그래프 이형성 문제

Graph isomorphism problem

컴퓨터 과학의 미해결 문제:

다항식 시간 내에 그래프 이형성 문제를 해결할 수 있는가?

그래프 이형성 문제는 두 개의 유한 그래프이형성인지 여부를 결정하는 연산 문제다.

이 문제는 다항식 시간에는 해결할 수 없고 NP-완전한 것으로 알려져 있지 않기 때문에 계산 복잡도 등급 NP-중간에 있을 수 있다.그래프 이형성 문제는 NP 등급낮은 계층 구조에 있는 것으로 알려져 있는데, 이는 다항식 시간 계층이 2단계로 무너지지 않는 한 NP 완전성이 아님을 시사한다.[1]동시에, 많은 특별한 등급의 그래프의 이소모르퍼시즘은 다항식 시간에 해결될 수 있고, 실제로 그래프의 이소모르퍼시즘은 효율적으로 해결될 수 있는 경우가 많다.[2][3]

이 문제는 서브그래프 이형성 문제의 특별한 경우로서,[4] 주어진 그래프 G가 다른 주어진 그래프 H에 대해 이형성이 있는 서브그래프를 포함하고 있는지 여부를 묻는 것이다. 이 문제는 NP-완전한 것으로 알려져 있다.또한 대칭군에 대한 비아벨리안 숨겨진 부분군 문제의 특수한 경우라고 알려져 있다.[5]

이미지 인식 영역에서는 정확한 그래프 일치로 알려져 있다.[6]

예술 상태

11월 2015년에, 라슬로 Babai 2O((통나무⁡ n)c){\displaystyle 2^{O((\log n)^{c}상영 시간)}}와 함께 고정 c>;1월 4일 2017년에 0{\displaystyle c>0}.[7][8][9][10], Babai고 sub-expone 말했다quasi-polynomial 주장 철회 모두 그래프에 대한quasipolynomial 시간 알고리즘, 그 하나이다, 발표했다.ntial 시간에 묶여하랄드 헬프고트가 증거의 결함을 발견한 후로는 변하지 않았다.2017년 1월 9일 바바이는 정정(완전 1월 19일 발행)을 발표하고 준폴리네임 주장을 복원했으며, 힐프고트가 수정안을 확정했다.[11][12]헬프곶은 c = 3을 가져갈 수 있다고 주장하기 때문에 러닝 타임이 2이다O((log n)3).[13][14]

이에 앞서 현재 가장 잘 수용되고 있는 이론 알고리즘은 바바이 & 루크(1983) 때문이었으며, 루크(1982)가 V. N. 제밀야첸코(Zemyachenko, Korneenko & Tyshkevich 1985)의 하위요소 알고리즘과 결합한 초기 연구에 바탕을 두고 있다.알고리즘은 정점이 없는 그래프에 대해 런타임O(n log n) 2를 가지며 유한 단순 그룹의 분류에 의존한다.이 분류 정리가 없다면, 먼저 라슬로 바바이(1980년)가 강력하게 규칙적인 그래프에 대해 약간 약한 바운드 2를O(n log2 n) 얻은 다음, 바바이 & 루크스(1983)가 일반 그래프까지 확장했다.지수 improvementn의 개선은 중요한 개방적인 문제인데, 강력한 정규 그래프의 경우 이것은 스필먼(1996)에 의해 이루어졌다.경계 등급의 하이퍼그래프의 경우, 그래프의 사례와 일치하는 하위 항목 상한을 Babai & Codenotti(2008)에 의해 얻었다.

그래프 이형성을 위한 몇 가지 경쟁적인 실제 알고리즘이 있는데, 예를 들어 맥케이(1981), 슈미트 & 드루펠(1976), 울만(1976)에 기인한다.무작위 그래프에서는 성능이 좋은 것처럼 보이지만, 이러한 알고리즘의 주요 단점은 최악의 경우 기하급수적인 시간 성능이다.[15]

그래프 이형성 문제는 그래프의 자동성 그룹을 계산하는 문제와 연산적으로 동등하며 순열성 이형성 문제, 순열성 그룹 교차로 문제보다 약하다.[16][17]후자의 두 문제에 대해, 바바이, 칸토르 & 루크(1983)는 그래프 이형성의 경우와 유사한 복잡도 한계를 얻었다.

