УДК 519.714 Сложность дизъюнктивных нормальных форм и полу-эффект Шеннона в некоторых подклассах булевых функций. С. С. Гранин Ю. В. Максимов∗ 5 1 МФТИ ПреМоЛаб МФТИ и ИППИ РАН 0 2 n a J Аннотация 4 1 В работе рассматривается задача построения минимальных икратчайших дизъюнктив- ныхнормальных формбулевыхфункцийсограниченнымчислом.Вслучаеполиномиально ] O ограниченного множества нулей получены новые рекордные нижние оценки сложности по- C чтивсехфункцийсоответствующихклассов.Указанныеоценкиивсочетаниисизвестными . раннее верхними оценками позволяют установить точный порядок роста сложности ДНФ h t булевых функций снеболеечем полиномиальным числом нулей. В работе также ставиться a m вопрос об эффекте Шеннона в соответствующих малому числу подклассах функций. [ Ключевые слова:задачапокрытия множеств, булевафункция,дизъюнктивная нормаль- 1 v ная форма, схемная сложность. 4 4 4 1. Введение 3 0 . 1 При решении ряда современных задач дискретной математики и информатики, таких как по- 0 строение эффективных SAT-солверов или решения NP-трудных задач о покрытии множеств, 5 1 частовозникает задачарешения булевыхуравнений Нельсоновского типа,представимых ввиде : v q i X F = 0, (1) i r a Yi=1 где каждая из формул F над пространством булевых переменных x ,x ,..., x записана в виде i 1 2 n F = xσi для некоторого I ⊆ [n]. i i i∈I W ∗Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта №14-07-31277 мол_а; а также при частичной поддержке Лаборатории структурных методов анализа данных в предсказа- тельном моделировании ФУПМ МФТИ, грант правительства РФ дог. 11.G34.31.0073. 1 Одним из наиболее интересных случаев указанной постановки является случай, в котором существенная часть функций F отвечает функциям обращающимся в ноль в единственной i точке. В общем случае указанная задача сводиться к так называемой задаче исключения нулей из дизъюнктивной нормальной формы (ДНФ), отвечающей частичному произведению функций F ,i ∈ I.Внастоящейработебудутполученынижниеоценкиисложностифункций,превосходя- i щие, в определенных случаях, известные ранее, в частности (Дьяконов 2001; Дьяконов 2002), а также (Mubayi, Turan, and Zhao 2006; Журавлёв and Коган 1985; Журавлёв and Коган 1986), (Коган 1987; Максимов 2012; Максимов 2012; Максимов 2013) и другие. 2. Структура работы Впервойчастиработырассматриваетсяобщийметодпостроениявысокихнижнихоценокдизъ- юнктивных нормальных форм булевых функций, заложенный в работе (Дьяконов 2001) и раз- витый в работах (Максимов 2012; Максимов 2012; Максимов 2013). Суть метода состоит в геометрическом анализе исходной булевой функции. А именно, про- блема построения простой ДНФ сводиться к задаче построения покрытия не всего множества точек,отвечающихединицам рассматриваемойфункции, анекоторого его подмножества малой мощности. В случае, если удается выделить подмножество для покрытия которого, при усло- вииегонебольшоймощности,необходимодостаточнобольшоечислоконъюнкций,тоуказанный метод позволяет получать нижние оценки сложности существенно превосходящие имеющиеся методы. В следующей части нами приводиться обзор известных результатов, касающихся поведения типичных и экстремальных по сложности функций, в зависимости от числа точек, на которых они обращаются в ноль (см. таблицу 1). В заключительной части работы нами представлен список теоретических вопросов, касаю- щихсязадачипостроенияминимальныхДНФфункцийисмежных вопросов,ответынакоторые представляются авторам интересными и важными. 3. Терминология и обозначения Предполагается,чточитательзнакомсосновнымипонятиямитеориидизъюнктивныхнормаль- ныхформитеориивероятности.