Кіріспе
Математикалық логиканың саласы. Дескриптивті күрделілік – есептеу күрделілігі теориясының және шекті модельдер теориясының саласы, ол күрделілік сыныптарын олардағы тілдерді өрнектеу үшін қажетті логика түрімен сипаттайды. Мысалы, полиномдық иерархиядағы барлық күрделілік сыныптарының біріктірілісі болып табылатын ПХ, дәл екінші реттік логиканың тұжырымдамаларымен өрнектелетін тілдер класы. Күрделілік пен шекті құрылымдардың логикасы арасындағы бұл байланыс нәтижелерді бір саладан екіншісіне оңай көшіруге мүмкіндік береді, жаңа дәлелдеу әдістерін жеңілдетеді және негізгі күрделілік сыныптарының қандай да бір "табиғи" екендігіне қосымша дәлелдер келтіреді, сондай-ақ оларды анықтау үшін қолданылатын нақты абстрактілі машиналарға байланысты емес екенін көрсетеді. Нақтырақ айтқанда, әрбір логикалық жүйе оның ішінде өрнектеуге болатын сұрақтар жиынтығын тудырады. Бұл сұрақтар шекті құрылымдармен шектелгенде дәстүрлі күрделілік теориясының есептеу проблемаларына сәйкес келеді. Дескриптивті күрделіліктің алғашқы маңызды нәтижесі – 1974 жылы Рональд Фагин көрсеткен Фагин теоремасы. Ол NP-нің экзистенциалды екінші реттік логиканың тұжырымдамаларымен өрнектелетін тілдер жиынтығы екенін анықтады; яғни, қатынастар, функциялар және ішкі жиындар бойынша жалпылама квантификацияны қоспағандағы екінші реттік логика. Кейіннен көптеген басқа сыныптар да осылай сипатталды.
Descriptive complexity is a branch of computational complexity theory and of finite model theory that characterizes complexity classes by the type of logic needed to express the languages in them. For example, PH, the union of all complexity classes in the polynomial hierarchy, is precisely the class of languages expressible by statements of second order logic. This connection between complexity and the logic of finite structures allows results to be transferred easily from one area to the other, facilitating new proof methods and providing additional evidence that the main complexity classes are somehow "natural" and not tied to the specific abstract machines used to define them. Specifically, each logical system produces a set of queries expressible in it. The queries – when restricted to finite structures – correspond to the computational problems of traditional complexity theory. The first main result of descriptive complexity was Fagin's theorem, shown by Ronald Fagin in 1974. It established that NP is precisely the set of languages expressible by sentences of existential second order logic; that is, second order logic excluding universal quantification over relations, functions, and subsets. Many other classes were later characterized in such a manner.
Орнатылған жері
Логикалық формализмді есептеу мәселесін сипаттау үшін қолданғанда, кіріс – шекті құрылым, ал осы құрылымның элементтері – сөздік домен. Әдетте кіріс – бұл тізбек (биттер немесе әліпби арқылы) және логикалық құрылым элементтері тізбектің орналасуын көрсетеді, немесе кіріс – граф және логикалық құрылым элементтері оның төбелерін көрсетеді. Кірістің ұзындығы тиісті құрылымның мөлшерімен өлшенеді. Құрылым қандай болса да, тексеруге болатын қатынастар бар деп есептеуге болады, мысалы, "егер және тек қана x-тен y-ға қабырға болса" (егер құрылым граф болса) немесе "егер және тек қана тізбектің n-ші әрпі 1 болса". Бұл қатынастар – бірінші реттік логика жүйесі үшін предикаттар. Бізде сонымен қатар тұрақтылар бар, олар тиісті құрылымның ерекше элементтері, мысалы, егер біз графтың қолжетімділігін тексергіміз келсе, екі тұрақтыны таңдауымыз керек: s (бастапқы) және t (соңғы). Сипаттамалық күрделілік теориясында біз элементтердің толық реті бар деп есептейміз және элементтер арасындағы теңдікті тексеруге болады. Бұл бізге элементтерді сандар ретінде қарастыруға мүмкіндік береді: x элементі n санын көрсетеді, егер және тек қана y элементтері болса. Осының арқасында бізде "бит" примитивтік предикаты болуы мүмкін, онда егер x санының екілік кеңейтуінің k-шы биті 1 болса, онда ол дұрыс. (Біз қосу мен көбейтуді үштік қатынастармен алмастыра аламыз, яғни егер және тек қана және егер және тек қана болса).
