Кіріспе
Пресбургер арифметикасы — 1929 жылы оны енгізген Мойзеш Пресбургердің құрметіне аталған, қосылумен табиғи сандардың бірінші реттік теориясы. Пресбургер арифметикасының сигнатурасында тек қосылу және теңдік операциялары бар, көбейту операциясы мүлдем жоқ. Теория есептеу арқылы аксиомаланады; аксиомалар индукция схемасын қамтиды. Пресбургер арифметикасы Пеано арифметикасынан әлдеқайда әлсіз, ол қосылу және көбейту операцияларын қамтиды. Пеано арифметикасынан айырмашылығы, Пресбургер арифметикасы — шешімді теория. Бұл, Пресбургер арифметикасы тіліндегі кез келген тұжырым үшін, сол тұжырымның Пресбургер арифметикасының аксиомаларынан дәлелдене алатынын немесе дәлелдене алмайтынын алгоритмдік түрде анықтауға болады дегенді білдіреді. Алайда, осы алгоритмнің асимптотикалық орындалу уақытының есептеу күрделілігі кем дегенде екі рет экспоненциалды болып табылады, көрсетілгендей .
Presburger arithmetic is the first order theory of the natural numbers with addition, named in honor of Mojżesz Presburger, who introduced it in 1929. The signature of Presburger arithmetic contains only the addition operation and equality, omitting the multiplication operation entirely. The theory is computably axiomatizable; the axioms include a schema of induction. Presburger arithmetic is much weaker than Peano arithmetic, which includes both addition and multiplication operations. Unlike Peano arithmetic, Presburger arithmetic is a decidable theory. This means it is possible to algorithmically determine, for any sentence in the language of Presburger arithmetic, whether that sentence is provable from the axioms of Presburger arithmetic. The asymptotic running time computational complexity of this algorithm is at least doubly exponential, however, as shown by .
Есептеу күрделілігі
Пресбургер арифметикасының шешім проблемасы есептеу күрделілігі теориясы мен есептеудің қызықты мысалы болып табылады. n – Пресбургер арифметикасындағы бір утверждениенің ұзындығы болсын. Содан кейін, ең нашар жағдайда, бірінші реттік логикадағы утверждениенің дәлелінің ұзындығы кем дегенде , кейбір тұрақты c>0 үшін екенін дәлелдеді. Сондықтан, Пресбургер арифметикасы үшін жасалған шешім алгоритмінің жұмыс істеу уақыты кем дегенде экспоненциалды болады. Фишер мен Рабин кез келген ақылға қонымды аксиоматизация үшін (олардың мақалаларында нақты анықталған), ұзындығы n болатын, бірақ екі рет экспоненциалды ұзындығы бар дәлелдері бар теоремалар бар екенін дәлелдеді. Бұл интуитивті түрде компьютерлік бағдарламалармен дәлелдеуге болатын нәрселердің есептеу шектері бар екенін көрсетеді. Фишер мен Рабиннің жұмысы сондай-ақ Пресбургер арифметикасын кез келген алгоритмді дұрыс есептейтін формулаларды анықтау үшін пайдалануға болатынын көрсетеді, егер кіріс салыстырмалы түрде үлкен шекаралардан кем болса. Шекараларды ұлғайтуға болады, бірақ жаңа формулаларды қолдану арқылы ғана. Басқа жағынан, Пресбургер арифметикасы үшін шешім қабылдау процедурасының үш рет экспоненциалды жоғарғы шегі дәлелденді. Күрделілік шегі ауыспалы күрделілік сыныптарын қолдану арқылы көрсетілді. Пресбургер арифметикасындағы (PA) шын мәлімдемелер жиыны TimeAlternations үшін толық болып табылады. Осылайша, оның күрделілігі екі рет экспоненциалдық емес детерминистік уақыт (2NEXP) және екі рет экспоненциалдық кеңістік (2EXPSPACE) арасында жатыр. Толықтығы полиномиалдық уақыт бойынша көптен бірге азайту арқылы анықталады. (Сонымен қатар, Пресбургер арифметикасы әдетте PA деп қысқартылса, жалпы математикада