Кіріспе
Логика және теориялық компьютерлік ғылымда, әсіресе дәлелдеу теориясы мен есептеу күрделілігі теориясында, дәлелдеу күрделілігі – мәлімдемелерді дәлелдеу немесе жоққа шығару үшін қажетті есептеу ресурстарын түсіну және талдау мақсатын қойған сала. Дәлелдеу күрделілігі бойынша зерттеулер көбінесе әртүрлі логикалық дәлелдеу жүйелерінде дәлелдің ұзындығының ең төменгі және ең жоғарғы шектерін дәлелдеуге бағытталған. Мысалы, дәлелдеу күрделілігінің маңызды міндеттерінің бірі – Фреге жүйесінің, дәстүрлі логикалық есептеудің, барлық таутологиялар үшін полиномдық өлшемдегі дәлелдерге ие болмайтынын көрсету. Мұнда дәлелдің өлшемі – оның құрамындағы символдардың саны, ал дәлел полиномдық өлшемді деп есептеледі, егер ол дәлелдейтін таутологияның өлшеміне пропорционал болса. Дәлелдеу күрделілігін жүйелі зерттеу Стивен Кук пен Роберт Рекхоудың (1979) жұмысымен басталды, олар есептеу күрделілігі тұрғысынан логикалық дәлелдеу жүйесінің негізгі анықтамасын берді. Атап айтқанда, Кук пен Рекхоу дәлелдің өлшемінің ең төменгі шектерін анықтауды NP-ны coNP-дан (сонымен қатар P-ді NP-дан) бөлуге жасалған қадам ретінде қарастыруға болатынын көрсетті, себебі барлық таутологиялар үшін полиномдық өлшемдегі дәлелдерді қабылдайтын логикалық дәлелдеу жүйесінің болуы NP = coNP дегенге тең. Қазіргі дәлелдеу күрделілігі зерттеулері есептеу күрделілігі, алгоритмдер және математиканың көптеген салаларынан идеялар мен әдістерді пайдаланады. Көптеген маңызды алгоритмдер мен алгоритмикалық техникаларды белгілі бір дәлелдеу жүйелері үшін дәлел іздеу алгоритмдері ретінде бейнелеуге болатындықтан, осы жүйелердегі дәлелдің өлшемінің ең төменгі шектерін дәлелдеу тиісті алгоритмдердің жұмыс істеу уақытының ең төменгі шектерін білдіреді. Бұл дәлелдеу күрделілігін SAT мәселесін шешу сияқты қолданбалы салалармен байланыстырады. Математикалық логика да логикалық дәлелдердің өлшемін зерттеу үшін негіз ретінде қызмет ете алады. Бірінші реттік теориялар және әсіресе, шектеулі арифметика деп аталатын Пеано арифметикасының әлсіз фрагменттері, логикалық дәлелдеу жүйелерінің біртұтас нұсқалары ретінде қызмет етеді және қысқа логикалық дәлелдерді әртүрлі деңгейдегі мүмкін есептеулер тұрғысынан түсіндіруге қосымша аяқталған негіз береді.
Дәлелдік жүйелері
Ұйғарымдық дәлелдеу жүйесі екі кіріс алатын P(A,x) алгоритмі ретінде беріледі. Егер P жұпты (A,x) қабылдаса, онда x – A-ның P-дәлелі деп айтамыз. P полиномиялық уақытта жұмыс істеуі керек, сонымен қатар, A-ның P-дәлелі болса және тек қана A таутология болған жағдайда ғана осы шарт орындалуы тиіс. Ұйғарымдық дәлелдеу жүйелерінің мысалдарына тізбектелген есептеу, ажырату, кесу жазықтықтары және Фреге жүйелері жатады. ZFC сияқты күшті математикалық теориялар да ұйғарымдық дәлелдеу жүйелерін тудырады: ZFC-нің ұйғарымдық интерпретациясындағы таутологияның дәлелі – "таутология" формалды мәлімдемесіне ZFC-нің дәлелі болып табылады.
