NP-Volledigheid. Wil zo snel mogelijke algoritmes om problemen op te lossen. De looptijd is polynomiaal: O n k - dat is heel erg mooi

Transcriptie

1 NP-Volledigheid Wil zo snel mogelijke algoritmes om problemen op te lossen Gezien: selectie [O(n)], DFS [O(n + m)], MaxFlow [O nm n + m ], MST [O(n + m)], etc De looptijd is polynomiaal: O n k - dat is heel erg mooi

2 NP-Volledigheid Wil zo snel mogelijke algoritmes om problemen op te lossen Gezien: selectie [O(n)], DFS [O(n + m)], MaxFlow [O nm n + m ], MST [O(n + m)], etc De looptijd is polynomiaal: O n k - dat is heel erg mooi Helaas! Voor veel problemen hebben we geen polynomiaal algoritme. Wat nu? NP-volledigheid geeft ons aanwijzingen dat er misschien geen polynomiaal algoritme is

3 Noach s Ark / Travelling Salesman n plekken {1,, n} Afstand tussen i en j: d[i, j] Wat is kortste pad door alle plekken? n! verschillende volgordes DP-algoritme: O(2 n n 2 ) Grote vraag: kan het in polynomiale tijd? Millennium Problem: $ voor O(n k ) of bewijs dat het niet kan

4 3-Kleuring Gegeven: graaf G = (V, E) Gevraagd: toekenning van kleuren aan knopen Max. 3 kleuren, buren mogen niet dezelfde kleur hebben O 3 n mogelijkheden

5 3-Kleuring Gegeven: graaf G = (V, E) Gevraagd: toekenning van kleuren aan knopen Max. 3 kleuren, buren mogen niet dezelfde kleur hebben O 3 n mogelijkheden Kan in O(2 n n) tijd

6 Knapsack n objecten met gewicht w i en opbrengst e i Kan maximaal M kilo in mijn rugzak Wil zo groot mogelijke e i Bepaal welke objecten voor maximale winst Uit DP-college: O(Mn)

7 Knapsack n objecten met gewicht w i en opbrengst e i Kan maximaal M kilo in mijn rugzak Wil zo groot mogelijke e i Bepaal welke objecten voor maximale winst Uit DP-college: O(Mn) Dit telt niet als polynomiaal! Een invoer van k bits kan M = 2 k geven

8 Hamiltonian Cycle Gegeven: een graaf G = (V, E) Gevraagd: een cykel die alle knopen precies één keer bezoekt O(2 n n 2 ) met DP, lijkt op TSP

9 Subset Sum n getallen {a 1,, a n } Gevraagd: kun je G schrijven als som van a i s Voorbeeld: {3,5,21,17,9,2} maak 16 Kan met DP in O(Gn)

10 Satisfiability Gegeven: boolse formule φ x 1,, x n Voorbeeld: x 1 x 2 x 3 ( x 1 x 3 ) Gevraagd: toekenning van true, false aan x 1,, x n zodat φ x 1,, x n waar (satisfied) is Heel belangrijk probleem voor NP-volledigheid O 2 n n om alle mogelijkheden te proberen

11 Help! Allemaal problemen waarvoor we geen polynomiaal algoritme weten Maar ook geen bewijs dat het niet kan 1971: Stephen Cook Formele theorie: P v.s. NP Al deze problemen zijn aan elkaar gerelateerd

12 3 soorten probleem Verschillende problemen hebben andere soort output: TSP geeft een pad, satisfiability een rijtje true/false, knapsack een rijtje objecten, Om het consistent te maken bekijken we alleen de beslisvariant: antwoord is JA of NEE. Voorbeeld voor TSP: Constructie Geef de korste route voor de handelsreiziger Pad Optimalisatie Hoe lang is de kortste route? Getal Beslis Is er een route met lengte K? JA / NEE

13 Beslisproblemen TSP: is er een route korter dan K? 3-kleuring: bestaat er een 3-kleuring? Knapsack: kan ik winst K halen? Hamiltonian Cycle: heeft mijn graaf er een? Satifyability: is de formule satisfiable?

14 Beslissen is moeilijk Het lijkt alsof beslissen makkelijker zou kunnen zijn, dit is niet zo Een algoritme dat optimalisatie oplost lost ook beslis op (kijk of antwoord K) Beslis kun je gebruiken als orakel voor optimalisatie: zoek binair naar beste waarde van K en gebruik beslisalgoritme als subroutine Beslis/optimalisatie/constructie zijn even moeilijk, maar over beslis is het makkelijker redeneren

15 De klasse P P is de klasse van beslisproblemen die in polynomiale tijd kunnen worden opgelost Minimum Spanning Tree Reachability (is er in G een pad van u naar v) Max Flow Dubbelverbondenheid Euler Cycle Priemtesten

