Шешімдер ағашының моделі - Decision tree model - Wikipedia

Жылы есептеу күрделілігі The шешім ағашының моделі болып табылады есептеу моделі онда алгоритм негізінен а деп саналады шешім ағашы, яғни сұраулар немесе тесттер олар бейімделіп жасалады, сондықтан алдыңғы тесттердің нәтижелері тестке әсер етуі мүмкін.

Әдетте, бұл тестілердің нәтижелері аз болады (мысалы, «иә-жоқ» сұрағы) және тез орындалуы мүмкін (мысалы, бірлікті есептеу шығындарымен), сондықтан шешім ағашының моделіндегі алгоритмнің уақыттың ең күрделі күрделілігі сәйкес келеді тиісті шешім ағашының тереңдігі. Шешімдер ағашының моделіндегі есептің күрделілігі немесе алгоритмнің бұл түсінігі оның деп аталады шешім ағашының күрделілігі немесе сұраныстың күрделілігі.

Шешімдердің ағаштары модельдерін орнатуда маңызды рөл атқарады төменгі шекаралар үшін күрделілік теориясы есептеу есептері мен алгоритмдерінің белгілі кластары үшін. Байланысты шешімдер ағашының бірнеше нұсқалары енгізілді есептеу моделі және сұраныс алгоритмдерінің түрін орындауға рұқсат етіледі.

Мысалы, шешім ағашының аргументі а салыстыру туралы заттар алуы керек салыстырулар. Салыстыру үшін сұрау дегеніміз - екі затты салыстыру , екі нәтижемен (егер элементтер бірдей болмаса): екеуі де немесе . Салыстыру сұрыптарын осы модельде шешім ағашы ретінде көрсетуге болады, өйткені мұндай сұрыптау алгоритмдері сұраныстың тек осы түрлерін орындайды.

Сұрыптауға арналған ағаштар мен төменгі шектерді салыстыру

Шешім ағаштары көбінесе сұрыптау алгоритмін және басқа да осыған ұқсас мәселелерді түсіну үшін қолданылады; мұны алдымен Форд пен Джонсон жасады.[1]

Мысалы, көптеген сұрыптау алгоритмдері болып табылады салыстыру түрлері бұл дегеніміз, олар тек енгізу реті туралы ақпарат алады жергілікті салыстыру арқылы: тестілеу , , немесе . Сұрыпталатын элементтердің барлығы бір-бірінен ерекшеленеді және оларды салыстыруға болады деп есептесек, оны «иә-жоқ» сұрағы ретінде қайта өзгертуге болады: ?

Бұл алгоритмдерді екілік шешімдер ағаштары ретінде модельдеуге болады, мұнда сұраулар салыстыру болып табылады: ішкі түйін сұрауға сәйкес келеді, ал түйін балалары сұраққа жауап иә немесе жоқ болған кезде келесі сұрауға сәйкес келеді. Жапырақ түйіндері үшін шығу а-ға сәйкес келеді ауыстыру бұл элементтердің толық реттелген тізімінен енгізу реті қалай шифрланғанын сипаттайтын. (Бұл ауыстырудың кері нұсқасы, , енгізу ретіне қайта тапсырыс береді.)

Салыстыру түрлерін қолдану керек екенін көрсетуге болады қарапайым аргумент арқылы салыстыру: алгоритм дұрыс болу үшін ол мүмкін болатын кез келген ауыстыруды шығара білуі керек элементтер; әйтпесе, алгоритм енгізу ретінде нақты ауыстыру үшін сәтсіздікке ұшырайды. Сонымен, оның тиісті шешім ағашында, кем дегенде, орын ауыстыру мөлшеріндей көп жапырақ болуы керек: жапырақтары. Кем дегенде екілік ағаш жапырақтары кем дегенде тереңдікке ие , сондықтан бұл салыстыру сұрыптау алгоритмінің жұмыс уақытының төменгі шегі. Бұл жағдайда осы уақыттағы күрделілікке ие көптеген салыстыру-сұрыптау алгоритмдерінің болуы mergesort және үйіндісі, байланыстың тығыз екенін көрсетеді.[2]:91

