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Problemas algorítmicos en conjuntos convexos.

Muchos problemas de programación matemática se pueden formular como problemas sobre conjuntos convexos o cuerpos convexos . Seis tipos de problemas son particularmente importantes: [1] : Sección 2  optimización , violación , validez , separación , membresía y vacío . Cada uno de estos problemas tiene una variante fuerte (exacta) y una variante débil (aproximada).

En todas las descripciones de problemas, K denota un conjunto compacto y convexo en R n .

Variantes fuertes

Las variantes fuertes de los problemas son: [1] : 47 

Estrechamente relacionado con los problemas de conjuntos convexos está el siguiente problema de una función convexa f : R nR :

Implicaciones triviales

De las definiciones, queda claro que los algoritmos para algunos de los problemas se pueden usar para resolver otros problemas en tiempo polinomial de Oracle:

Ejemplos

La solucion de un problema depende crucialmente de la naturaleza de K y de la forma en que se representa. Por ejemplo:

Variantes débiles

Cada uno de los problemas anteriores tiene una variante débil, en la que la respuesta se da sólo de forma aproximada. Para definir la aproximación, definimos las siguientes operaciones en conjuntos convexos: [1] : 6 

Usando estas nociones, las variantes débiles son: [1] : 50 

Implicaciones triviales

De manera análoga a las variantes fuertes, los algoritmos para algunos de los problemas se pueden utilizar para resolver otros problemas en tiempo polinomial de Oracle:

Variantes débiles más fuertes

Algunas de estas variantes débiles pueden reforzarse ligeramente. [1] : Rem.2.1.5(a)  Por ejemplo, WVAL con entradas c , t ' = t + ε /2 y ε ' = ε /2 realiza una de las siguientes acciones:

Implicaciones de variantes débiles

Además de estas implicaciones triviales, existen implicaciones muy no triviales, cuya prueba se basa en el método del elipsoide . Algunas de estas implicaciones requieren información adicional sobre el cuerpo convexo K. En particular, además del número de dimensiones n , puede ser necesaria la siguiente información: [1] : 53 

Lo siguiente se puede hacer en tiempo polinómico de Oracle: [1] : Sección 4 

Las siguientes implicaciones utilizan el conjunto polar de K -definido como . Tenga en cuenta que K **= K .

Necesidad de información adicional

Es probable que algunas de las implicaciones anteriores no funcionen sin información adicional. [1] : Sección 4.5 

Problemas geométricos en cuerpos convexos.

Utilizando los problemas básicos anteriores, se pueden resolver varios problemas geométricos relacionados con cuerpos convexos. En particular, se puede encontrar un elipsoide de John aproximado en tiempo polinómico de Oracle: [1] : Sec.4.6 

Estos resultados implican que es posible aproximar cualquier norma mediante una norma elipsoidal. Específicamente, supongamos que una norma N está dada por un oráculo de norma débil : para cada vector x en Q n y cada ε racional >0, devuelve un número racional r tal que |N( x )- r |< ε . Supongamos que también conocemos una constante c 1 que da un límite inferior a la relación de N( x ) con la norma euclidiana. Entonces podemos calcular en tiempo polinómico de Oracle una transformación lineal T de R n tal que, para todo x en R norte ,.​

También es posible aproximar el diámetro y el ancho de K :

Algunos problemas aún no resueltos (a partir de 1993) son si es posible calcular en politiempo el volumen, el centro de gravedad o el área de superficie de un cuerpo convexo dado por un oráculo de separación.

Problemas sobre combinaciones de conjuntos convexos.

Algunas operaciones binarias en conjuntos convexos preservan las propiedades algorítmicas de los distintos problemas. En particular, dados dos conjuntos convexos K y L : [1] : Sec.4.7 

De oráculos débiles a fuertes

En algunos casos, se puede utilizar un oráculo para un problema débil para resolver el problema fuerte correspondiente.

Conjuntos convexos generales

Un algoritmo para WMEM, dado el radio circunscrito R y el radio inscrito r y el punto interior a 0 , puede resolver el siguiente problema de membresía ligeramente más fuerte (aún más débil que SMEM): dado un vector y en Q n , y un ε racional >0, ya sea afirmar que y en S ( K,ε ), o afirmar que y no está en K. La prueba es elemental y utiliza una única llamada al oráculo WMEM. [1] : 108 

poliedros

Supongamos ahora que K es un poliedro . Luego, se pueden utilizar muchos oráculos para problemas débiles para resolver los problemas fuertes correspondientes en tiempo oráculo-polinomial. Las reducciones requieren un límite superior en la complejidad de representación ( complejidad de faceta o complejidad de vértice ) del poliedro: [1] : Sec. 6.3 

Las pruebas utilizan resultados de aproximación diofántica simultánea .

