分解的根节点是G。
为了在等级分解中强制下降,扰流者的目标是移动到两个子元素中的一个t1,t2的t在秩分解中(T,γ).为了维护上面描述的不变量,有必要“拆分”γ(t1)γ(t2)在图中G这样两个集合之间就不存在依赖关系了。这使得扰流器可以将两个输入图之间的“差异”限制在两边之一。为了实现“分割”,我们引入了a的概念对分裂。
让G是一个图形X⊆V(G).为v,w∈X,我们定义v≈Xw如果<我米g alt="cacm6405_bd.gif" src="https://dl.acm.org/cms/attachment/d260f719-b071-41c3-9c34-30421695c506/cacm6405_bd.gif">.为v∈X,我们定义这个向量<我米g alt="cacm6405_be.gif" src="https://dl.acm.org/cms/attachment/cfd3404a-e58c-4599-b4fe-0d31720bd88f/cacm6405_be.gif">在哪里一个v,w= 1当且仅当大众∈E(G).请注意,v≈Xw当且仅当vecx(v) = vecx(w).此外,对于一个⊆X,我们定义vecx(一个) = {venX(v) |v∈一个}。
对于任何向量的集合<我米g alt="cacm6405_bf.gif" src="https://dl.acm.org/cms/attachment/ce24c8ae-d388-4310-825e-70964d65aa1b/cacm6405_bf.gif">,我们用年代由张成的线性空间年代。一组<我米g alt="cacm6405_bg.gif" src="https://dl.acm.org/cms/attachment/effa29f9-573c-4e2b-b803-1445935df3df/cacm6405_bg.gif">是一个线性的基础年代如果B是线性无关的B=年代.
定义1。让G是一个图形X是一个图形V(G).一对(一个,B)是一个X对分离如果
请注意,|一个| =ρG(X)和|B| =ρG(X).还要注意if (一个,B)是一对分裂的X然后(B,一个)是一对分裂的<我米g alt="cacm6405_bk.gif" src="https://dl.acm.org/cms/attachment/aefb4989-5f74-42dc-9d68-7b8d2206dd71/cacm6405_bk.gif">.作为一种特殊情况,pair(/,/)被定义为for的分裂pairX=V(G).一个X的有序分裂对是一对<我米g alt="cacm6405_bl.gif" src="https://dl.acm.org/cms/attachment/5ed143f6-5c84-437f-8faf-33e47df32eef/cacm6405_bl.gif">这样({一个1、……一个p}, {b1、……bp})是对的分裂对X。
现在关于分离对的核心主张是,在有序的分离对中添加鹅卵石<我米g alt="cacm6405_bm.gif" src="https://dl.acm.org/cms/attachment/ac16deba-5e56-4adc-a615-ed684506e6a8/cacm6405_bm.gif">为X呈现X独立于它的补体。为了可视化这种独立性,我们使用了颜色细化算法。为此,我们定义<我米g alt="cacm6405_bn.gif" src="https://dl.acm.org/cms/attachment/d79c28c3-8999-40b0-addd-9538c0834e05/cacm6405_bn.gif">是用颜色细化算法在图上计算的着色G所有顶点一个1、……一个p,b1、……bp是个性化的最初(也就是说,列出的每个顶点都被分配了一个与所有其他顶点的颜色不同的新颜色)。此外,我们考虑了a的概念翻转功能这允许我们在颜色的某些颜色类之间翻转边缘<我米g alt="cacm6405_bo.gif" src="https://dl.acm.org/cms/attachment/c7bd961f-82ad-4b17-b107-cdcf8d92cb77/cacm6405_bo.gif">.
