定理。 投稿の問題は、Subset-Sumからの削減によるNPハードです。
もちろん、opで要求されたようなポリタイムアルゴリズムが問題にある可能性は低いということです。
これが直観です。投稿の問題は
これは本質的に同じです
- (行列をベクトルとして考える)いくつかの与えられた線形制約を満たす順列行列はありますか?
これは次と同じです
- 入射ベクトルが特定の線形制約を満たす完全なマッチング(完全な2部グラフ)がありますか?
サブセットの合計を後者の問題に減らすことは、標準的な演習です。
詳細な証拠は次のとおりです。
次の中間問題を定義します。
マッチング合計:
入力: 完全、二部グラフ非負整数エッジ重みを有する、及び非負整数ターゲットT。G = (U、V、E)T
出力: DOES 重量の最適なマッチングを正確に含まれているTの?GT
補題1。サブセット合計ポリタイムは、マッチング合計に短縮されます。
これが標準的な宿題の練習であることを証明します。証明は最後にあります。
補題2. Matching-Sumポリタイムは、投稿の問題を軽減します。
補助定理2の証明修正マッチング和入力:完全な二部グラフ非負整数辺の重み付きW :U × V → N +、およびターゲットT ∈ N +、U = { u 1、… 、u n }およびV = { v 1、… 、v n }。各iについてG = (U、V、E)w :U× V→ N+T∈ N+うん= { u1、… 、un}V= { v1、… 、vn}、定義 M (I jは)における行列であると R (N + 1 )× (N + 1 )ここで、 M (I 、J )、I 、J = T、および M (i j )n + 1 、n + 1 = w (uI 、J ∈ { 1 、2 、... 、N }M(i j )R(n + 1 )× (n + 1 )M(i j )私はj= T、および他のすべてのエントリはゼロです。還元は、行列の次のセットを出力:
{ M (I J ):I 、J ∈ { 1 、... 、N } }。
これは削減を定義します。M(i j )n + 1 、n + 1=w(ui,vj)
{M(ij):i,j∈{1,…,n}}.
請求。 行列のこのセットのスパンは、これらのマトリックスから成り線形制約を満たすMのH 、N + 1 = M 、N + 1 、H = 0のすべてのための時間≤ Nとを線形制約M∈R(n+1)×(n+1)Mh,n+1=Mn+1,h=0h≤n
∑ni=1∑nj=1Mijw(ui,vj)=TMn+1,n+1.
(請求項の証明。検査によって各行列セットを満たすにおけるこれらの制約は、これらの行列のすべての線形結合がないようにします。逆に、M ∈ R (N + 1 )× (N + 1 )を満たす制約、その後、Mは線形組み合わせ等しいM ' = ΣをN iが= 1 Σ N J = 1 α I J M (I jはM(ij)M∈R(n+1)×(n+1)M行列の α I 、J = M I J / M (I 、J )、I 、J = M I J / T。特に注意、その様々な定義及び線形制約によって、
M ' 、N + 1 、N + 1 = Σ I jの α I jを W (U 、I、VのJ)= Σ I J MM′=∑ni=1∑nj=1αijM(ij)αij=Mij/M(ij)ij=Mij/T
これは主張を証明します。)
M′n + 1 、n + 1= ∑私はjα私はjw (u私、vj)= ∑私はjM私はjw (u私、vj)/T=(TMn+1,n+1)/T=Mn+1,n+1.
ここで、削減が正しいことを示します。つまり、与えられたグラフは、行列のセットが置換行列にまたがる場合にのみ、重みTに一致します。GT
(場合のみ。)まず、与えられたグラフと仮定重量有するTの完全マッチングMを'。ましょM ∈ { 0 、1 } (N + 1 )× (N + 1 )対応であるN × Nように加え、余分な行と列との順列行列、M 、N + 1 、N + 1 = 1とMのH 、n +GTM′M∈{0,1}(n+1)×(n+1)n×nMn+1,n+1=1のすべてのための時間≤N。次いで、 Σ N iが= 1 Σ nは、J = 1 M I jを W( U 、I、 Vのjは)の重量であり、 M '、であり、T、および M N + 1 、N + 1 =1Mh,n+1=Mn+1,h=0h≤n∑ni=1∑nj=1Mijw(ui,vj)M′TMn+1,n+1=1、したがって、クレームの線形制約が保持され、指定された行列のセットのスパンには置換行列が含まれます。M
(If。)逆に、スパンに置換行列が含まれるとします。クレームでは、行n + 1または列n + 1の唯一の非ゼロエントリはM n + 1 、n + 1であるため、(Mは置換行列であるため)M n + 1 、n + 1 = 1。したがって、最後の行と列を削除すると、n × nの順列行列が得られます。してみましょうMは"の完璧なマッチングもMn+1n+1Mn+1,n+1MMn+1,n+1=1n×nM′その n × n順列行列に対応する G。M 'の重みは ∑ n i = 1 ∑ n j = 1 M i j w (u i、v j)であり、これは(請求により) T M n + 1 、n + 1 = Tです。したがって、与えられたグラフは重みTマッチングを持ち、補題2を証明します。Gn×nM′∑ni=1∑nj=1Mijw(ui,vj)TMn+1,n+1=TT □
補題1の遅延証明は次のとおりです。
補助定理1の証明所定のサブセット和インスタンス、マッチング和インスタンス出力低減(G = (U 、V 、E )、T )ここで、U = { uが1、u 2、… 、u 2 n }、V = { v 1、v 2、(w,T)∈Nn+×N+(G=(U,V,E),T)U={u1,u2,…,u2n}それぞれについて、 I ∈ { 1 、... 、N }、エッジ(U iは、V I)量を有する wはI、残りのすべてのエッジが重量ゼロを有します。V={v1,v2,…,v2n}i∈{1,…,n}(ui,vi)wi
加算するエッジ重みを有する任意の完全一致のために、集合Sは、= { iが:(U iが、V I)∈ Mは、iが≤ N }所定のサブセット和インスタンスを解決する(これらは唯一の非ているようMのゼロウェイトエッジ)。TS={i:(ui,vi)∈M,i≤n}M
逆に、サブセット和インスタンスに任意の溶液、言う所与とΣ iが∈ S wはiが = T、エッジの集合は、{ (U 、I、V I):I ∈ S }であります部分量を有するマッチングT、それは重量に容易に延びているTの、例えば、(ゼロ重量)エッジの次のセットを追加することによって、完全一致:S⊆{1,…,n}∑i∈Swi=T{(ui,vi):i∈S}TT
{(ui+n,vi+n):i∈S}∪⋃i∈{1,…,n}∖S{(ui,vi+n),(ui+n,vi)}.
これは補題1定理は補題1と2から次のことを証明◻ □
ps余談ですが、この回答によれば、Matching-Sumの多項式で制限されたエッジの重みを持つインスタンスへの制限はPにあります。しかし、ポスト内の問題の制限は、多項式で制限された(整数)エントリはNPハードのままです。