Основнуючастьнеопределенных здесьпонятий,относящиесяк теории построения дизъюнктивных нормальных форм, определены в работе (Яблонский 2010). Задача минимизации сложности дизъюнктивной нормальной формы булевой функции, за- данной в конъюнктивной нормальной форме (КНФ) уравнением 1, состоит в том, что бы запи- сать указанную функцию в дизъюнктивной нормальной форме (ДНФ) с использованием как можно меньшего числа логических произведений (конъюнкций), а также символов перемен- ных и их отрицаний (литералов). Длиной ДНФ называется число входящих в нее конъюнкций, рангом ДНФ называется число использованных в её записи литералов. Дизъюнктивная нормальная форма минимального ранга называется минимальной, а ми- нимальной длины — кратчайшей. С точки зрения построения оптимальных покрытий, ДНФ 2 минимального длины соответствует покрытие использующее минимальное число граней; ДНФ минимального ранга соответствует минимальное вес совокупности граней, где в качестве веса грани выступает разность между размерностью функции и размерностью грани. Литералом будем называть булеву переменную или ее отрицание. Литерал x булевой функ- i ции f(x ,x ,...,x ) ассоциируем со столбцом Mi матрицы нулей функции f; литерал x¯ ассо- 1 2 n [k] i циируем с покоординатным отрицанием столбца Mi ,1 6 i 6 n. Далее под термином литерал [k] xσi будет часто подразумеваться ассоциированный с ним булев вектор. i Обозначим через Pn класс булевых функций от n переменных, имеющих ровно k нулевых k точек. Обозначим через logx натуральный алгоритм числа x, log(1)x = logx, log(k+1)x = log(k)x при всех k > 1;асимптотические нотации O(.),o(.) и ω(.) всегда, кроме специально оговоренных случаев, применяются при n → ∞. Выражения f ≪ g и f ≫ g применяемые в неравенствах и формулировках утверждений, равносильны равенствам f = o(g) и f = ω(g) соответственно. Матрицей нулей M функции f назовем булеву матрицу, по строкам которой расположены f нули функции f. Обозначим [k] = {1,2,...,k}; Mj1,j2,...,jr подматрицу матрицы M образованную i1,i2,...,it пересечением строк i , i , ..., i со столбцами j ,j ,...j . 1 2 t 1 2 r Скажем, что для почти всех булевых функций класса Pn выполнено свойство A, если k(n) доля функций для которых оно не справдливо стремиться к 0, при n → ∞. Положим B — множество всех булевых векторов размерности k; B0 и B1 — множество k k k булевых векторов, первая координата которых равна 0 или 1 соответственно; под вектором x¯ будем понимать покоординатное отрицание вектора x ∈ B ; минимум из числа единиц и числа k нулей x назовем весом вектора x,x ∈ B . k 4. Известные результаты Первые эффективные алгоритмы построения ДНФ булевых функций с ограниченным числом нулей были предложены в работах (Журавлёв and Коган 1985; Журавлёв and Коган 1986). Предложенный им метод позволяет строить для почти всех функций из класса Pn дизъюнк- k тивные нормальные формы число конъюнкций которых, не превосходит O nk (1+o(1)) . log2n Указанные оценки во многих случаях остаются рекордными в смысле порядка(cid:16)роста функци(cid:17)и. А. Ю. Коганом в работе (Коган 1987) были предложены способы получения нижних оценок сложности основанные на специальной релаксации исходной задачи к задаче линейного про- граммирования.Ключеваядля последующих рассуждений идея была представлена А.Г.Дьяко- новым в работе (Дьяконов 2001). Суть ее состоит в явном построении системы точек, покрытие которых трудно в классе ДНФ. Основываясь в целом на методе А.Г. Дьяконова в ряде последующих работ были получе- ны оценки для сложности булевых функций в классе ДНФ, являющихся в настоящий момент рекордными (Максимов 2012; Максимов 2012; Максимов 2013). В области анализа сложности булевых функций отметим также ряд известных верхних оценок полученных в работах (Дьяконов 2002; Mubayi, Turan, and Zhao 2006). Основные известные оценки сложности в подклассах приведены в таблице 1. 