定义2。让G= (V,E)是一个图表和XV→C顶点的颜色。一个G的翻转函数是一个映射f:C×C→{0,1}这样f(c,c') =f(c”,c)为所有c,c '∈C。
对于翻转函数f,我们定义翻转图Gf= (V,Ef),
下面的引理给出了拆分的关键工具X从它的补充。对于一个图G一个翻转函数f,让Comp (G,f)⊆2V(G)的连接分量的顶点集合Gf.观察到Comp (G,f的顶点集的一个分区G。
引理9。让克= (V,E)是一个图和X⊆诉也让是X的有序分裂对。
然后有一个翻转函数f对应于有颜色的图G<我米g alt="cacm6405_bo.gif" src="https://dl.acm.org/cms/attachment/c7bd961f-82ad-4b17-b107-cdcf8d92cb77/cacm6405_bo.gif">这样每一个C∈Comp (G,f)它认为C⊆X或.
这个过程在<一个href="https://dl.acm.org/cms/attachment/7f8aaf18-8e37-4261-bab4-eef0704e79a9/f5.jpg" onclick="window.open(this.href, '', 'resizable=yes,status=no,location=no,toolbar=no,menubar=no,fullscreen=no,scrollbars=no,dependent=no,width=662,height=675'); return false;">图5一个>将示例作为输入<一个href="https://dl.acm.org/cms/attachment/db0e9486-aeca-46f9-a18b-0e94865abe86/f1.jpg" onclick="window.open(this.href, '', 'resizable=yes,status=no,location=no,toolbar=no,menubar=no,fullscreen=no,scrollbars=no,dependent=no,width=708,height=300'); return false;">图1一个>.
图5。为了分裂X从它在图中的补G(左上),我们个性化一个拆分对(右上),计算着色<我米g alt="cacm6405_bo.gif" src="https://dl.acm.org/cms/attachment/c7bd961f-82ad-4b17-b107-cdcf8d92cb77/cacm6405_bo.gif">使用颜色细化算法(左下),并对图应用合适的翻转函数(右下)。
由于对两个输入图形应用翻转函数既不会改变同构问题也不会改变双射卵石博弈的结果,扰流器可以简单地假装他在玩游戏Gf而且Hf而不是G而且H。为Gf而且Hf,扰流器现在可以限制游戏到两个图形的一对连接组件XG⊆V(G),XH⊆V(H),通过在两个组件上放置一个鹅卵石来标记它们。
现在,为了迫使等级分解中的一个下降步骤,扰流器鹅卵石为集合分裂成对γ(t1),γ(t2),以便使这些集合独立于图的其他部分。这允许扰流器跟踪两个输入图之间的差异到两个集合中的一个。
这几乎完成了下降步骤。事实上,扰流器唯一剩下的任务就是从前面的步骤中移除所有鹅卵石,以确保所需鹅卵石的数量不超过3个k+ 5。特别是,在顶点上放置的鹅卵石为一对劈开的γ(t)需要移除。
然而,不可能简单地移除这些鹅卵石,因为通过上面描述的不变量,集合XG而且XH只有当<我米g alt="cacm6405_br.gif" src="https://dl.acm.org/cms/attachment/5b1cc6fb-1ed7-49f3-b6cf-85e26de9de67/cacm6405_br.gif">以及<我米g alt="cacm6405_bs.gif" src="https://dl.acm.org/cms/attachment/2b944324-2955-45c9-9852-8bf0e2f42da2/cacm6405_bs.gif">鹅卵石(这些顶点需要临时固定,以允许引理9的应用)。为了规避这个问题,我们引入不错的分裂对的三倍。
定义3。让G是一个图形X,X1,X2⊆V(G),这样X=X1∪X2而且X1∩X2= /。让(一个,B是一对分裂的X我们(一个我,B我)被分成两对X我,我∈{1,2}。我们说(一个我,B我),我∈{1,2},为很好(就…而言(一个,B))如果
自然地,如果底层的无序拆分对三元组是好的,则有序拆分对三元组是好的。
直观地说,在执行下降步骤时,拆分对的漂亮三元组强制所有考虑的拆分对的显著重叠。这使得扰流器可以从上一个下降步骤中移除卵石,而不需要在其中解卵石任何顶点XG或XH.下面的引理保证了分离对的三元组的存在。
引理10。设G是一个图,X是,X1,X2⊆V(G)使得X=X1∪X2和X1∩X2= /。让(一个,B)是一对分开的x,然后有很好的分开的x(一个我,B我)X我对于我∈{1,2}。
因此,在所有步骤中,扰流器可以发挥一个很好的三重拆分对,并简单地在完成下降步骤后删除任何不需要的鹅卵石,同时保留上面给出的不变式。这就完成了策略的描述。
描述复杂度理论旨在从逻辑可定义性的角度描述计算复杂度,即将空间和时间等计算资源与递归机制或量词交替等语言资源联系起来。该领域最著名的结果是费金定理7一个>说明存在二阶逻辑捕获NP,也就是说,当且仅当图(或其他结构)的一个属性在存在二阶逻辑中可定义时,它在非确定性多项式时间内是可判定的。最著名的开放问题,可以追溯到钱德拉和哈雷尔那篇有影响力的论文3.一个>数据库查询语言,由Gurevich推广,13一个>询问是否有捕获PTIME(多项式时间)的逻辑。下面,我们将简要介绍描述复杂性的相关概念和结果。关于更多的背景,我们建议读者参考现有的文献(例如,艾宾浩斯和弗洛姆6一个>).