Шектелген арифметика
Пропозициялық дәлелдеу жүйелері жоғары ретті теориялардың біркелкі емес эквиваленттері ретінде қарастырылуы мүмкін. Эквиваленттілік көбінесе шектелген арифметика теориясы контекстінде зерттеледі. Мысалы, кеңейтілген Фреге жүйесі Кук теориясына сәйкес келеді, ол полиномиалдық уақыттағы есептеулерді формалдайды, ал Фреге жүйесі есептеуді формалдайтын теорияға сәйкес келеді. Бұл сәйкестік алғаш рет Стивен Кук (1975) тарапынан енгізілді, ол coNP теоремалары, формалды түрде – формулалар, теориядан кеңейтілген Фрегеде полиномиалдық өлшемдегі дәлелдер тізбегіне аударылатынын көрсетті. Сонымен қатар, кеңейтілген Фреге – мұндай жүйенің ең әлсізі: егер басқа дәлелдеу жүйесі P осы қасиетке ие болса, онда P кеңейтілген Фрегені симуляциялайды. Джефф Пэрис пен Алекс Уилки (1985) ұсынған екінші реттік мәлімдемелер мен пропозициялық формулалар арасындағы баламалы аударма, кеңейтілген Фреге немесе тұрақты тереңдіктегі Фреге сияқты қосалқы жүйелерді ұстау үшін тиімдірек болды. Жоғарыда аталған сәйкестік теориядағы дәлелдемелер тиісті дәлелдеу жүйесіндегі қысқа дәлелдемелер тізбегіне аударылады десе де, кері байланыстың да бір түрі бар. Дәлелдеу жүйесі P-де дәлелдемелердің өлшемінің төменгі шектерін P жүйесіне сәйкес келетін T теориясының қолайлы модельдерін құрастыру арқылы анықтауға болады. Бұл модельдік-теориялық құрылымдар арқылы күрделіліктің төменгі шектерін дәлелдеуге мүмкіндік береді, бұл тәсіл Ажтай әдісі деп белгілі.
SAT шешімін табушылар
Пропозициялық дәлелдеу жүйелерін таутологияларды тануға арналған нондетерминистік алгоритмдер ретінде қарастыруға болады. Дәлелдеу жүйесі P үшін суперполиномдық төменгі шек дәлелдеу, осылайша P-ге негізделген SAT үшін полиномиалдық уақыт алгоритмінің болуын жоққа шығарады. Мысалы, қанағаттандырылмаған мысалдар бойынша DPLL алгоритмінің жұмысы, ағаш тәрізді Резолюция дәлелдемелеріне сәйкес келеді. Сондықтан, ағаш тәрізді Резолюция үшін экспоненциалдық төменгі шектер (төменде қараңыз), SAT үшін тиімді DPLL алгоритмдерінің болуын жоққа шығарады. Сол сияқты, экспоненциалдық Резолюция төменгі шектері, Резолюцияға негізделген SAT шешімдегіштер, мысалы CDCL алгоритмдері, SAT-ті тиімді (нашар жағдайда) шеше алмайды дегенді білдіреді.
Төменгі шектер
Ұйғарымдық дәлелдеулердің ұзындығының ең төменгі шектерін дәлелдеу, әдетте өте қиын. Дегенмен, әлсіз дәлелдеу жүйелері үшін ең төменгі шектерді дәлелдеудің бірнеше әдістері табылды. Хакен (1985) Резолюция және көгершін ұясы принципі үшін экспоненциалды ең төменгі шек дәлелдеді. Аджтай (1988) тұрақты тереңдіктегі Фреге жүйесі және көгершін ұясы принципі үшін суперполиномдық ең төменгі шек дәлелдеді. Бұл Krajíček, Pudlák және Woods, сондай-ақ Pitassi, Beame және Impagliazzo еңбектері арқылы экспоненциалды ең төменгі шекке дейін күшейтілді. Аджтайдың ең төменгі шегі кездейсоқ шектеулер әдісін қолданады, ол схемалық күрделіліктегі AC0 ең төменгі шектерін алу үшін де қолданылды. Krajíček (1994) мүмкін интерполяция әдісін қалыптастырды және кейіннен оны Резолюция және басқа дәлелдеу жүйелері үшін жаңа ең төменгі шектерді алу үшін пайдаланды. Pudlák (1997) жүзеге асырылатын интерполяция арқылы жазықтықты кесу үшін экспоненциалды ең төменгі шектерді дәлелдеді. Бен Сассон мен Вигдерсон (1999) Резолюция дәлелдемелерінің мөлшеріне қатысты ең төменгі шектерді Резолюция дәлелдемелерінің еніне қатысты ең төменгі шектерге дейін азайтатын дәлелдеу әдісін ұсынды, бұл Хакеннің ең төменгі шегінің көптеген жалпыламаларын қамтыды. Фреге жүйесі үшін маңызды ең төменгі шек табу – ұзақ жылдар бойы шешілмеген мәселе болып қала береді.