해결된 특수 사례

그래프 이형성 문제의 많은 중요한 특별한 경우들은 효율적인 다항식 시간 해결책을 가지고 있다.

복잡도 등급 GI

그래프 이형성 문제는 NP-완전한 것으로도 알려져 있지 않고 추적 가능한 것으로 알려져 있지 않기 때문에, 연구자들은 그래프 이형성 문제에 대한 다항 시간 튜링 감소의 일련의 문제인 새로운 등급 GI를 정의함으로써 문제에 대한 통찰력을 얻으려고 노력해왔다.[31]실제로 다항식 시간에 그래프 이형성 문제가 해결 가능하다면 GIP와 같을 것이다.반면에, 만약 문제가 NP-완전이라면, GINP와 같을 것이고, NP의 모든 문제는 준-폴리놈 시간 내에 해결할 수 있을 것이다.

다항식 시간 계층 내의 복잡성 등급에서 흔히 그렇듯이, 다항식 시간 튜링 문제가 GI의 어떤 문제에서 그 문제로 감소하는 경우, 즉 GI-하드 문제에 대한 다항식 시간 솔루션이 그래프 이형성 문제(그러므로 GI의 모든 문제)에 다항식 시간 해결책을 산출할 경우 문제를 GI-하드라고 부른다.문제 (가) GI-hard이고 GI 문제에 대한 다항식 시간 솔루션이 X에 다항식 시간 솔루션을 제공하는 경우 GI 또는 GI-완성에 대해 완료라고 불린다

그래프 이형성 문제는 NP와 co-AM에 모두 포함되어 있다.GI는 패리티 P에 대해 포함되고 낮으며 잠재적으로 훨씬 더 작은 등급의 SPP에도 포함된다.[32]그것이 패리티 P에 있다는 것은 그래프 이형성 문제가 다항 시간 비결정론적 튜링 기계가 짝수 또는 홀수 수의 승인 경로를 가지고 있는지 여부를 결정하는 것보다 어렵지 않다는 것을 의미한다.ZPPNP 경우 GI도 포함되고 낮음도 포함된다.[33]이것은 본질적으로 NP 신탁에 접근할 수 있는 효율적인 라스베이거스 알고리즘이 그래프 이형성을 매우 쉽게 해결할 수 있다는 것을 의미하므로 일정한 시간에 그래프를 할 수 있는 능력이 주어지는 것으로부터 힘을 얻지 못한다.

GI 완성 및 GI 하드 문제

다른 물체의 이형성

이형동성의 문제가 GI-완전성 문제인 수학적 객체의 여러 등급이 있다.이러한 그래프 중 일부는 추가 속성 또는 제한이 부여된 그래프들이다.[34]

GI 전체 그래프 클래스

이 하위 클래스의 그래프에 대해 이형성을 인식하는 것이 GI-완전성 문제라면 그래프 클래스를 GI-완전성이라고 한다.다음 클래스는 GI 완료:[34]

많은 종류의 디그래프들도 GI-완전하다.

기타 GI 완료 문제

이형성 문제 외에도 다른 비종교적인 GI 완성 문제가 있다.

  • 그래프 또는 디그래프의 자기 완성도 인식.[40]
  • 소위 M-그래프라고 불리는 계층의 집단 문제.n-vertex 그래프의 이형성을 찾는 것은 n 크기2 M-그래프에서 n-clik를 찾는 것과 동등하다는 것을 보여준다.2 사실은 N 사이즈의 M-그래프에서 (n - )) 클라이크를 찾는 문제가 임의로 작은 양의 ε에 대한 NP-완전이기 때문에 흥미롭다.[41]
  • 2개 복합체의 동형성 문제.[42]

GI-하드 문제

  • 두 그래프 사이에 이형화 수를 세는 문제는 한 그래프라도 존재하는지 여부를 판별하는 문제와 맞먹는 다항시간이다.[43]
  • V-설명이나 H-설명 중 하나에 의해 주어지는 볼록한 두 개의 폴리탑이 투영적으로 또는 아순하게 이형인지 여부를 결정하는 문제.후자는 두 개의 폴리토페스를 포함하고 있는 공간 사이에 투영적 또는 아핀 지도가 존재한다는 것을 의미하며, 이는 폴리토페스 사이의 편차를 유도한다.[39]