在描述复杂性理论中,计算问题通常使用有限的关系结构建模,例如,图。决策问题就是产权结构的,即在同构下封闭的一类结构。同构下的闭包很重要,因为它意味着性质是同构不变的。例如,“图是连通的”是一个有效的属性,而“第一个顶点有3次”则不是,因为图没有定义良好的“第一个顶点”。一个抽象的逻辑L是一组简单的句子,结构与句子之间存在满意关系。抽象逻辑L捕捉PTIME如果(i)它具有可判定的语法(句子集是有限字母上的可判定字符串集);(ii)它具有ptime可决定的语义,即存在一种算法,给定一个L的句子和一个结构一个,决定如果一个满足时间多项式的大小一个;以及(iii)每个可在ptime内决定的属性P的结构在L中是可定义的,也就是说,有一个L的句子恰好满足了那些具有性质的结构P.我们说L捕获了PTIMEC类结构如果所有属性都满足条件(iii)P⊆C。
尽管有很好的理由以这种方式定义一个捕获PTIME的抽象逻辑(参见Gurevich)13一个>),我们对PTIME的逻辑表征感兴趣的原因是希望它能给我们提供对高效计算机制的新见解。因此,我们对抽象的逻辑不是很感兴趣,而是对具有很少清楚理解的运算符的漂亮的逻辑语言感兴趣。在这方面被证明是自然和有用的逻辑是经典一阶逻辑FO的扩展,通过不动点算子允许它形式化迭代或递归定义。通胀定点逻辑FP是FO的一个健壮扩展,它具有一个定点操作符,允许它通过迭代地向初始的空关系添加元组来定义关系。
例2。fp句连接定义为
表示图是连通的。对于任意两个节点x,y, ifp(…)操作符计算连接的组件X的x通过添加x然后在每次迭代中,所有已经在的节点的邻居X。conn这句话的意思是所有人都是这样x,y,y属于被连接的组件X的x。
通常情况下,在逻辑中添加基本的算术也是很有用的,特别是计数能力。带有计数的通胀定点逻辑FP+C是FP的一个扩展,通过基本的算术和计数机制来描述自然数的初始部分。
例3。下面的FP+ c句定义了一类欧拉图(即具有循环遍历所有边的图,众所周知,正是所有顶点都具有偶度的连通图):
这里conn是在前面的例子#中定义的句子yE(x,y)定义节点数y它们与节点相邻x,甚至(n)是表达这一点的公式n是偶数。
因此,FP和FP+C通过两种基本的计算机制:迭代和计数扩展了提供基本逻辑机制的一阶逻辑。乍一看,似乎可以通过在FP中实现的迭代过程中枚举元素来模拟计算集合中元素的数量(例如,图中顶点的邻居集)。但这假定集合的元素可以按某种顺序排列,而这种顺序在结构中并不总是可用的。逻辑以同构不变的方式运作,在我们的集合中可能没有同构不变的顺序。
尽管FP和FP+C不能捕获ptime,但这对FP来说很容易证明,对FP+C来说却很难证明2一个>-已有研究表明,它们可以表达许多自然的PTIME属性,并且它们确实捕获了限制于大量种类结构的PTIME。作为起点,伊默曼15一个>独立和瓦迪22一个>证明了FP捕获了有序结构类上的PTIME,也就是只有一种关系的结构,即宇宙的线性顺序。注意,在有序结构上,我们可以使用迭代来模拟计数,因此,FP和FP+C具有相同的表达能力。当我们离开有序结构时,我们需要FP+C的显式计数机制。在一系列以专著结尾的论文中,8一个>证明了FP+C在所有不将固定图作为次要图的图类上捕获PTIME。特别地,这包括平面图类和所有有界树宽度的图类。除了这些都由稀疏图组成的类之外,我们对它们知之甚少。实际上,在密集图中,只有很少的类的例子是已知的FP+C捕获PTIME,其中大多数是交点图的相当有限的类(例如,区间图和排列图)。我们的第二个主要结果,定理4,说明FP+C在所有有界秩宽度的图类上捕获PTIME,拓宽了这些结果的范围到一个新的方向。