Операторсыз ОО
Сұлба күрделілігінде кез келген предикаттармен бірінші реттік логика AC0-ға тең екені көрсетіледі, бұл AC иерархиясының бірінші классы. Шындығында, FO символдарын тізбектердің түйіндеріне табиғи түрлендіру бар, олардың өлшемдері n және n болады. Арифметикалық предикаттармен қолтаңбадағы бірінші реттік логика, AC0 тізбектер отбасының ауыспалы логарифмдік уақытта құрастырылатын тізбектерге шектеуін сипаттайды.
Транзитивті жабу логикасы
Бірінші реттік логика екілік қатынастың транзитивті жабылуын есептейтін оператормен толықтырылғанда, өрнектей алу мүмкіндігі күрт артады. Нәтижесінде пайда болатын транзитивті жабылу логикасы реттелген құрылымдардағы детерминистік емес логарифмдік кеңістікті (NL) сипаттайтыны мәлім. Бұл Immerman-ға NL толықтыру бойынша жабық екенін көрсетуге мүмкіндік берді (яғни NL = co NL). Егер транзитивті жабылу операторын детерминистік транзитивті жабылумен шектесек, алынған логика реттелген құрылымдардағы логарифмдік кеңістікті нақты сипаттайды.
Екінші реттік Кром формулалары
Ұрпақ функциясы бар құрылымдарда NL екінші реттік Krom формулаларымен де сипатталуы мүмкін. SO Krom – бұл конъюнктивті қалыпты түріндегі екінші реттік формулалармен анықталатын, бірінші реттік квантификаторлары әмбебап және формуланың квантификаторсыз бөлігі Krom түрінде болатын бульдік сұранымдар жиынтығы. Бұл дегеніміз, бірінші реттік формула – дизъюнкциялардың конъюнкциясы, ал әрбір "дизъюнкцияда" ең көп дегенде екі айнымалы болады. Кез келген екінші реттік Krom формуласы экзистенциалды екінші реттік Krom формуласына эквивалентті. SO Krom ұрпақ функциясы бар құрылымдардағы NL-ді сипаттайды.
Бірінші реттік ең аз тұрақты нүкте логикасы
FO[LFP] – бірінші реттік логиканың ең кішкентай тұрақты нүкте операторымен кеңейтілуі, бұл монотонды өрнектің тұрақты нүктесін көрсетеді. Бұл бірінші реттік логикаға рекурсияны өрнектеу мүмкіндігін қосады. Иммерман мен Варди тәуелсіз түрде дәлелдеген Иммерман-Варди теоремасы, FO[LFP] реттелген құрылымдардағы PTIME-ды сипаттайтынын көрсетеді. 2022 жылдың өзінде, ретсіз құрылымдардағы PTIME-ды сипаттайтын табиғи логика бар ма, жоқ па деген мәселе әлі де шешілмеген. Абитебул-Виану теоремасы бойынша, FO[LFP]=FO[PFP] барлық құрылымдарда тек қана FO[LFP]=FO[PFP] болған жағдайда ғана орындалады; демек, тек қана P=PSPACE болғанда. Бұл нәтиже басқа да тұрақты нүктелерге де қатысты қолданылады.
Екінші реттік Хорн формулалары
Мұрагерлік функция болған жағдайда PTIME екінші реттік Хорн формулаларымен де сипатталуы мүмкін. SO Horn – бірінші реттік кванторлардың барлығы әмбебап болып табылатын және формуланың кванторсыз бөлігі Хорн түрінде болатын, яғни үлкен AND-тың OR-лар жиынтығы, және әрбір "OR" ішіндегі барлық айнымалылардың тек біреуі ғана жоққа шығарылмаған, бульдік сұраулардың жиыны. Бұл класс мұрагерлік функциясы бар құрылымдардағы P класына тең. Осы формулаларды экзистенциалды екінші реттік Хорн логикасындағы пренекс формулаларға түрлендіруге болады. Экзистенциалды формуланың толықтығы – әмбебап формула болғандықтан, co NP әмбебап екінші реттік логикамен сипатталады. Күрделілік класстарының көптеген басқа сипаттамаларынан өзгеше, Фагин теоремасы және оның жалпыламасы құрылымдардың толық ретін алдын ала болжай бермейді. Өйткені экзистенциалды екінші реттік логиканың өзі екінші реттік айнымалыларды қолдана отырып, құрылымдағы мүмкін болатын толық реттерге сілтеме жасауға жеткілікті мүмкіндік береді.