Бұл аргумент сұрау түрі туралы ештеңе қолданбайды, сондықтан іс жүзінде екілік шешім ағашы ретінде модельдеуге болатын кез-келген сұрыптау алгоритмінің төменгі шегін дәлелдейді. Шындығында, бұл ақпараттық-теориялық дәлел дұрыс сұрыптау алгоритмі кем дегенде үйренуі керек енгізу реті туралы ақпарат биттері. Нәтижесінде, бұл рандомизацияланған шешімдер ағаштарында да жұмыс істейді.

Шешімдердің басқа төменгі шектерінде сұрау салыстыру ретінде қолданылады. Мысалы, тек ең кіші санды табу үшін тек салыстыруды қолдану тапсырмасын қарастырыңыз сандар. Ең кіші санды анықтамас бұрын, ең кішіден басқа әр сан кем дегенде бір салыстыру кезінде «жоғалтуы» (үлкенін салыстыру) керек. Сонымен, бұл кем дегенде қажет минимумды табу үшін салыстыру. (Мұндағы ақпараттық-теоретикалық дәлел тек төменгі шекті береді .) Ұқсас аргумент есептеудің жалпы төменгі шектерінде жұмыс істейді статистикаға тапсырыс беру.[2]:214

Сызықтық және алгебралық шешім ағаштары

Сызықтық шешім ағаштары жоғарыда келтірілген салыстыру шешімдерін есептеу функциялары үшін жалпыландырады векторлар кіріс ретінде. Сызықтық шешімдер ағаштарындағы тестілер сызықтық функциялар болып табылады: нақты сандарды нақты таңдау үшін , белгісін шығару . (Бұл модельдегі алгоритмдер тек шығу белгісіне байланысты болуы мүмкін.) Салыстыру ағаштары сызықтық шешімдер ағаштары болып табылады, өйткені салыстыру және сызықтық функцияға сәйкес келеді . Сызықтық шешім ағаштары оның анықтамасынан тек функцияларды көрсете алады кімдікі талшықтар жарты кеңістіктің қиылыстары мен қиылыстарын алу арқылы салуға болады.

Алгебралық шешім ағаштары - бұл тест функциялары дәрежесінің көпмүшелері болуына мүмкіндік беретін сызықтық шешімдердің қорытылуы . Геометриялық тұрғыдан кеңістік жартылай алгебралық жиынтықтарға бөлінеді (гиперпланды қорыту).

Рабин анықтаған бұл шешім ағашының модельдері[3] және Рейнгольд,[4] ішіндегі төменгі шектерді дәлелдеу үшін жиі қолданылады есептеу геометриясы.[5] Мысалы, Бен-Ор бұл элементтің бірегейлігін көрсетті (есептеудің міндеті) , қайда 0, егер нақты координаттар болған жағдайда ғана осындай ) тереңдіктің алгебралық шешімі қажет .[6] Мұны Добкин мен Липтон сызықтық шешім модельдері үшін алғаш рет көрсетті.[7] Олар сондай-ақ а Рюкзак проблемасы бойынша сызықтық шешімдер ағаштарының төменгі шегі, Стил және Яо алгебралық шешім ағаштарына жалпылама.[8]

Логикалық шешім ағашының күрделілігі

Логикалық шешім ағаштары үшін n-биттің мәнін есептеу керек Логикалық функция кіріс үшін . Сұраулар кірісті сәл оқуға сәйкес келеді, , ал шығыс . Әрбір сұрау алдыңғы сұрауларға байланысты болуы мүмкін. Шешім ағаштарын қолданатын есептеу модельдерінің көптеген күрделілік түсініктерін мойындайтын көптеген түрлерін қарастыруға болады күрделілік шаралары.