3 Оценка Автор Комментарий O(nk) (Дьяконов 2002), верхняя, произвольная функция (Mubayi, Turan, and Zhao 2006) O nk (Журавлёв and Коган 1985) верхняя, почти все функции, k 6 2n/2 log2n (cid:16) (cid:17) (Максимов 2012) Ω(n) (Дьяконов 2001) нижняя, если есть изолированный ноль Ω nk (Коган 1987) верхняя, почти все функции, k 6 2n/2 logn·lognk Ω(cid:16) nk (cid:17) эта работа нижняя, почти все функции, k 6 2n/2 logn+logk (cid:16) (cid:17) Таблица 1: Основные известные оценки сложности булевых функций. 5. Нижние оценки сложности Используем следующие понятия, определенные в работе (Максимов 2012): Определение 1 Ненулевой вектор α ∈ B назовем разложимым по векторам α ,α ,...,α k 1 2 t если выполнены следующие равенства α = α ∨α ∨...∨α , <α¯,α >=<α¯,α >= ... =<α¯,α >= 0, 1 2 t 1 2 t где под символом <α,β> понимается скалярное произведение векторов α и β. Определение 2 Ненулевой вектор α ∈ B назовем ортогонально разложимым по векторам k α ,...,α если выполнены следующие равенства 1 t α = α ⊕α ⊕...⊕α 1 2 t (α = α1 ∨α2 ∨...∨αt Обозначим I вектор размерности k, состоящий только из единиц. В случае α = I в услови- k k ях предыдущего определения назовем вектора {α }t ортогональным разложением единицы. i i=1 Заметим, что если вектор α разложим по векторам {α } , то χ(α) > χ(α ),i ∈ I. i i∈I i Конъюнкция K называется импликантой функции f(x ,x ,...,x ), если N ⊆ N . Импли- 1 2 n K f канта K называется простой, если из K не может быть вычеркнут ни один литерал так, чтобы полученная конъюнкция была импликантой f(x ,x ,...,x ). Термины простая импликанта и 1 2 n несократимая конъюнкция употребляются в работе как синонимы. Обозначим Z — множество нулей функции f, а N — множество ее единиц. Определим f f вектора {ek}k равенствами ek = χ−1(2i), 0 6 i < k. i i=1 i+1 Пусть E(t) = {i : Mt = 1}, Z(t) = [k] \ E(t). Отметим, что для приведенной функции i Z(t) 6= ∅ и E(t) 6= ∅. Следуя работе (Дьяконов 2001), обозначим θ˜(i,j) = (θ ,θ ,...,θ ) точку 1 2 n булева куба такую, что θ = Mr при всех r ∈ [n]\{j} и θ = 1−Mj. r i j i Далее будем полагать, что число единиц каждого столбца матрицы нулей всякой рассмат- риваемой далее функции не превосходит числа нулей. Отметим, что всякая булева функция может быть приведена к такому виду преобразованиями Шеннона-Поварова. 4 Для конъюнкции K обозначим rank+ K число положительных литералов конъюнкции; rank− K число отрицательных литералов; rank K = rank+ K +rank− K. В работе (Дьяконов 2001) введено следующее определение Определение 3 Множество k n {θ˜(i,j)}\N¯ f i=1j=1 [[ назовем множеством околонулевых точек. Обозначим указанное множество Θ. Положим k k Θ1 = {θ˜(i,j)}\N¯ Θ0 = {θ˜(i,j)}\N¯ f f i[=1 M[ij=1 i[=1 M[ij=0 j∈{1,2,...,n} j∈{1,2,...,n} А. Г. Дьяконовым в той же работе (Дьяконов 2001) была доказана Лемма 1 Для всех элементарных конъюнкций K ∈ Dсокрf (Dсокрf — сокращенная ДНФ функ- ции f) и всех i ∈ [k] справедливо n N ∩ θ˜(i,j) 6 1 K (cid:12) (cid:12) (cid:12) j[=1 (cid:12) (cid:12) (cid:12) Соседними назовем булевы вектор(cid:12)а одинаковой р(cid:12)азмерности, находящиеся на расстоянии 1 (cid:12) (cid:12) в метрике Хемминга. Рассмотрим произвольную приведенную булеву функцию f(x ,...,x ), не 1 n имеющую соседних нулевых точек; обозначим M ее матрицу нулей и зафиксируем ее произ- f вольную ДНФ D. Справедливы следующие утверждения, доказательства которых получены в работе (Максимов 2012) Лемма 2 Выделим в D конъюнкции, содержащие литерал xσi в количестве t штук. Литерал i xσi входит еще как минимум в одну, отличную от выделенных, конъюнкцию из D, если при i любом разрезании матрицы M на t частей M ,M ,...,M существует такая матрица M , f 1 2 t j что для функции ϕ заданной матрицей M , ни одна из выделенных конъюнкций не определяет j j разбиение xσi. i Лемма 3 Литерал xσi входит не менее чем в t+1 конъюнкцию каждой ДНФ функции f, если i при любом разрезании матрицы M на t частей M ,M ,...,M , существует такая матрица f 1 2 t M , что для функции ϕ , заданной матрицей M , не существует набора литералов, образую- j j j щего разбиение литерала xσi. i Рассмотрим оценки сложности функций класс Pn. Далее через log обозначен натуральный k логарифм. 