«Крошечный» граф Изоморфизм


19

Размышляя о сложности проверки изоморфизма асимметричных графов (см. Мой связанный с этим вопрос о теории), у меня возник дополнительный вопрос.

Предположим, что у нас есть машина Тьюринга за полиномиальное время которая на входе генерирует граф с узлами.1 n G M , n nM1nGM,nn

Мы можем определить проблему :ΠM

("Крошечный" GI): Учитывая граф , изоморфна ?G G M , | V |G=(V,E)GGM,|V|

Другими словами , мы должны сравнить данный график с «опорным» графа того же размера , генерируемого фиксированным многочленом времени машины Тьюринга .M

Для всех полиномиальных Тьюринга машины , мы имеем , и для многих из них мы имеем . Но так ли это для всех ? Проблема известна?Π M ∈ N P Π M ∈ P MMΠM∈NPΠM∈P
M

На первый взгляд, я подумал, что каждый должен быть намного проще, чем , потому что для каждого существует только один «эталонный» граф такого размера, и, возможно, симметрии / асимметрии графов, сгенерированных могут быть использованы и эффективны. может быть построен специальный тестер изоморфизма ... но это не так: может содержать своего рода универсальную синхронизирующую машину полиномиального времени, которая использует (унарный) ввод для генерации совершенно разных (в структуре) графов ссылок как увеличивается. G I n M M 1 n nΠMGInMM1nn


Интересно, знаете ли вы пример P времени машина Тьюринга , которая генерирует график ? G M , NMGM,N
— Мухаммед Аль-Туркистани

@ MohammadAl-Turkistany: тривиальный пример, для которого - это TM которая просто выводит изолированных вершин (или другая - это TM, которая выводит ). Без ограничения общности мы можем также думать о модели, в которой каждое полиномиальное время TM над двоичным алфавитом генерирует контрольный граф: просто выберите первые бита ленты после ее остановки и интерпретируйте ее как матрицу смежности . М п К п п 2 О М , пΠM∈PMnKnn2GM,n
— Марцио Де Биаси

Для ТМ , что гарантирует , что имеет гамильтонов цикл, то я думаю не в . G M , n Π M PMGM,nΠMP
— Мухаммед Аль-Туркистани

@ MohammadAl-Turkistany: Я думаю, что это неправда: просто выберите ТМ, который просто строит цикл из узлов: для всех опорный граф, который имеет гамильтонов цикл, легко проверяется за полиномиальное время. Я имею в виду нетривиальный пример (довольно простого) генератора, для которого кажется трудным показать, что проблема в ; но я хочу сделать некоторые тесты с Nauty, прежде чем добавить его к вопросу. n PnnP
— Марцио Де Биаси,

1
Как насчет GI "Ицы Битцы", где для фиксированных M и N мы должны решить, одинаковы ли два графика, сгенерированные на 1 ^ n? (Это унарный язык.)
— domotorp

Ответы:


6

[Это скорее несколько расширенных комментариев, чем ответ.]

1) Если , то не существует фиксированной полиномиальной оценки временной сложности всех , даже для , для которого требуется только время, скажем, : если за все время - , , то ниже приведен алгоритм поли-времени для GI. На входе создайте машину Тьюринга с часами, которые гарантируют, что никогда не будет работать более чем на шагов на входах размера , и таким образом, что , а затем решить за времяΠ M M n 3GI∉PΠMMn3 M Π M ∈ D T I M E ( n k ) ( G , H ) M G M G n 3 n M G ( 1 | V ( G ) | ) = G Π M G ( H ) O ( n k )n3 MΠM∈DTIME(nk)(G,H)MGMGn3nMG(1|V(G)|)=GΠMG(H)O(nk),

2) Так как для любого , не сложнее , чем GI, можно было бы подумать , что лучший результат по линии « , кажется , не в » можно было бы надеяться не является GI -полнота результата. Тем не менее, мне кажется маловероятным, что какой-либо из будет GI-завершен, по крайней мере по следующим причинам:Π M Π M P Π MMΠMΠMPΠM

  • Все известные мне результаты полноты GI относятся к довольно большим классам графов, а не к одному графу каждого размера. Даже если вы полностью отбросите требование к эффективности, я не знаю ни одного списка графиков , для которого (или даже ), так что проверка изоморфизма является GI-полной.| V ( G n ) | = n p o l y ( n ) G nG1,G2,…|V(Gn)|=npoly(n)Gn