Детерминирленген шешім ағашы

Егер шешім ағашының нәтижесі болса , барлығына , шешім ағашы «есептеу» деп аталады . Ағаштың тереңдігі - бұл параққа жеткенге дейін және нәтиже алынғанға дейін болатын сұраулардың максималды саны. , детерминирленген шешім ағашы күрделілігі есептейтін барлық детерминирленген шешімдер ағаштарының ішіндегі ең кіші тереңдік .

Рандомизацияланған шешім ағашы

А анықтаудың бір әдісі кездейсоқ шешім ағашы ағашқа әрқайсысы ықтималдықпен басқарылатын қосымша түйіндерді қосу болып табылады . Тағы бір баламалы анықтама - оны детерминирленген шешім ағаштары бойынша үлестіру ретінде анықтау. Осы екінші анықтамаға сүйене отырып, рандомизацияланған ағаштың күрделілігі барлық таралған ағаштардың ішіндегі ең үлкен тереңдікті анықтайды. нәтижесі ең төменгі тереңдіктегі рандомизацияланған шешім ағашының күрделілігі ретінде анықталады кем дегенде ықтималдықпен барлығына (яғни шектелген екі жақты қателікпен).

ретінде белгілі Монте-Карло шешімдердің рандомизацияланған күрделілігі, өйткені нәтиже екі жақты қателіктермен қате болады. The Лас-Вегас шешім ағашының күрделілігі өлшейді күткен дұрыс болуы керек шешім ағашының тереңдігі (яғни қате нөлге тең). Сонымен бірге бір жақты шектелген қателік нұсқасы бар, ол арқылы белгіленеді .

Нететерминистік шешім ағашы

Функцияның шешілмеген шешімдер ағашының күрделілігі көбіне-көп белгілі сертификаттың күрделілігі сол функция. Ол а болатын кіріс биттерінің санын өлшейді анықталмаған алгоритм функцияны сенімді түрде бағалау үшін қарау керек болар еді.

Ресми түрде сертификаттың күрделілігі кезінде - бұл индекстердің ең кіші жиынының мөлшері барлығы үшін , егер барлығына , содан кейін . Сертификатының күрделілігі - бұл сертификаттың барлығында ең жоғары күрделілігі Тек 2/3 ықтималдықпен тексерушінің дұрыстығын талап ететін ұқсас түсінік белгіленеді .

Кванттық шешім ағашы

Кванттық шешім ағашының күрделілігі - бұл нәтиже беретін ең төменгі тереңдіктегі кванттық шешім ағашының тереңдігі кем дегенде ықтималдықпен барлығына . Тағы бір мөлшер, , нәтиже беретін ең төменгі тереңдік кванттық шешім ағашының тереңдігі ретінде анықталады барлық жағдайда 1 ықтималдықпен (яғни есептейді) дәл). және ретінде көбірек танымал кванттық сұраныстың күрделілігі, өйткені кванттық шешім ағашының тікелей анықтамасы классикалық жағдайға қарағанда күрделі. Рандомизирленген жағдайға ұқсас, біз анықтаймыз және .

Бұл ұғымдар әдетте дәреже және шамамен дәреже ұғымдарымен шектеледі. The дәрежесі туралы , деп белгіленді , кез келген көпмүшенің ең кіші дәрежесі қанағаттанарлық барлығына . The шамамен дәреже туралы , деп белгіленді , кез келген көпмүшенің ең кіші дәрежесі қанағаттанарлық қашан болса да және қашан болса да .

Беалс және басқалар. деп белгіледі және .[9]

Логикалық функциялардың күрделілігі өлшемдері арасындағы қатынастар

Бұл анықтамалардан бірден шығады Бульдік функциялар ,, және . Кері бағытта ең жақсы жоғарғы шектерді табу - сұраныстың күрделілігі саласындағы басты мақсат.