Мүмкін интерполяция
Тавтологияны қарастырайық. Бұл тавтология, -нің кез келген таңдауы үшін дұрыс, ал -ны бекіткеннен кейін, -ның және -ның бағалаулары тәуелсіз, себебі олар өзгермелілердің бөлек жиындарында анықталған. Бұл, екі жағдайдың да орындалуын қамтамасыз ететін, интерполянттық схеманы анықтауға мүмкіндік береді: және . Интерполянттық схеманың мәні кездейсоқ болуы мүмкін, бірақ ол тек -ның жалған немесе -ның дұрыс екенін анықтайды, тек -ны қарастыра отырып. Бастапқы тавтологияның дәлелін интерполянттық схеманы қалай құруға болатынына қатысты нұсқау ретінде пайдалануға болады. Дәлелдеу жүйесі P, егер интерполянт P-дегі тавтологияның кез келген дәлелінен тиімді есептелсе, мақұл интерполяцияға ие деп айтылады. Тиімділік дәлелдеудің ұзындығымен өлшенеді: ұзақ дәлелдеулер үшін интерполянттарды есептеу оңайырақ, сондықтан бұл қасиет дәлелдеу жүйесінің күшіне кері пропорционал. Келесі үш тұжырым бір уақытта дұрыс бола алмайды: (а) -ның кейбір дәлелдеу жүйесінде қысқа дәлелі бар; (б) мұндай дәлелдеу жүйесі мақұл интерполяцияға ие; (в) интерполянттық схема есептеу бойынша қиын мәселені шешеді. (а) және (б) тұжырымдарының кішкентай интерполянттық схеманың бар екенін білдіретіні анық, бұл (в) тұжырымына қайшы келеді. Бұл қатынас, дәлелдеу ұзындығының жоғарғы шектерін есептеудегі төменгі шектерге айналдыруға және тиімді интерполяциялық алгоритмдерді дәлелдеу ұзындығының төменгі шектеріне айналдыруға мүмкіндік береді. Резолюция және кесу жазықтықтары сияқты кейбір дәлелдеу жүйелері мақұл интерполяцияға немесе оның нұсқаларына ие. Мақұл интерполяцияны автоматтандырудың әлсіз түрі ретінде қарастыруға болады. Шындығында, Extended Frege сияқты көптеген дәлелдеу жүйелері үшін мақұл интерполяция әлсіз автоматтандыруға тең. Нақтырақ айтқанда, көптеген дәлелдеу жүйелері P өздерінің дұрыстығын дәлелдей алады, бұл «егер - P формуласының дәлелі болса, онда ол дұрыс» деп мәлімдейтін тавтология. Мұнда - кодталған еркін айнымалылар. Сонымен қатар, -ның ұзындығы берілген жағдайда, P-нің дәлелдемелерін полиномиалдық уақытта жасауға болады. Сондықтан, P-нің дұрыстығы туралы қысқа P дәлелдемелерінен алынған тиімді интерполянт, берілген формуланың қысқа P дәлелдемесіне ие екенін анықтай алады. Мұндай интерполянтты R дәлелдеу жүйесін анықтау үшін пайдалануға болады, бұл P әлсіз автоматтандырылатындығын көрсетеді. Екінші жағынан, дәлелдеу жүйесі P-нің әлсіз автоматтандырылуы P-нің мақұл интерполяцияға ие екенін білдіреді. Алайда, егер дәлелдеу жүйесі P өзінің дұрыстығын тиімді дәлелдемесе, онда ол мақұл интерполяцияға ие болса да, әлсіз автоматтандырылмайтын болуы мүмкін. Автоматтандырылмаған көптеген нәтижелер тиісті жүйелерде мақұл интерполяцияға қарсы дәлелдер келтіреді. Krajíček және Pudlák (1998) Extended Frege мақұл интерполяцияға ие емес екенін, егер RSA P/poly-ге қарсы қауіпсіз болмаса ғана дәлелдеді. Боне, Питасси және Раз (2000) Frege жүйесінің мақұл интерполяцияға ие емес екенін, егер Diffie-Helman схемасы P/poly-ге қарсы қауіпсіз болмаса ғана дәлелдеді. Боне, Доминго, Гавальда, Масиел, Питасси (2004) тұрақты тереңдіктегі Frege жүйелерінің мақұл интерполяцияға ие емес екенін, егер Diffie-Helman схемасы субэкспоненциалдық уақытта жұмыс істейтін біркелкі емес қарсыластарға қарсы қауіпсіз болмаса ғана дәлелдеді.
Классикалық емес логика
Дәлелдің мөлшерін салыстыру идеясы, дәлел жасайтын кез келген автоматтандырылған қорыту процедурасы үшін қолданылуы мүмкін. Ұсыныс логикасының классикалық емес түрлерінде, әсіресе интуиционистік, модальдық және монотондық емес логикаларда дәлелдердің мөлшеріне қатысты зерттеулер жүргізілді. Хрубеш (2007–2009) модальдық логиканың кейбір түрлерінде және интуиционистік логикада, монотондық мүмкін интерполяцияның бір түрін қолдана отырып, кеңейтілген Фреге жүйесіндегі дәлелдердің экспоненциалдық төменгі шектерін дәлелдеді.