Problém isomorfismu grafu - Graph isomorphism problem

Nevyřešený problém v informatice :

Lze problém izomorfismu grafu vyřešit v polynomiálním čase?

Problém grafu izomorfismus je výpočetní problém určit, zda dvě konečné grafy jsou izomorfní .

Problém není znám jako řešitelný v polynomiálním čase ani jako NP-úplný , a proto může být ve třídě výpočetní složitosti NP-střední . Je známo, že tento problém graf izomorfismus je v nízké hierarchii z třídy NP , což znamená, že to není NP-úplný, pokud polynom čas hierarchie se zhroutí do druhé úrovně. Současně lze izomorfismus pro mnoho speciálních tříd grafů řešit v polynomiálním čase a v praxi lze často efektivně řešit izomorfismus grafů.

Tento problém je zvláštním případem problému izomorfismu podgrafu , který se ptá, zda daný graf G obsahuje podgraf, který je izomorfní k jinému danému grafu H ; tento problém je znám jako NP-úplný. Je také známo, že jde o speciální případ problému neabelských skrytých podskupin nad symetrickou skupinou .

V oblasti rozpoznávání obrazu je známý jako přesná shoda grafu .

Nejmodernější

V listopadu 2015 László Babai oznámil algoritmus kvazipolynomiálního času pro všechny grafy, tedy ten, který má u některých grafů čas běhu . 4. ledna 2017 Babai zatáhl kvazi-polynomiální tvrzení a místo toho uvedl subexponenciální časový limit poté, co Harald Helfgott objevil chybu v důkazu. Dne 9. ledna 2017 oznámil Babai opravu (publikovanou v plném rozsahu 19. ledna) a obnovil kvazi-polynomiální tvrzení, přičemž opravu potvrdil Helfgott. Helfgott dále tvrdí, že lze vzít c = 3 , takže doba běhu je 2 O ((log n ) 3 ) .

Předtím byl v současné době nejlépe přijatým teoretickým algoritmem program Babai & Luks (1983) a vychází z dřívější práce Luksa (1982) v kombinaci se subfaktoriálním algoritmem VN Zemlyachenko ( Zemlyachenko, Korneenko & Tyshkevich 1985 ). Algoritmus má dobu běhu 2 O ( n  log  n ) pro grafy s n vrcholy a spoléhá na klasifikaci konečných jednoduchých skupin . Bez této klasifikace věty, o něco slabší vázaný 2 O ( n  log 2  N ) se získá nejprve pro silně pravidelné grafy podle László Babai  ( 1980 ), a pak se rozšíří na obecné graf podle Babai & Luks (1983) . Zlepšení exponentu n je hlavní otevřený problém; u silně pravidelných grafů to provedl Spielman (1996) . Pro hypergrafy s ohraničeným hodnocením byla získána subexponenciální horní hranice odpovídající případu grafů od Babai & Codenotti (2008) .

Pro izomorfismus grafů existuje několik konkurenčních praktických algoritmů, například algoritmy McKay (1981) , Schmidt & Druffel (1976) a Ullman (1976) . I když se zdá, že fungují dobře na náhodných grafech , hlavní nevýhodou těchto algoritmů je jejich exponenciální časový výkon v nejhorším případě .

Problém izomorfismu grafu je výpočetně ekvivalentní problému výpočtu skupiny automorfismu grafu a je slabší než problém izomorfismu skupiny permutací a problém průniku skupiny permutací. U posledních dvou problémů získali Babai, Kantor a Luks (1983) hranice složitosti podobné hranicím pro grafový izomorfismus.

Vyřešeny speciální případy

Řada důležitých zvláštních případů problému izomorfismu grafu má účinná řešení v polynomiálním čase:

Třída složitosti GI

Vzhledem k tomu, že problém izomorfismu grafu není znám ani jako NP-úplný, ani není znám jako traktovatelný, vědci se snažili získat vhled do problému definováním nové třídy GI , souboru problémů s polynomiální časovou Turingovou redukcí na grafový izomorfismus problém. Pokud ve skutečnosti problém grafu izomorfismus je řešitelná v polynomiálním čase, GI by se rovnal P . Na druhou stranu, pokud je problém NP-úplný, GI by se rovnal NP a všechny problémy v NP by byly řešitelné v kvazi-polynomickém čase.

Jak je běžné pro třídy složitosti v polynomiální časové hierarchii , problém se nazývá GI-hard, pokud dojde k Turingově redukci polynomiálního času z jakéhokoli problému v GI na tento problém, tj. Řešení polynomiálního času na obtížný problém GI by poskytlo polynomiálně časové řešení problému izomorfismu grafu (a tak všech problémů v GI ). Problém se nazývá úplný pro GI , nebo GI-úplný , pokud je jak GI-tvrdý, tak polynomiální časové řešení problému GI by přineslo řešení polynomiálního času .

Problém izomorfismu grafu je obsažen v NP i co- AM . GI je obsažen v a nízké pro parity P , jakož i obsažené v potenciálně mnohem menší třídy SPP . To, že leží v paritě P, znamená, že problém izomorfismu grafu není o nic těžší než určit, zda má polynomiální časově nedeterministický Turingův stroj sudý nebo lichý počet akceptačních cest. Pro ZPP NP je také obsažen a nízký GI . To v podstatě znamená, že účinný algoritmus Las Vegas s přístupem k věštci NP dokáže vyřešit izomorfismus grafů tak snadno, že nezískává žádnou moc díky schopnosti to dělat v konstantním čase.