Сұраныстың барлық осы күрделілік түрлері көпмүшелікке байланысты. Блум және Импаглиццо,[10] Хартманис пен Хемахандра,[11] және Тардос[12] өз бетінше ашты . Ноам Нисан Монте-Карло рандомизацияланған шешім ағашының күрделілігі полиномдық тұрғыдан детерминирленген шешім ағашының күрделілігімен байланысты екенін анықтады: .[13] (Нисан да мұны көрсетті .) Монте-Карло мен Лас-Вегас модельдері арасындағы тығыз қарым-қатынас белгілі: .[14] Бұл байланыс полигарифмдік факторларға дейін оңтайлы.[15] Кванттық шешім ағашының күрделілігіне келетін болсақ, және бұл қатаң.[16][15] Мидрижанис мұны көрсетті ,[17][18] Beals және басқалардың есебінен кварттық байланысты жақсарту[9]

Бұл көпмүшелік қатынастардың тек үшін жарамды екенін ескеру маңызды барлығы Логикалық функциялар. Үшін логикалық функциялар, доменінің ішкі жиыны бар , арасындағы экспоненциалды бөлу және мүмкін; осындай мәселенің алғашқы мысалы ашылды Deutsch және Jozsa.

Сезімталдық гипотезасы

Үшін Логикалық функция , сезімталдық туралы максималды сезімталдығы ретінде анықталған бәрінен бұрын , мұнда сезімталдық кезінде - бір биттік өзгертулер саны мәнін өзгертетін . Сезімталдық жалпы әсер ұғымымен байланысты логикалық функцияларды талдау, ол тең орташа бәріне сезімталдық .

The сезімталдық гипотезасы бұл сезімталдықтың сұраныстың күрделілігімен полиномиалды түрде байланысы бар деген болжам; яғни көрсеткіш бар барлығы үшін , және . Мұны қарапайым аргумент арқылы көрсетуге болады , сондықтан гипотеза сезімталдықтың төменгі шегін табуға қатысты. Бұрын талқыланған күрделіліктің барлық шаралары көпмүшелікке байланысты болғандықтан, күрделіліктің нақты түрі маңызды емес. Алайда, бұл әдетте сезімталдықты блок сезімталдығымен байланыстыратын сұрақ ретінде беріледі.

The блок сезімталдығы туралы , деп белгіленді , блоктың максималды сезімталдығы ретінде анықталады бәрінен бұрын . Блоктың сезімталдығы кезінде максималды сан бөлінбеген ішкі жиындар ішкі жиындардың кез келгені үшін , биттерін аудару сәйкес мәнін өзгертеді .[13]

Блоктың сезімталдығы ішкі жиындардың көп таңдауынан максималды болатындықтан, . Әрі қарай, блок сезімталдығы бұрын талқыланған күрделілік шараларымен полиномға байланысты; мысалы, блокқа сезімталдықты енгізген Нисанның мақаласы мұны көрсетті .[13] Сонымен, сезімталдық гипотезасын кейбіреулер үшін көрсететін етіп өзгертуге болады , . 1992 жылы Нисан мен Сегеди бұл туралы болжам жасады жеткілікті.[19] Бұл өте қиын болар еді, өйткені Рубинштейн 1995 жылы сезімталдық пен блок сезімталдығының квадраттық бөлінуін көрсетті.[20]

Бастапқы болжам жасалғаннан кейін 27 жыл өткен соң, 2019 жылы шілдеде Хао Хуан Эмори университеті деп көрсете отырып, сезімталдық гипотезасын дәлелдеді .[21] Бұл дәлелдемені нақты, бұл сезімталдық болжамына қатысты алға жылжу шектеулі болған кезде екі бетте дәлелдеді.[22][23]

Белгілі нәтижелердің қысқаша мазмұны

2020 жылдың қазан айындағы күрделілік шаралары бойынша ең танымал бөліністер[16]
22, 322, 32, 33, 62, 32, 344
1222, 32, 33, 62, 32, 33, 44
1122, 32, 33, 61.5, 32, 33, 44
111, 2222.22, 51.15, 31.63, 32, 42, 4
11111.5, 22, 41.15, 21.63, 222
111112, 41.15, 21.63, 222
1111111.15, 21.63, 222
11.33, 21.33, 322, 32, 33, 62, 32, 44
11.33, 21.33, 22222122
11122, 32, 33, 612, 34
1112222111