5 Теорема 1 Для почти всех функций класса Pn ни одна из их дизъюнктивных нормальных k форм состоящих только из простых импликант, не содержит импликант ранга d, если d не лежит вне интервала [logk +O(loglogk +loglogn);lognk −Ω(loglognk)]. Доказательство. Для доказательства теоремы достаточно заметить, что для вероятности p существования простой импликанты ранга d в ДНФ функции класса Pn справедливо k n p 6 2d 1−2−d k d  (cid:18) (cid:19) p 6 2d n (cid:0)k/2d−1 (cid:1)d.  d (cid:18) (cid:19) (cid:0) (cid:1) Первое из неравенств системы следует из оценки вероятности для конъюнкции быть импли-   кантой функции. Второе неравенство отвечает за простоту импликанты. В частности, ни при удалении любого литера из рассматриваемой конъюнкции она не должна более являться им- пликантой функции. Простые вычисления дают, что с вероятностью стремящейся к 1 выполнено p > logk +O(loglogn+loglogk), и p 6 lognk −Ω(loglognk), что завершает доказательство. (cid:4) Теорема 2 Почти все функции класса Pn не могут быть реализованы дизъюнктивынми нор- k мальными формами состоящими меньше чем nk (1+O( lognk)) lognk конъюнкций p Доказательство. Доказательство теоремы в целом основано на лемме ?? и предыдущей оцен- ке. Согласно лемме, для заданой конъюнкции нам необходимо оценить число строк матрицы нулей функции, в которых подстроки соотвествующие конъюнкции, отличаются от ее сигнату- ры не более чем на 1. В нашем случае это будет случайная величина удовлетворяющая условию ограниченныхразностейиимеющеематематическоеожиданиенепревосходящеерангарассмат- риваемой конъюнкции. Согласно предыдущей теореме в сочетании с неравенством МакДиар- мида получаем оценку на число конъюнкций N в виде k nk N > 1+Ω lognk , k lognk что завершает доказательство теоремы. (cid:16) (cid:16)p (cid:17)(cid:17) (cid:4) Теорема 3 При log k = o(n) в классе функций Pn существует функция, минимальная ДНФ n k реализация которой содержит не менее N конъюнкций, где для N выполнено k k nklogn N > Ω . k logk (cid:18) (cid:19) Доказательство. Указанную оценку можно получить оценив сложность покрытия околону- левых точек функции принимающей нулевые значения на одном из слоев булева куба. (cid:4) 6 6. Полу-эффект Шеннона и открытые вопросы Ключевым открытым вопросом в области сложности булевых функция является установление точных и асимптотически точных границ на поведение функций тех или иных классов. Эффектом Шеннона состоит в том, что сложность реализации наиболее “трудной” булевой функции в заданном классе совпадает в асимптотике со сложностью реализации почти всех функций класса. В частности, указанная ситуация имеет место при исследовании сложности реализации булевых функций схемами без ограничений. Полу-эффект Шеннона имеет место в случае, когда сложность реализации почти всех бу- левых функций имеет один и тот же порядок, но вообще говоря отличается от сложности реализации наиболее трудной функции. Такая ситуация имеет место при исследовании слож- ности реализации функций дизъюнктивными нормальными формами. Как несложно, заметить экстремальные оценки сложности достигаются на линейной функции, для реализации которой требуется 2n−1.