GI-úplné a GI-těžké problémy

Izomorfismus jiných předmětů

Existuje řada tříd matematických objektů, u nichž je problém isomorfismu problémem úplného GI. Řada z nich jsou grafy vybavené dalšími vlastnostmi nebo omezeními:

Kompletní GI třídy grafů

Třída grafů se nazývá GI-Complete, pokud je rozpoznání izomorfismu pro grafy z této podtřídy problémem GI-Complete. Následující třídy jsou úplné GI:

Mnoho tříd digrafů je také úplných GI.

Další problémy s úplným GI

Kromě problémů s izomorfismem existují i ​​další netriviální problémy úplné GI.

  • Rozpoznání vlastní komplementarity grafu nebo digrafu.
  • Problém klika pro třídu tzv M -graphs. Je ukázáno, že nalezení izomorfismu pro n -vrcholné grafy je ekvivalentní nalezení n -kliky v M -grafu velikosti n 2 . Tato skutečnost je zajímavá, protože problém nalezení ( n  -  ε ) -kliky v M- grafu velikosti n 2 je NP-úplný pro libovolně malá kladná ε.
  • Problém homeomorfismu 2-komplexů.

GI-těžké problémy

  • Problém počítání počtu izomorfismů mezi dvěma grafy je polynomiálně časově ekvivalentní problému s určením, zda existuje i jeden.
  • Problém rozhodování, zda dva konvexní polytopy dané V-popisem nebo H-popisem jsou projektivně nebo afinitně izomorfní. Ta druhá znamená existenci projektivní nebo afinní mapy mezi prostory, které obsahují dva polytopy (ne nutně stejné dimenze), což vyvolává bijekci mezi polytopy.

Kontrola programu

Manuel Blum a Sampath Kannan ( 1995 ) ukázali pravděpodobnostní kontrolu programů pro grafový izomorfismus. Předpokládejme, že P je nárokovaný polynomiální časový postup, který kontroluje, zda jsou dva grafy izomorfní, ale není důvěryhodný. Chcete -li zkontrolovat, zda jsou G a H izomorfní:

  • Zeptejte se P, zda G a H jsou izomorfní.
    • Pokud odpovíte „ano“:
      • Pokus o konstrukci izomorfismu pomocí P jako podprogramu. Označte vrchol u v G a v v H a upravte grafy tak, aby byly výrazné (s malou místní změnou). Zeptejte se P, zda jsou upravené grafy izomorfní. Pokud ne, změňte v na jiný vrchol. Pokračujte v hledání.
      • Buď bude izomorfismus nalezen (a může být ověřen), nebo P bude sám sobě odporovat.
    • Pokud odpovíte „ne“:
      • Proveďte následujících 100krát. Vyberte náhodně G nebo H a náhodně permutujte jeho vrcholy. Zadat P v případě, že graf je izomorfní G a H . (Stejně jako v AM protokolu pro graf nonisomorphism).
      • Pokud některý z testů neuspěje, posuďte P jako neplatný program. V opačném případě odpovězte „ne“.

Tento postup je polynomiální a dává správnou odpověď, pokud P je správný program pro izomorfismus grafů. Jestliže P není správný program, ale odpoví správně na G a H , bude kontrola buď dát správnou odpověď, nebo zjišťovat neplatnou chování P . Pokud P není správný program a odpoví nesprávně na G a H , kontroler detekuje neplatné chování P s vysokou pravděpodobností nebo odpoví špatně s pravděpodobností 2 −100 .

Je pozoruhodné, že P se používá pouze jako blackbox.

Aplikace

Grafy se běžně používají ke kódování strukturálních informací v mnoha oblastech, včetně počítačového vidění a rozpoznávání vzorů , a přizpůsobování grafů , tj. Identifikace podobností mezi grafy, je v těchto oblastech důležitým nástrojem. V těchto oblastech je problém izomorfismu grafu známý jako přesné přizpůsobení grafu.

V cheminformatice a v matematické chemii se k identifikaci chemické sloučeniny v chemické databázi používá testování grafového izomorfismu . Také v organické matematické chemii je testování izomorfismu užitečné pro generování molekulárních grafů a pro počítačovou syntézu .

Chemické vyhledávání v databázi je příkladem dolování grafických dat , kde se často používá přístup kanonizace grafů . Zejména řada identifikátorů pro chemické látky , jako jsou SMILES a InChI , navržené tak, aby poskytovaly standardní a pro člověka čitelné způsoby kódování molekulárních informací a usnadňovaly vyhledávání takových informací v databázích a na webu, použijte kanonizační krok v jejich výpočet, což je v podstatě kanonizace grafu, který představuje molekulu.

V automatizaci elektronického designu je izomorfismus základem kroku návrhu obvodu Layout Versus Schematic (LVS), což je ověření, zda jsou elektrické obvody reprezentované schématem zapojení a rozložením integrovaného obvodu stejné.

Viz také

Poznámky

Reference

Průzkumy a monografie

Software