Бұл кестеде логикалық функциялардың күрделілігі өлшемдері арасындағы айырмашылықтар туралы қорытындылар келтірілген. Күрделілік шаралары реті бойынша детерминирленген, қате нөлдік кездейсоқ, екі жақты қателік рандомизацияланған, сертификат, рандомизацияланған сертификат, блок сезімталдығы, сезімталдық, дәл квант, дәреже, квант және шамамен дәрежелік күрделіліктер.

Ішіндегі сан -ші қатар және -інші баған көрсеткіштің шегін білдіреді , бұл бәрінің ең аз мәні қанағаттанарлық барлық логикалық функциялар үшін . Мысалы, D-ші қатар мен s-ші бағандағы жазба «3, 6», сондықтан барлығына және функция бар осындай .

Сондай-ақ қараңыз

Әдебиеттер тізімі

  1. ^ Дж., Лестер Р. Форд; Джонсон, Селмер М. (1959-05-01). «Турнир проблемасы». Американдық математикалық айлық. 66 (5): 387–389. дои:10.1080/00029890.1959.11989306. ISSN  0002-9890.
  2. ^ а б Алгоритмдермен таныстыру. Кормен, Томас Х. (Үшінші басылым). Кембридж, Массачусетс: MIT Press. 2009 ж. ISBN  978-0-262-27083-0. OCLC  676697295.CS1 maint: басқалары (сілтеме)
  3. ^ Рабин, Майкл О. (1972-12-01). «Сызықтық формалардың бір уақытта позитивтілігін дәлелдеу». Компьютерлік және жүйелік ғылымдар журналы. 6 (6): 639–650. дои:10.1016 / S0022-0000 (72) 80034-5. ISSN  0022-0000.
  4. ^ Рейнгольд, Эдвард М. (1972-10-01). «Кейбір алгоритмдердің оңтайлылығы туралы». ACM журналы. 19 (4): 649–659. дои:10.1145/321724.321730. ISSN  0004-5411. S2CID  18605212.
  5. ^ Preparata, Franco P. (1985). Есептеу геометриясы: кіріспе. Шамос, Майкл Ян. Нью-Йорк: Спрингер-Верлаг. ISBN  0-387-96131-3. OCLC  11970840.
  6. ^ Бен-Ор, Майкл (1983-12-01). «Алгебралық есептеу ағаштарының төменгі шектері». Есептеулер теориясы бойынша он бес жылдық ACM симпозиумының материалдары. STOC '83. Нью-Йорк, Нью-Йорк, АҚШ: Есептеу техникасы қауымдастығы: 80–86. дои:10.1145/800061.808735. ISBN  978-0-89791-099-6. S2CID  1499957.
  7. ^ Добкин, Дэвид; Липтон, Ричард Дж. (1976-06-01). «Көп өлшемді іздеу мәселелері». Есептеу бойынша SIAM журналы. 5 (2): 181–186. дои:10.1137/0205015. ISSN  0097-5397.
  8. ^ Майкл Стил, Дж; Яо, Эндрю С (1982-03-01). «Алгебралық шешім ағаштарының төменгі шектері». Алгоритмдер журналы. 3 (1): 1–8. дои:10.1016/0196-6774(82)90002-5. ISSN  0196-6774.
  9. ^ а б Биалс, Р .; Бюрман, Х .; Клив, Р .; Моска, М .; de Wolf, R. (2001). «Көпмүшеліктер бойынша кванттық төменгі шекаралар». ACM журналы. 48 (4): 778–797. arXiv:квант-ph / 9802049. дои:10.1145/502090.502097. S2CID  1078168.
  10. ^ Блум, М .; Impagliazzo, R. (1987). «Жалпы оракулдар мен ораклеттер сабақтары». IEEE 18 фокустың материалдары. 118–126 бет.