Втожевремя вариационныйпринцип устанавливает факт,состоящийвтом,что почти все булевы функции имеют один порядок при реализации в ДНФ (Нигматуллин 1967). Однако, вопрос какова эта сложность остается невыясненным до сих пор. Отметим в этом направлении ряд работ, которые позволили достаточно точно его оценить (Глаголев 1964; Коршунов 1983; Pippenger 2003). В классе булевых функций с ограниченным числом нулей полу-эффект (и эффект) Шенно- на реализуется при числе нулей не превосходящим log nϕ(n), для некоторой положительной 2 функции ϕ(n) → +∞, при n → ∞. Из работы (Максимов 2012) следует отсутствие эффекта Шеннона в окрестности числа ну- лей k = logn, если в качестве меры сложности рассматривать число литералов входящих в ДНФ. При этом в оригинальной работе рассматривался, вообще говоря более узкий подкласс, чем Pn. Однако результаты без труда переносяться на более общий случай. k В рассматриваемых классах Pn при достаточно большом k эффекта Шеннона нет. Однако k результаты этой работы фактически устанавливают, что порядок роста почти всех функций один, с точностью до константы. Тем не менее вопрос о полу-эффекте остается открытым. Таким образом, авторам видится перенесение идей вариационного принципа Нигматуллина (Нигматуллин 1967) на анализа концентрации в классах Pn одной из основных открытых задач k в этой области. 7. Заключение В работе получены новые нижние оценки на сложность дизъюнктивных нормальных форм булевых функций, обращающихся в ноль на относительно небольшом множестве из k точек. Для случая числа точек k ограниченного полиномом от размерности пространства входных переменных, получен точный порядок роста сложности (числа конъюнкций, числа литералов) ДНФ булевых функций. Взаключительнойчастиработыпоставленрядоткрытыхвопросов,касающихся реализации булевых функций в классе ДНФ, в частности вопрос о существовании полу-эффекта Шеннона в подклассах булевых функций с малым числом нулей. 7 Список литературы Журавлёв, Ю.И. andА. Ю.Коган(1986).Алгоритм построения дизъюнктивной нормальной формы, эквивалентной произведению левых частей булевых уравнений нельсоновского типа. Журнал вычислительной математики и математической физики 26(8), 1243– 1249. Журавлёв, Ю. И. and А. Ю. Коган (1985). Реализация булевых функций с малым чис- лом нулей дизъюнктивными нормальными формами и смежные задачи. Доклады АН СССР 285(4), 795–799. Нигматуллин, Р. Г. (1967).Вариационный принцип в алгебре логики. Дискретный анализ 10, 69–89. Максимов, Ю. В. (2012). Сравнительный анализ сложности булевых функций с малым чис- лом нулей. Доклады Академии Наук 447(6), 607–609. Коршунов, А. Д. (1983). О сложности кратчайших дизъюнктивных нормальных форм слу- чайных булевых функций. Методы дискретного анализа в оптимизации управляющих систем 40, 25–53. Максимов, Ю. В. (2012). Простые дизъюнктивные нормальные формы булевых функций с ограниченным числом нулей. Доклады академии наук 445(2), 143–145. Максимов, Ю. В. (2013). Реализация булевых функций с ограниченным числом нулей в клас- се дизъюнктивных нормальных форм. Журнал вычислительной математики и мате- матической физики 53(9), 1569–1588. Глаголев, В. В. (1964). Оценка сложности сокращенной дизъюнктивной нормальной формы для почти всех функций алгебры логики. Доклады АН СССР 1584, 770–773. Дьяконов, А. Г. (2001). Реализация одного класса булевых функций с малым числом нулей тупиковыми дизъюнктивными нормальными формами. Журнал вычислительной мате- матики и математической физики 41(5), 828–835. Дьяконов, А. Г. (2002). Тестовый подход к реализации дизъюнктивными нормальными фор- мами булевых функций с малым числом нулей. Журнал вычислительной математики и математической физизики 42(6), 924–928. Коган, А. Ю. (1987). О нижних оценках сложности дизъюнктивных нормальных форм буле- вых функций с малым числом нулей. Журнал вычислительной математики и матема- тической физики 27(12), 1868–1877. Яблонский, С. В. (2010). Введение в дискретную математику: Учебное пособие для вузов, 6-ое изд. М: Высшая школа. Mubayi, D., G. Turan, and Y. Zhao (2006). The dnf exception problem. Theoretical Computer Science 352(1–3), 85–96. Pippenger, N.(2003).Theshortest disjunctive normalformofa randombooleanfunction. Random Structures and Algorithms 22(2), 161–186. 8