与以前的结果一样,定理4是用的框架证明的可确定的推崇。8一个>,<一个href="#R20">20.一个>回想一下,根据伊默曼-瓦迪定理,16一个>,<一个href="#R22">22一个>FP在所有有序结构的类上捕获多项式时间。把这个定理直接应用到一个类上C对无序结构的定义是在该类上定义一个线性顺序:如果有一个公式ord(x,y)的逻辑FP定义了在所有结构上的线性顺序C,那么FP仍然捕获多项式时间C。不幸的是,这种观察很少适用,因为通常不可能定义线性顺序。例如,在具有非平凡自同构的结构上定义线性顺序是不可能的。
一个更精致的想法,叫做可确定的圣典,就是定义一个命令复制输入结构的。要实现这个想法,FP+C特别适合,因为它允许我们讨论自然线性顺序的自然数的初始段。从技术上讲,可定义的规范化基于语法解释,这允许使用逻辑公式在另一个结构中定义一个结构。(在数据库术语中,一个句法解释是一个视图。)
不深入任何细节,让我们只说明定理4证明的主要技术引理说明对于所有k所有秩宽图的类k允许FP+C可定义的封圣。证明这一引理的思想是实现秩宽图的规范化过程k基于(3k+ 4)维weisfeler - leman算法由一个公式的逻辑FP+C。
关于所有进一步的细节,我们建议读者参阅本文的完整版本。10一个>
本文研究了有界秩宽图的同构和封圣问题。第一个主要结果是秩宽最多的图的weisfeler - leman维数k最多是3k+ 4。这意味着秩宽最多的图的同构检验和标准形式的计算k能及时完成吗nO(k).
自然,有必要进一步改善这两个问题的复杂性。实际上,一个重要的开放问题是,当用秩宽参数化时,同构检验是否也具有固定参数可处理性(即是否存在一种算法来测试最多秩宽图的同构性)k在时间f(k)nc对于一些可计算函数f一个绝对常数c).
第二个主要结果表明,对于每一个k∈N,带计数的不动点逻辑最多捕获秩宽图类上的PTIMEk.
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马丁高仪(<一个href="mailto:grohe@informatik.rwth-aachen.de">grohe@informatik.rwth-aachen.de一个>),德国亚琛工业大学。
丹尼尔Neuen(<一个href="mailto:neuen@informatik.rwth-aachen.de">neuen@informatik.rwth-aachen.de一个>),德国亚琛工业大学。
这篇论文的前一个版本,题为“有界秩宽图的规范化和可定义性”发表在34人会议记录th年度ACM和IEEE计算机协会。计算机科学中的逻辑(加拿大BC省温哥华,2019),1-13。
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