  11. ^ Хартманис, Дж .; Хемахандра, Л. (1987), «NP толық жиынтықтарының бір бағытты функциялары, беріктігі және изоморфизмі», Техникалық есеп DCS TR86-796, Корнелл университеті
  12. ^ Тардос, Г. (1989). «Сұраудың күрделілігі немесе оны ажырату неге қиын NPA ∩ coNPA бастап PA кездейсоқ оракулдар арқылы A?". Комбинаторика. 9 (4): 385–392. дои:10.1007 / BF02125350. S2CID  45372592.
  13. ^ а б c Нисан, Н. (1989). «ЭКИПАЖ-ПРАМДАР және шешімдер ағаштары». 21 ACM STOC материалдары. 327–335 бб.
  14. ^ Кулкарни, Р. және Тал, А. Фракциялық блок сезімталдығы туралы. Есептеу күрделілігі туралы электронды коллоквиум (ECCC). Том. 20. 2013 жыл.
  15. ^ а б Амбайнис, Андрис; Балодис, Каспарс; Беловтар, Александрлар; Ли, Трой; Санта, Миклос; Смотровтар, Юрис (2017-09-04). «Меңзер функцияларына негізделген сұраныстың күрделілігіндегі бөлімдер». ACM журналы. 64 (5): 32:1–32:24. arXiv:1506.04719. дои:10.1145/3106234. ISSN  0004-5411. S2CID  10214557.
  16. ^ а б Ааронсон, Скотт; Бен-Дэвид, Шалев; Котари, Робин; Рао, Шравас; Тал, Авишай (2020-10-23). «Хуангтың сезімталдығы туралы теореманың шамамен дәрежесі мен кванттық салдары мен дәрежесіне қарсы». arXiv:2010.12629 [квант-ph ].
  17. ^ Midrijanis, Gatis (2004), «Бульдік функциялардың жалпы кванттық сұранысының күрделілігі», arXiv:quant-ph / 0403168
  18. ^ Midrijanis, Gatis (2005), «Рандомизацияланған және кванттық сұраныстың күрделілігі туралы», arXiv:quant-ph / 0501142
  19. ^ Нисан, Ноам; Сегеди, Марио (1992-07-01). «Нақты полиномдар ретіндегі буль функцияларының дәрежесі туралы». Есептеулер теориясы бойынша жиырма төртінші ACM симпозиумының материалдары. STOC '92. Виктория, Британ Колумбиясы, Канада: Есептеу техникасы қауымдастығы: 462–467. дои:10.1145/129712.129757. ISBN  978-0-89791-511-3. S2CID  6919144.
  20. ^ Рубинштейн, Дэвид (1995-06-01). «Буль функцияларының блок сезімталдығына қарсы сезімталдығы». Комбинаторика. 15 (2): 297–299. дои:10.1007 / BF01200762. ISSN  1439-6912. S2CID  41010711.
  21. ^ Хуанг, Хао (2019). «Гиперкубтардың интраграфиясы және сезімталдық болжамының дәлелі». Математика жылнамалары. 190 (3): 949–955. arXiv:1907.00847. дои:10.4007 / жылнамалар.2019.190.3.6. ISSN  0003-486X. JSTOR  10.4007 / жылнамалар.2019.190.3.6. S2CID  195767594.
  22. ^ Кларрейх, Эрика. «Онжылдық информатика туралы болжам екі парақта шешілді». Quanta журналы. Алынған 2019-07-26.
  23. ^ Хатами, Пуя; Кулкарни, Рагхав; Панкратов, Денис (2011-06-22). «Сезімталдыққа қатысты вариациялар». Есептеу теориясы. 1: 1–27. дои:10.4086 / toc.gs.2011.004. ISSN  1557-2862. S2CID  6918061.

Сауалнамалар