Қиссалық тұрақты нүкте - PSPACE
Көпмөлшерлік кеңістікте есептелетін барлық мәселелер класы, PSPACE, бірінші реттік логикаға күштірек экспрессивті жартылай тұрақты нүкте операторын қосу арқылы сипатталуы мүмкін. Жартылай тұрақты нүкте логикасы, FO[PFP], – формуланың тұрақты нүктесі болған жағдайда оны, болмаған жағдайда 'false' мәнін қайтаратын жартылай тұрақты нүкте операторымен бірінші реттік логиканың кеңейтілген түрі. Жартылай тұрақты нүкте логикасы реттелген құрылымдарда PSPACE-ді сипаттайды.
Транзитивті жабылу PSPACE
Екінші реттік логика бірінші реттік логикадағыдай транзитивті жабу операторымен кеңейтілуі мүмкін, нәтижесінде SO[TC] пайда болады. TC операторы енді екінші реттік айнымалыларды да аргумент ретінде қабылдай алады. SO[TC] PSPACE-ті сипаттайды. Екінші реттік логикада реттілікке сілтеме жасау мүмкін болғандықтан, бұл сипаттама реттелген құрылымдарды алдын ала болжай бермейді.
Элементарлық функциялар
Элементарлық функциялардың уақыт күрделілігі класы ELEMENTARY, жоғары дәрежелі логика формулаларымен танылатын құрылымдардың күрделілік класы HO арқылы сипатталуы мүмкін. Жоғары дәрежелі логика – жоғары дәрежелі кванторларды қолданатын бірінші дәрежелі және екінші дәрежелі логиканың кеңейтілген түрі. Th-дәрежелі және детерминистік емес алгоритмдер арасында, экспоненциалдардың деңгейлерімен шектелген уақытқа ие алгоритмдер арасында байланыс бар.
Анықтама
Біз жоғары ретті айнымалыларды анықтаймыз. Реті *n* болған айнымалының арыты *n* болады және ол реттері *n* болатын элементтердің кез келген *n*-тік жиынтығын көрсетеді. Олар әдетте үлкен әріптермен жазылады және ретін көрсету үшін экспонента ретінде натурал санмен белгіленеді. Жоғары ретті логика – бұл бірінші ретті формулалар жиынтығы, онда біз жоғары ретті айнымалылар бойынша квантификацияны қосамыз; сондықтан біз оларды қайтадан анықтамай, FO мақаласында анықталған терминдерді пайдаланамыз. HO – бұл айнымалыларының реті ең көп *n* болатын формулалар жиынтығы. HO – бұл , түріндегі формулалардың ішкі жиынтығы, мұнда кванторды білдіреді және - бұл айнымалысының *n* ретті *n*-тігі екенін және олардың квантификациясы бірдей екенін көрсетеді. Демек, HO – бұл *n* ретті кванторлардың, бастапқысы болып, содан кейін *n* ретті формуладан тұратын кезектесіп алмасатын квантификациялардан тұратын формулалар жиынтығы. Стандартты белгілеу бойынша, тетрацияны қолданып, және , мұнда рет тізбегінде қайталанады.
Using the standard notation of the tetration, and with times
Қалыпты нысан
Кез келген th-реттік формула алдыңғы қалыптағы формулаға эквивалентті, онда біз алдымен th-реттік айнымалы бойынша квантификацияны, содан кейін қалыпты формадағы формуланы жазамыз.
Күрделілік сыныптарымен байланыс
HO элементар функциялардың ELEMENTARY класына тең. Нақтырақ айтсақ, , яғни 2-нің мұнарасы, соңында , мұнда - тұрақты сан. Мұның ерекше жағдайы – , бұл Фагин теоремасының нақты түрі. Полиномиялық иерархияда оракул машиналарын қолдану арқылы,