16 Formeel - De klasse NP NP staat NIET voor niet polynomiaal NP: Niet-deterministisch polynomiaal Niet-deterministisch: computer kan zichzelf klonen naar een parallel universum

17 Niet-deterministische berekening A

18 Niet-deterministische berekening A A=1

19 Niet-deterministische berekening A A=1 A=0

20 Niet-deterministische berekening A Polynomiale tijd! A=1 A=0 Exponentieel veel

21 Niet-deterministische berekening A Ja! A=1 A=0 Nee Nee Nee Ja?

22 Minder formeel - NP Niet-determinisme is lastig Andere definitie: NP is de klasse van problemen waarvan we een oplossing in polynomiale tijd kunnen verifiëren Verklap ik je de TSP-route dan kun je checken of hij niet te lang is in lineaire tijd Satisfiability is lastig, maar gegeven de juiste assignment (true/false) is het heel makkelijk!

23 Iets formeler Een verifier voor beslisprobleem B is een programma P(A, C) met twee argumenten: 1. A: Een instantie van B 2. C: Een certificaat Met de eigenschappen dat: 1. Als A een NEE-instantie van B is geeft P altijd NEE 2. Als A een JA-instantie van B is dan is er een C zodat P(A, C) JA geeft (NB: de lengte van C moet ook polynomiaal zijn) 3. P(A, C) loopt in polynomiale tijd

24 Over NP Alle problemen die we gezien hebben zitten in NP Stelling: P NP Maar andersom is de grote open vraag De twee definities van NP zijn equivalent Je kunt niet-deterministisch naar het certificaat zoeken Je kunt de niet-deterministische keuzes als certificaat gebruiken

25 Reducties We kunnen hamiltonian circuit reduceren naar travelling salesman Gegeven graaf G = (V, E) Maak TSP-instantie: Als u, v E, dan d u, v = 1 Als u, v E, dan d u, v = n + 1 Is er TSP-tour met lengte n?

26 Reducties We kunnen hamiltonian circuit reduceren naar travelling salesman Gegeven graaf G = (V, E) Maak TSP-instantie: Als u, v E, dan d u, v = 1 Als u, v E, dan d u, v = n + 1 Is er TSP-tour met lengte n? Dan en slechts dan als G hamiltonisch circuit heeft! Wat zegt dit over de relatieve moeilijkheid van TSP en hamiltonian circuit?

27 Reducties Gegeven graaf G = (V, E) Maak TSP-instantie: Als u, v E, dan d u, v = 1 Als u, v E, dan d u, v = n + 1 Is er TSP-tour met lengte n? Dan en slechts dan als G hamiltonisch circuit heeft! Als algoritme A TSP oplost in polynomiale tijd dan kunnen we A gebruiken om hamiltonisch circuit in polynomiale tijd op te lossen! TSP is moeilijker dan hamiltonisch circuit

28 Tweede reductie 3-kleurbaarheid naar satisfiability Maak voor iedere knoop 3 variabelen x i,1, x i,2 en x i,3 x i,1 betekent dat knoop i kleur 1 krijgt, etc Bouw de boolean formula: 1. Voor iedere knoop: (x i,1 x i,2 x i,3 ) 2. Voor iedere edge tussen knoop i en j: x i,1 x j,1 x i,2 x j,2 x i,3 x j,3

29 Karp-Reductie Probleem A is naar probleem B reduceerbaar als er een programma P(a) is dat: 1. Als invoer een instantie a van A neemt en een instantie b van B terug geeft 2. Polynomiale tijd gebruikt 3. Als a een JA-instantie van A is, dan is P(a) een JA-instantie van B 4. Als a een NEE-instantie van A is, dan is P(a) een NEE-instantie van B 5. (NB: De lengte van P(A) is polynomiaal maar dit volgt automatisch uit eigenschap 2)

30 Effect van reductie Als A naar B reduceert dan geeft ieder polynomiaal algoritme voor B ook een polynomiaal algoritme voor A Polynomiale Reductie Polynomiaal algoritme voor B JA NEE Polynomiaal algoritme voor A

31 NP-volledig Een beslisprobleem A heet NP-volledig (eng: NP-complete) 1. Het probleem A zelf in NP zit 2. Ieder probleem uit NP reduceert naar A NP-volledige problemen zijn de moeilijkste uit NP Een probleem dat aan (2) voldoet (maar niet noodzakelijk aan 1) heet NPmoeilijk (eng: NP-hard). Soms worden problemen die geen beslisproblemen zijn ook wel NP-moeilijk genoemd.

32 NP-volledig Een beslisprobleem A heet NP-volledig (eng: NP-complete) 1. Het probleem A zelf in NP zit 2. Ieder probleem uit NP reduceert naar A Hoe bewijs je een probleem NP-volledig?

