線形方程式系の最も疎な解を見つける


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線形方程式系の最もまばらな解を見つけるのはどれほど難しいですか?

より正式には、次の決定問題を考慮してください。

インスタンス:整数係数と数持つ線形方程式のシステムc。

質問:少なくともc個の変数がゼロに割り当てられているシステムの解決策はありますか?

また、に対する依存関係を判断しようとしていますc。つまり、おそらく問題はパラメーター FPT cです。

どんなアイデアや参考文献も本当に感謝しています。

回答:


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いくつかのリングRで満たされる線形方程式の数を最大化する問題を考えます。これは、たとえばR = Zの場合に、NP困難であることがよくあります。マックス・リン(R)RR=Z

この問題のインスタンスを取り、、AがであるN × Mのマトリックス。ましょうK = M + 1。新しい線形システム構築〜A 〜X = 〜B、〜Aは、であるkは、N × (K N + M )行列、〜xは今である(K N + M )次元のベクトル、及び〜BAバツ=bAn×mk=m+1A〜バツ〜=b〜A〜kn×(kn+m)バツ〜(kn+m)b〜ある次元ベクトル:kn

IN

A〜=[A私n私n−私n私n−私n⋱⋱私n−私n]、b〜=[b0⋮0]
私nである恒等行列。n×n

このシステムは常にベクトルによって満たされることに注意してください。実際、最初のm個のエントリバツ〜=(0bb⋯b)Tm任意とすることができ、その接頭辞を持ついくつかの解ベクトルがあります。バツ〜

私は今、その主張方程式の画分A X = Bを充足IFFは疎液が存在している〜A 〜X = 〜Bの少なくとも有しδ N Kゼロ。これは、xを拡張すると、A x = bのすべての満たされた行がk個の潜在的なゼロをもたらすためです。δAバツ=bA〜バツ〜=b〜δnkAバツ=bkバツバツ〜

我々はに疎液のスパース見つけた場合このように、、我々はまた、最大化していますA〜バツ〜=b〜することによってスパースを分割することにより、 K。δk

したがって、あなたの問題はNP困難だと思います。


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涼しい!共有していただきありがとうございます。それで、依存関係はcに何だと思いますか?あなたは私たちがより少ないでそれを解決することができると思いますかここで、nは入力サイズですか?poly(n)⋅(nc)n
— マイケル・ウィアー

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確かに、xの要素がゼロであると仮定した場合、それらの要素をxから削除して低次元のx ′を取得し、Aから対応する列を削除してA ′を取得できます。次に、ガウス消去法を使用して、縮小システムA ′ x ′ = bが実行可能かどうかを判断します。そうである場合、スパースソリューションが見つかりました。次に、すべて( ncバツxx′AA′A′x′=b可能なA′x′。(nc)A′x′
— ジョーベベル

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私はこの問題はFPTかではないがあるかどうかわからない@MichaelWehar
— ジョー・ベーベル

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与えられた:問題は、次のような問題から還元によって、NP完全である行列A整数エントリを持つ整数ベクトルBとN 0-1ベクトルが存在しない、エントリXとA X = bは?m×nAbnxAx=b

ベクトルのすべての座標に対してxi、 x

  • 導入新しい方程式はxはI + Y 、I 、K = 0とK = 1 、... 、100 (N + M )、及び 100(n+m)xi+yi,k=0k=1,…,100(n+m)
  • 導入新しい方程式はxはIを + Z I 、K = 1とK = 1 、... 、100 (N + M100(n+m)xi+zi,k=1ます。 k=1,…,100(n+m)

さらに、古い方程式システムます。Ax=b

新しいシステムに少なくとも100 (n + m )n個の変数がゼロである解がある場合にのみ、元のシステムに対する0-1解が存在します。Ax=b100(n+m)n



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この問題は、さまざまな設定で困難です。この質問に対する他の回答で述べたように、問題は整数全体でNP完全です。

信号処理では、行列とベクトルには合理的なエントリがあり、この問題はスパース再構成問題と呼ばれることもあります。この設定では、問題はNP完全です(定理1を参照)。

コーディング理論では、エントリは有限体からのものであり、この問題は最尤復号化問題と呼ばれることもあります。この設定では、指数時間仮説を仮定すると、問題はNP完全であり、準指数時間ではありません。さらに、arXivに関するペーパーの以前のバージョン(ペーパーのバージョン1の補題C.2を参照)によると、問題はW [1]完了です。


W [1]-完全性への参照には、「補題C.2」が含まれていないようです。

@RickyDemer彼がリンクした論文のバージョン1には補題C.2があります。ただし、バージョン2は異なるタイトルを持っているようで、ごく最近変更されました。
— マイケル・ウィアー

その補題は、OPとは異なるパラメーター化を使用します。

更新されたバージョンがあることに気づかなかったので、それを見て、それに応じて回答を更新します。
— argentpepper

以前のコメントで述べたように、「補題はOPとは異なるパラメーター化を使用している」ため、結果が真であると仮定しても(バージョン2から削除されたにもかかわらず)、パラメーター化された複雑さに関するOPの質問は未解決のままです。
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