Necesidad de información adicional

¿Qué tan esencial es la información adicional para las reducciones anteriores? [1] : 173 

Implicaciones de variantes fuertes

Utilizando los resultados anteriores, es posible probar implicaciones entre variantes fuertes. Se puede hacer lo siguiente en tiempo polinomial de Oracle para un poliedro bien descrito , un poliedro para el cual se conoce un límite superior en la complejidad de la representación : [1] : Sec.6.4 

Entonces SSEP, SVIOL y SOPT son todos equivalentes en tiempo polinomial. Esta equivalencia, en particular, implica la prueba de Khachian de que la programación lineal se puede resolver en tiempo polinómico, [1] : Thm.6.4.12  ya que cuando un poliedro está dado por desigualdades lineales explícitas, un oráculo SSEP es trivial de implementar. Además, también se puede encontrar una solución dual óptima básica en politiempo. [1] : Thm.6.5.14 

Tenga en cuenta que los teoremas anteriores no requieren una suposición de dimensionalidad completa o un límite inferior en el volumen.

No se pueden realizar otras reducciones sin información adicional:

Extensión a conjuntos convexos no bien descritos

Jain [5] extiende uno de los teoremas anteriores a conjuntos convexos que no son poliedros y no están bien descritos. Sólo requiere una garantía de que el conjunto convexo contenga al menos un punto (no necesariamente un vértice) con una longitud de representación acotada. Demuestra que, bajo este supuesto, SNEMPT se puede resolver (se puede encontrar un punto en el conjunto convexo) en politiempo. [5] : Thm.12  Además, la longitud de representación del punto encontrado es como máximo P( n ) veces el límite dado, donde P es alguna función polinómica. [5] : Thm.13 

Problemas geométricos sobre poliedros.

Utilizando los problemas básicos anteriores, se pueden resolver varios problemas geométricos relacionados con politopos y poliedros no vacíos con un límite en la complejidad de la representación, en tiempo oráculo-polinomial, dado un oráculo para SSEP, SVIOL o SOPT: [1] : Sec.6.5 

Ver también

Referencias

  1. ^ abcdefghijklmnopqrstu Grötschel, Martín ; Lovász, László ; Schrijver, Alexander (1993), Algoritmos geométricos y optimización combinatoria, Algoritmos y combinatoria, vol. 2 (2ª ed.), Springer-Verlag, Berlín, doi :10.1007/978-3-642-78240-4, ISBN 978-3-642-78242-8, señor  1261419
  2. ^ Yamnitsky, Boris; Levin, Leonid A. (1982). "Un antiguo algoritmo de programación lineal se ejecuta en tiempo polinómico". 23º Simposio Anual sobre Fundamentos de la Informática (SFCS 1982) . págs. 327–328. doi : 10.1109/SFCS.1982.63 . Consultado el 29 de enero de 2024 .
  3. ^ Suave, Robert G.; Goldfarb, Donald; Todd, Michael J. (diciembre de 1981). "Artículo destacado: el método elipsoide: una encuesta". La investigación de operaciones . 29 (6): 1039–1091. doi :10.1287/opre.29.6.1039. ISSN  0030-364X.
  4. ^ Yudin y Nemirovskii, 1976, https://elibrary.ru/item.asp?id=38308898 (en ruso)
  5. ^ abc Jain, Kamal (2007). "Un algoritmo de tiempo polinomial para calcular el equilibrio del mercado Arrow-Debreu para servicios públicos lineales". Revista SIAM de Computación . 37 (1): 303–318. doi :10.1137/S0097539705447384. ISSN  0097-5397.
  6. ^ Edmonds, J.; Polea en blanco, WR; Lovász, L. (1 de septiembre de 1982). "Descomposiciones de ladrillos y clasificación correspondiente de gráficos". Combinatoria . 2 (3): 247–274. doi :10.1007/BF02579233. ISSN  1439-6912. S2CID  37135635.