Кіріспе

Алгоритмдік топология немесе есептеу топологиясы – компьютер ғылымының салаларымен, әсіресе есептеу геометриясы және есептеу күрделілігі теориясымен байланысты топологияның кіші саласы. Алгоритмдік топологияның басты мақсаты, атауынан көрініп тұрғанындай, есептеу геометриясы, графика, робототехника, әлеуметтік ғылымдар, құрылымдық биология және химия сияқты салаларда естемелі түрде туындайтын мәселелерді шешуге арналған тиімді алгоритмдерді жасау болып табылады, бұл үшін есептелетін топологияның әдістері қолданылады.

Алгоритмдік 3-көптүрлілік теориясы

3-көптүрліліктерге қатысты алгоритмдердің үлкен отбасы қалыпты бет теориясының айналасында топтасқан, бұл 3-көптүрлілік теориясындағы мәселелерді бүтін сандық сызықтық бағдарламалау мәселелеріне айналдыруға мүмкіндік беретін бірнеше техникаларды қамтитын ұғым. Рубинштейн мен Томпсонның 3-сфераны тану алгоритмі – бұл 3-көптүрліліктің триангуляциясын кіріс ретінде қабылдап, осы көптүрліліктің 3-сфераға гомеоморфты екенін анықтайтын алгоритм. Оның бастапқы 3-көптүрліліктің тетраэдрлік симплекстерінің санына пропорционалды экспоненциалды есептеу уақыты және экспоненциалды жад көлемі бар. Бұған қоса, ол Regina бағдарламалық пакетінде іске асырылған. Саул Шлеймер бұл мәселенің NP күрделілік класына жататынын көрсетті. Рафаэль Зентнер болса, егер жалпыланған Риман гипотезасы орындалса, мәселенің coNP күрделілік класына жататынын дәлелдеді. Ол инстантондық өлшегіш теориясын, 3-көптүрліліктердің геометриялық теоремасын және Грег Купербергтің түйіндіктерді анықтаудың күрделілігі жөніндегі жұмыстарын пайдаланды. 3-көптүрліліктің қосындысының ыдырауы да Regina-да іске асырылған, оның есептеу уақыты экспоненциалды және ол 3-сфераны тану алгоритміне ұқсас алгоритмге негізделген. Бёртон, Рубинштейн және Тиллман Сейферт-Вебер 3-көптүрлілігінде қысылмайтын бет жоқ екенін анықтауды алгоритмдік түрде іске асырды, бұл қалыпты бет теориясына негізделген. Мэннинг алгоритмі – бұл негізгі тобы сөздік мәселенің шешіміне ие 3-көптүрліліктердегі гиперболалық құрылымдарды табуға арналған алгоритм. Қазіргі уақытта JSJ ыдырауы компьютерлік бағдарламалық жасақтамада алгоритмдік түрде іске асырылмаған, сондай-ақ, қысым денесінің ыдырауы да іске асырылмаған. SnapPea сияқты өте танымал және табысты эвристикалар бар, ол үшбұрышты 3-көптүрліліктердегі жуық гиперболалық құрылымдарды есептеуде үлкен жетістіктерге жеткен. 3-көптүрліліктердің толық жіктелуі алгоритмдік түрде жүзеге асырылуы мүмкін екені белгілі, тіпті триангуляциялар (симплициалды кешендер) арқылы берілген екі жабық, бағытталған 3-көптүрліліктің эквивалентті (гомеоморфты) екенін анықтау элементар рекурсивті болып табылады. Бұл 3-сфераны тану туралы нәтижені жалпылайды.