프로그램 확인

Manuel Blum과 Sampath Kannan(1995)은 그래프 이형성 프로그램에 대한 확률론적 체커를 보여주었다.P가 두 개의 그래프가 이형인지 여부를 확인하는 청구된 다항식 시간 절차라고 가정해 보십시오.그래프 GH가 이형인지 확인하려면:

  • P에게 GH가 이형인지 물어본다.
    • 대답이 "예"인 경우:
      • P를 서브루틴으로 사용하여 이형성 구조를 시도한다.정점 uG, vH로 표시하고 그래프를 수정하여 (작은 국소 변경으로) 구별되도록 하십시오.수정된 그래프가 이형인지 P에게 물어보십시오.아니오인 경우 v를 다른 꼭지점으로 변경하십시오.계속 검색하십시오.
      • 이형성(異形性)이 발견될 것이다(그리고 검증될 수 있다), 그렇지 않으면 P는 스스로 모순될 것이다.
    • "아니오"라고 대답할 경우:
      • 다음 작업을 100회 수행하십시오.임의로 G 또는 H를 선택하고 정점을 임의로 허용한다.그래프가 GH에 대해 이형성이 있는지 P에게 물어보십시오(그래프의 비이형성에 대한 AM 프로토콜의 경우).
      • 테스트 중 하나라도 실패하면 P를 유효하지 않은 프로그램으로 판단한다.그렇지 않으면 "아니오"라고 대답한다.

이 절차는 다항식 시간이며 P가 그래프 이형성에 대한 올바른 프로그램인 경우 정답을 제시한다.P가 올바른 프로그램이 아니라 GH에서 정답을 맞추면 체커는 정답을 제시하거나 P의 잘못된 행동을 탐지한다.P가 올바른 프로그램이 아니고 GH에서 오답하는 경우, 체커는 확률이 높은 P의 잘못된 행동을 탐지하거나 확률−100 2로 오답한다.

특히 P는 블랙박스로만 쓰인다.

적용들

그래프는 컴퓨터 비전, 패턴 인식 등 여러 분야의 구조 정보를 인코딩하는 데 일반적으로 사용되며, 그래프 매칭, 즉 그래프 간의 유사성 확인은 이러한 영역에서 중요한 도구다.이러한 영역에서 그래프 이형성 문제는 정확한 그래프 일치로 알려져 있다.[44]

척도학수학적 화학에서 그래프 이형성 시험은 화학 데이터베이스 내의 화학 화합물을 식별하는 데 사용된다.[45]또한 유기 수학적 화학 그래프에서 이형성 테스트는 분자 그래프의 생성과 컴퓨터 합성에도 유용하다.

화학 데이터베이스 검색은 그래픽 데이터 마이닝의 한 예로서, 그래프 시성화 접근법이 자주 사용된다.[46]특히 분자 정보를 암호화하고 데이터베이스와 웹에서 그러한 정보의 검색을 용이하게 하기 위해 표준적이고 사람이 읽을 수 있는 방법을 제공하기 위해 고안된 스마일즈, InChi와 같은 화학 물질에 대한 다수의 식별자는 그들의 계산에 시성 단계를 사용하는데, 이것은 근본적으로 그래프의 시성화인 것이다.h는 분자를 나타낸다.

전자 설계 자동화 그래프에서 이형성은 LVS(Layout Bas Schemote) 회로 설계 단계의 기초로서, 회로 도식도와 집적 회로 레이아웃으로 대표되는 전기 회로가 동일한지 여부를 검증하는 것이다.[47]

참고 항목

메모들

  1. ^ 숄닝(1987년).
  2. ^ Babai, László; Erdős, Paul; Selkow, Stanley M. (1980-08-01). "Random Graph Isomorphism". SIAM Journal on Computing. 9 (3): 628–635. doi:10.1137/0209047. ISSN 0097-5397.
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  4. ^ 울먼(1976년).
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  7. ^ "Mathematician claims breakthrough in complexity theory". Science. November 10, 2015.
  8. ^ 바바이 (2015년)
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참조

설문 조사 및 단문 분석

소프트웨어