  • Относительно примечания, большинство (все?) Результатов GI-полноты представляют собой не просто сокращения «один-один», но имеют следующую форму: существует функция , которая дает экземпляр GI, является экземпляром другой GI-полной задачи. (Это просто многовременные морфизмы отношений эквивалентности или то, что Фортнау и я назвали «сокращениями ядра».) Мы можем легко показать безоговорочно, что такого сокращения от GI к любому (даже если вы измените определение, чтобы разрешить для вывода нескольких графиков.) Подсказка. Получите противоречие, показав, что любое такое должно полностью содержать свое изображение в .( G , H ) ( f ( G ) , f ( H ) ) Π M M f { G M , n } n ≥ 0f(G,H)(f(G),f(H))ΠMMf{GM,n}n≥0

3) Даже если можно построить на основе универсальной TM, как предложено в этом вопросе, возможно, все же можно создать эффективного тестера, но не эффективно. То есть, может быть , для каждого , в ?M Π M P / p o l yMMΠMP/poly


1

У меня нет ответа на ваш вопрос, но я предлагаю рассмотреть более ограниченную версию для которой мы можем показать, что она лежит в P.ΠM

Рассмотрим только семейства графов, в которых число ребер логарифмически растет. Я формализую это, перефразируя вашу формулировку проблемы, а также, чтобы понять, правильно ли я ее понял.

Ненаправленный граф с ребрами может быть описан длинной цепочкой , просто объединяющей элементы матрицы смежности в верхнем треугольнике. Следовательно, существует возможных графов на вершинах. Отсюда следует, что любая функция такая, что для всех описывает семейство графов. Для любой эффективно вычислимой такой функции мы определяем как н н 2 - нGn G2 n 2 - nn2−n2G nf:N→N0≤f(n)<2n2-n2n2−n2nf:N→N nfΠfG∈Πf0≤f(n)<2n2−n2nfΠf

G∈Πf⟺G is isomorph to the graph described by f(|V(G)|)

Для натурального числа пусть будет числом 1 в его двоичном представлении. Теперь рассмотрим для эффективно вычислимых функций для которых он содержит то есть семейства графов, для которых число ребер растет только логарифмически, как указано выше.xb1(x)Πff

b1(f(n))∈O(log⁡n)

Покажем, что для этого класса функций находится в P.Πf

Пусть такая функция, а входной граф с вершинами. Назовем графом ссылок. В контрольном графе не более ребер. Таким образом, каждая MCC (максимально связная компонента) может состоять не более чем из вершин, которых может быть не более . Обратите внимание, что для любой пары графов, имеющих только вершины, мы можем тривиально проверить изоморфизм за полиномиальное время относительноG n f ( n )fGnf(n)O(log⁡n)O(log⁡n)nO(log⁡n)nпотому что мы можем попробовать все перестановки. Таким образом, с помощью жадного алгоритма для присвоения каждому MCC входного графа А MCC в эталонном графике мы можем вычислить обе графы, являются ли isomorph.


Если я хорошо понял ваше , если число ребер растет только логарифмически по сравнению с то легко отбросить изолированные вершины и проверить за полиномиальное время, является ли изоморфной графу ссылок. Так что для этого ограниченного класса, . fnGΠf∈P
— Марцио Де Биаси

Действительно, это кажется более легким аргументом, чем я думал. Я включу это в свой ответ.
— Джон Д.

Учитывая, что та же самая аргументация работает для GI в целом, это не очень удовлетворительно. Я думаю, было бы интересно, если бы можно было улучшить верхнюю границу по краям в настройке , чтобы она больше не отображалась аналогично для работы с GI вообще. Πf
— Джон Д.

1
Для аргумента, использующего грубую силу (все перестановки в каждом компоненте), я думаю, что вам действительно нужно, чтобы каждый связанный компонент имел не более вершин:по существу . Однако, используя самый известный алгоритм GI, который занимает время , вы можете заменить на . ( журнал n ) ! ( log n ) log n = n log log n 2 √O(log⁡n/log⁡log⁡n)(log⁡n)!(log⁡n)log⁡n=nlog⁡log⁡n O(logn/loglogn)O(log2n)2vlog⁡vO(log⁡n/log⁡log⁡n)O(log2⁡n)
— Джошуа Грохов
Используя наш сайт, вы подтверждаете, что прочитали и поняли нашу Политику в отношении файлов cookie и Политику конфиденциальности.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.