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Problemas algorítmicos sobre conjuntos convexos

Muchos problemas de programación matemática pueden formularse como problemas sobre conjuntos convexos o cuerpos convexos . Seis tipos de problemas son particularmente importantes: [1] : Sec.2  optimización , violación , validez , separación , pertenencia 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 sobre conjuntos convexos está el siguiente problema sobre una función convexa f : R nR :

Implicaciones triviales

De las definiciones se desprende claramente que los algoritmos para algunos de los problemas se pueden utilizar para resolver otros problemas en tiempo polinomial oracular:

Ejemplos

La resolubilidad de un problema depende fundamentalmente 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 sobre conjuntos convexos: [1] : 6 

Utilizando 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 oracular-polinomial:

Variantes débiles más fuertes

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

Implicaciones de las variantes débiles

Además de estas implicaciones triviales, existen implicaciones altamente no triviales, cuya demostración 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 polinomial oráculo: [1] : Sec.4 

Las siguientes implicaciones utilizan el conjunto polar de K , definido como . Nótese que K **= K .

Necesidad de información adicional

Algunas de las implicaciones anteriores probablemente no funcionen sin la información adicional. [1] : Sec.4.5 

Problemas geométricos sobre 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 polinomial oráculo: [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 racional ε >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 en la relación de N( x ) con la norma euclidiana. Entonces podemos calcular en tiempo de oráculo-polinomio una transformación lineal T de R n tal que, para todo x en R n , .

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

Algunos problemas aún no resueltos (a fecha 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 sobre 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 oráculos fuertes

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

Conjuntos convexos generales

Un algoritmo para WMEM, dado un radio circunscrito R y un radio de inscripción r y un punto interior a 0 , puede resolver el siguiente problema de pertenencia ligeramente más fuerte (aún más débil que SMEM): dado un vector y en Q n , y un racional ε >0, o bien afirmar que y está en S ( K,ε ), o bien 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 . Entonces, se pueden usar muchos oráculos para problemas débiles para resolver los problemas fuertes correspondientes en tiempo de oráculo-polinomio. Las reducciones requieren un límite superior en la complejidad de representación ( complejidad de facetas o complejidad de vértices ) del poliedro: [1] : Sec. 6.3 

Las pruebas utilizan resultados de aproximación diofántica simultánea .

Necesidad de información adicional

¿Qué importancia tiene la información adicional para las reducciones mencionadas anteriormente? [1] : 173 

Implicaciones de las variantes fuertes

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

Por lo tanto, SSEP, SVIOL y SOPT son todos equivalentes en tiempo polinómico. 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, una solución dual óptima básica también se puede encontrar en tiempo polinómico. [1] : Thm.6.5.14 

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

No se podrán 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 exige una garantía de que el conjunto convexo contiene al menos un punto (no necesariamente un vértice) con una longitud de representación acotada. Demuestra que, bajo este supuesto, SNEMPT puede resolverse (se puede encontrar un punto en el conjunto convexo) en politiempo. [5] : Teoría 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] : Teoría 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 representación, en tiempo oráculo-polinomial, dado un oráculo para SSEP, SVIOL o SOPT: [1] : Sec.6.5 

Véase 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, Sr.  1261419
  2. ^ Yamnitsky, Boris; Levin, Leonid A. (1982). "Un antiguo algoritmo de programación lineal se ejecuta en tiempo polinomial". 23.º Simposio Anual sobre Fundamentos de la Ciencia de la Computación (SFCS 1982) . págs. 327–328. doi :10.1109/SFCS.1982.63 . Consultado el 29 de enero de 2024 .
  3. ^ Bland, Robert G.; Goldfarb, Donald; Todd, Michael J. (diciembre de 1981). "Artículo destacado: El método elipsoide: una encuesta". 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 un equilibrio de mercado Arrow-Debreu para servicios públicos lineales". Revista SIAM de informática . 37 (1): 303–318. doi :10.1137/S0097539705447384. ISSN  0097-5397.
  6. ^ Edmonds, J.; Pulleyblank, WR; Lovász, L. (1982-09-01). "Descomposiciones de ladrillos y el rango coincidente de grafos". Combinatorica . 2 (3): 247–274. doi :10.1007/BF02579233. ISSN  1439-6912. S2CID  37135635.