33 NP-volledig Een beslisprobleem A heet NP-volledig (eng: NP-complete) 1. Het probleem A zelf in NP zit 2. Ieder probleem uit NP reduceert naar A Hoe bewijs je een probleem NP-volledig? Laat zien dat een bestaand NP-volledig probleem B naar A reduceert Kip-en-het-ei

34 NP-volledig Een beslisprobleem A heet NP-volledig (eng: NP-complete) 1. Het probleem A zelf in NP zit 2. Ieder probleem uit NP reduceert naar A Hoe bewijs je een probleem NP-volledig? Laat zien dat een bestaand NP-volledig probleem B naar A reduceert Kip-en-het-ei Cook-Levin 1971: Satisfiability is NP-volledig

35 3-SAT 3-SAT: Speciaal geval van satisfiability, NP-volledig Formule moet een conjunctie zijn van disjuncties met precies 3 variabelen of negaties daarvan - conjunctieve normaalvorm (x 1 x 3 x 4 ) ( x 2 x 3 x 4 ) (x 5 x 3 x 2 ) Startpunt van veel reducties

36 Meer 3-kleuring Reductie: 3-SAT naar 3-kleuring Centrale knoop C krijgt 1 v.d. kleuren, andere twee kleuren stellen True en False voor T F C C true x 1 x 1 x 2 x 2

37 3-kleuring is NP-volledig 1. 3-kleuring zit in NP, want gegeven een kleuring kun je verifiëren dat geen buurknopen dezelfde kleur hebben 2. Ieder probleem uit NP reduceert naar 3-SAT (want 3-SAT is NP-volledig) en reduceert dus naar 3-kleuring, dus ieder probleem reduceert naar 3-kleuring. Q.E.D.

38 NP-volledige problemen Gezien: TSP, 3-kleuring, Hamiltonian Cycle, Knapsack, Satisfiability, 3-SAT, Subset Sum Maximum Clique Vertex Cover Maximum Independent Set Maximum Cut Integer Linear Programming

39 Super Mario Bros is NP-volledig Heel veel spellen vormen moeilijke beslisproblemen Hier: kan Mario het eind van het level bereiken? Bewijs: 3-SAT

40 Variabele x x

41 Clause x 1 x 2 x 3 x 1 x 2 x 3

42 Crossover

43 Moeilijkheid van puzzels en spellen Van heel veel spellen en puzzels is iets bekend over de moeilijkheid Schaken: bestaat geen polynomiaal algoritme voor Sudoku, Tetris, Bejeweled: NP-volledig Lemmings, Rush Hour, Quest Planner: PSPACE-volledig (erger dan NP) Zoeken naar NP-volledigheidsbewijs kan een leuke puzzel zijn

44 P = NP? Als P = NP Zijn alle problemen uit NP in polynomiale tijd oplosbaar Kunnen we heel veel dingen veel efficiënter plannen en doen Rampje: traditionele cryptografie werkt niet meer Als P NP Heeft geen enkel NP-volledig probleem een polynomiaal algoritme Ook geen garantie dat cryptografie veilig is Conclusie: volg volgend blok Security!

45 Wat nu? Als een probleem NP-volledig is het heel onwaarschijnlijk dat je een polynomiaal algoritme zal kunnen vinden Je kan het misschien benaderen: evolutionair algoritme? Probeer speciale gevallen te vinden of het probleem te versimpelen Wat denken jullie? P = NP of niet?

46 Als P NP NP-Volledig NP P

47 Verder dan NP Er zijn problemen waar het checken van een oplossing ook moeilijk is PSPACE: problemen op te lossen met polynomiale ruimte. EXPTIME: problemen op te lossen met exponentiële tijd Complexiteitshiërarchie: allemaal eigen.-volledige klassen Veel open problemen. Niet bekend of NP = EXPTIME. Enige wat we weten: EXPTIME P

48 PSPACE PSPACE: problemen die kunnen worden opgelost met polynomiale opslagruimte (en dus max. exponentiële tijd) Voor NP hebben we satisfiability als moederprobleem PSPACE-volledig: true quantified boolean formula Ook existentiële quantoren w x y z (x y) ( w z) NPSPACE: niet-deterministisch polynomiale ruimte

49 PSPACE PSPACE: problemen die kunnen worden opgelost met polynomiale opslagruimte (en dus max. exponentiële tijd) Voor NP hebben we satisfiability als moederprobleem PSPACE-volledig: true quantified boolean formula Ook existentiële quantoren w x y z (x y) ( w z) NPSPACE: niet-deterministisch polynomiale ruimte Stavitch: PSPACE = NPSPACE (!)

50 Meer weten? Donderdag 10 April 12-13u BBL083 (hier is ook straks het WC) Bloxorz is PSPACE-complete Graph Constraint Logic: universeel framework voor moeilijkheidsbewijzen Ook (soort van) relevant voor Quest Planner