Ауыстыру алгоритмдері

SnapPea жазықтық түйін немесе сілтеме диаграммасын шұңқырлы үшбұрышқа айналдыратын алгоритмді іске асырады. Бұл алгоритм диаграммадағы қиылыстар санына пропорционалды шамамен сызықтық уақытты қажет етеді және жадты аз қолданады. Алгоритм жазықтық диаграммалар арқылы берілген байланыс толықтығының негізгі тобының тұсаукесерін құруға арналған Виртингер алгоритміне ұқсас. Сондай-ақ, SnapPea 3-өлшемді кеңістіктің хирургиялық тұсаукесерін ұсынылған 3-өлшемді кеңістіктің үшбұрышталған түріне айналдыра алады. Д. Тёрстон және Ф. Константино үшбұрышталған 3-өлшемді кеңістіктен үшбұрышталған 4-өлшемді кеңістік құру процедурасын ұсынады. Сол сияқты, бұл процедура үшбұрышталған 3-өлшемді кеңістіктің хирургиялық тұсаукесерін құру үшін де қолданылуы мүмкін, бірақ процедура нақты алгоритм ретінде жазылмаса да, принципте берілген 3-өлшемді кеңістіктің үшбұрышталған тетраэдрлер санына пропорционалды полиномиалдық уақытты қажет етуі керек. С. Шлеймердің алгоритмі беттің карталық кластық тобының Дең бұрауыш генераторларындағы сөзді кіріс ретінде алып, үшбұрышталған 3-өлшемді кеңістік құрады. Бұл 3-өлшемді кеңістік, 3-өлшемді кеңістіктің Хигаард бөлінуіне сөзді жалғау картасы ретінде пайдаланады. Алгоритм қабатталған үшбұрышталған түсінікке негізделген.

Алгоритмдік түйін теориясы

Тораптың тривиалды немесе еместігін анықтау NP және co NP күрделілік сыныптарына жатады. Тораптың тегін анықтау мәселесінің PSPACE күрделілік класы бар екені белгілі. Джонс полиномиалы, HOMFLY полиномиалы және Reshetikhin–Turaev инварианттары тұрақты параметрлік іздеуге болатын, ал Джонс полиномиалы #P қиын деп те белгілі. HOMFLYPT және Кауффман полиномының бірінші коэффициентін есептеу P класында. Джонс полиномиалының аддитивті жуықтауы BQP толық, яғни полиномиалдық уақытты кванттық алгоритмдермен шамалас қиын. Екі (жақсырақ) торапты байланыс диаграммалары арқылы олардың эквивалентті екенін анықтау ER болып табылады. Бұл түйін эквиваленттілігін (изотопиясын) олармен байланысты түйіннің толықтыруларының эквиваленттілігіне (гомеоморфияға) келтіру арқылы дәлелденеді, олар 3-көптеуіштер болып табылады және оларды үшбұрыштар арқылы кодтауға болады. Осы түйін толықтырулары Хакен көптеуіштері болғандықтан, осы көптеуіштердің эквиваленттілік мәселесі ER класында екенінің нәтижесі қолданылады. Бұл үшін жақсы сілтеме жоқ сияқты, бұл нәтижелер салалық әдебиеттерде шашырап жатыр, бірақ қауымдастықта жақсы белгілі.

Есептеу гомотопиясы

Сфералардың гомотопиялық топтарын есептеу әдістері. Көпмүшелік теңдеулер жүйесін шешудің есептеу әдістері. Браун кеңістіктердің гомотопиялық топтарын есептеу үшін алгоритм ұсынған, бұл кеңістіктер шекті Постников кешендері болып табылады, бірақ ол кеңінен қолданылмайды.

Есептеулік гомология

Ұяшық кешендерінің гомологиялық топтарын есептеу шекаралық матрицаларды Смит нормальды түріне келтіруге дейін тоғысып келеді. Бұл мәселе алгоритмдік тұрғыдан толық шешілгенімен, үлкен кешендер үшін тиімді есептеуде түрлі техникалық қиындықтар бар. Екі маңызды қиындық бар. Біріншіден, негізгі Смит түрі алгоритмінің күрделігі қатыстырылған матрицаның өлшеміне қарай кубтық болып келеді, себебі ол қатар және баған операцияларын қолданады, бұл оны үлкен ұяшық кешендері үшін қолайсыз етеді. Екіншіден, Смит түрі алгоритмін қолдану нәтижесінде алынған аралық матрицалар, тіпті егер бастапқы және соңғы матрицалар сирегі болса да, толып кетеді. LinBox кітапханасында табылатын тиімді және ықтималды Смит нормальды түрі алгоритмдері. Персей бағдарламалық пакетіндегідей, гомология есептеулерін алдын ала өңдеу үшін қарапайым гомотоптық азайтулар. TDAstats R пакетіндегідей, сүзгіленген кешендердің тұрақты гомологиясын есептеу алгоритмдері.