Алгоритмические трудности минимизации ДНФ

Минимизация ДНФ трудна не по одной причине. Даже после перехода к простым импликантам число тупиковых и минимальных ДНФ может быть двойно экспоненциально большим, а сама сокращённая ДНФ и таблица Квайна могут иметь очень большой размер.1

В курсе дополнительно отмечены две алгоритмические границы: построение сокращённой ДНФ из КНФ связано с NP-полной задачей выполнимости, а для решения вопросов о минимальных ДНФ локальным методом в общем случае приходится учитывать окрестности порядка, растущего с n.1, 2

Что важно запомнить
  • Число тупиковых и даже минимальных ДНФ может быть чрезвычайно большим.1
  • Длина сокращённой ДНФ в худшем случае растёт не менее чем \(c\cdot 3^n/n\) для некоторой константы \(c>0\).1
  • Построение сокращённой ДНФ из КНФ наследует алгоритмическую трудность задачи выполнимости.1
  • Локальность тоже ограничена: фиксированной малой окрестности недостаточно для общей задачи минимизации.1, 2

Комбинаторный взрыв числа кандидатов

Любую минимальную по монотонному функционалу ДНФ можно искать среди тупиковых форм. Однако это ещё не делает перебор практичным. Лемма 8.1 строит функции от \(n\ge 4\) переменных, имеющие \(5^{2^{n-4}}\) тупиковых и \(2^{2^{n-4}}\) минимальных ДНФ. Значит, сама выдача или перебор всех кандидатов может быть огромной.1

Размер сокращённой ДНФ и таблицы Квайна

Второй источник сложности — размер исходного пространства простых импликант. Для максимальной длины сокращённой ДНФ в курсе получена нижняя оценка

\(\lambda_{\text{сокр}}(n)\ge c\cdot 3^n/n\)

с некоторой положительной константой c. Таблица Квайна имеет по строке на каждую простую импликанту, поэтому её размер также может расти очень быстро.1

Связь с вычислительной сложностью

В лекциях приводится следующий аргумент. Проблема выполнимости КНФ относится к NP-полным. Если по КНФ построить сокращённую ДНФ реализуемой функции, то по наличию ненулевых членов можно решить вопрос о выполнимости. Поэтому уже этап перехода от КНФ к полной системе простых импликант является алгоритмически трудным.1

Ограничения локальных методов

Ю. И. Журавлёв предложил локальные алгоритмы, в которых решение о конъюнкции зависит от окрестности ограниченного порядка в сокращённой ДНФ. Для некоторых задач тупиковости достаточно малых окрестностей, но для принадлежности минимальным ДНФ ситуация хуже. В лекционном курсе показано, что в общем случае различение может требовать окрестности порядка \(n-3\), а в более общей формулировке для любого фиксированного r существуют функции, где локальный алгоритм индекса r не способен решить эту задачу.1, 2

Эти результаты описывают разные источники трудности. Их не следует сводить к одному утверждению «минимизация ДНФ NP-полна»: курс отдельно рассматривает размер представления, число решений, классическую вычислительную сложность и локальность алгоритмов.

Частые ошибки
  • Из NP-полноты выполнимости автоматически заключать доказанное равенство \(P\ne NP\). Курс такого вывода не делает.
  • Считать сокращённую ДНФ уже минимальной. Она лишь содержит все простые импликанты и может быть очень большой.
  • Описывать трудность только временем одного алгоритма. В курсе выделяются также размер представления, число решений и необходимая глубина локального анализа.

Другие вопросы

Источники

  1. 1 Ложкин С. А. Лекции по основам кибернетики Вариант 2017 г. (гр. 311–319), глава 1, §8, леммы 8.1–8.2 и обсуждение сложности, МГУ, факультет ВМК
  2. 2 Сапоженко А. А. Некоторые вопросы сложности алгоритмов М.: МГУ, факультет ВМК, 2001, §3 «Локальные алгоритмы»