PA әдетте Пеано арифметикасын білдіреді.) Нақтырақ нәтиже алу үшін, PA(i) – шын Σi PA мәлімдемелер жиыны, ал PA(i, j) – әрбір квантор блогы j айнымалымен шектелген шын Σi PA мәлімдемелер жиыны болсын. '<' кванторсыз қарастырылады; мұнда шектелген кванторлар кванторлар ретінде есептеледі. PA(1, j) P класында, ал PA(1) NP-толық. i > 0 және j > 2 үшін PA(i + 1, j) ΣiP-толық. Соңғы квантор блогындағы қажеттілік j > 2 (j = 1 емес) болады. i > 0 үшін PA(i + 1) ΣiEXP-толық. Ұзындығы шектеулі Пресбургер арифметикасы толық (осылайша NP-толық). Мұнда "шектеулі" сөйлемнің шектелген (яғни ) өлшемді болуын қажет етеді, бірақ бүтін сан тұрақтылары шектелмейді (бірақ олардың екілік биттерінің саны кіріс өлшеміне қосылады). Сонымен қатар, екі айнымалы PA (шектеулі болмаса) NP-толық. Ұзындығы шектеулі (осылайша) PA P класында, және бұл тұрақты өлшемді параметрлік бүтін санды сызықтық бағдарламалауға дейін кеңейтіледі.
A more tight complexity bound was shown using alternating complexity classes by The set of true statements in Presburger arithmetic (PA) is shown complete for TimeAlternations(22nO(1), n). Thus, its complexity is between double exponential nondeterministic time (2 NEXP) and double exponential space (2 EXPSPACE). Completeness is under polynomial time many to one reductions. (Also, note that while Presburger arithmetic is commonly abbreviated PA, in mathematics in general PA usually means Peano arithmetic.) For a more fine grained result, let PA(i) be the set of true Σi PA statements, and PA(i, j) the set of true Σi PA statements with each quantifier block limited to j variables. '<' is considered to be quantifier free; here, bounded quantifiers are counted as quantifiers. PA(1, j) is in P, while PA(1) is NP complete. For i > 0 and j > 2, PA(i + 1, j) is ΣiP complete. The hardness result only needs j>2 (as opposed to j=1) in the last quantifier block. For i>0, PA(i+1) is ΣiEXP complete. Short Presburger Arithmetic is complete (and thus NP complete for ). Here, 'short' requires bounded (i. e. ) sentence size except that integer constants are unbounded (but their number of bits in binary counts against input size). Also, two variable PA (without the restriction of being 'short') is NP complete. Short (and thus ) PA is in P, and this extends to fixed dimensional parametric integer linear programming.
Қолданбалар
Пресбургер арифметикасы шешімді болғандықтан, Пресбургер арифметикасы үшін автоматты теорема дәлелдеушілер бар. Мысалы, Coq дәлелдеу көмекші жүйесінде Пресбургер арифметикасы бойынша omega тактикасы бар, ал Isabelle дәлелдеу көмекшісінде кванторларды жою процедурасы бар. Теорияның қос экспоненциалдық күрделілігі теорема дәлелдеушілерді күрделі формулаларда қолдануды қиын жасайды, бірақ бұл жағдай тек ішкі кванторлар болғанда ғана орын алады: ішкі кванторларсыз кеңейтілген Пресбургер арифметикасының кейбір мысалдарындағы формулаларды дәлелдеу үшін симплекс алгоритмін қолданатын автоматты теорема дәлелдеушіні сипаттаңыз. Жақындағы қанағаттандыру модулі теориясы шешушілері Пресбургер арифметикасы теориясының кванторсыз фрагментін өңдеу үшін толық санмен бағдарламалау техникаларын қолданады. Пресбургер арифметикасын тұрақтыларға көбейтуді қосу арқылы кеңейтуге болады, себебі көбейту – қайталанған қосу. Көптеген массивтік индекс есептеулері шешілетін проблемалар аймағына кіреді. Бұл тәсіл компьютерлік бағдарламалардың дұрыстығын дәлелдейтін кем дегенде бес жүйенің негізі болып табылады, 1970-ші жылдардың соңындағы Стэнфорд Паскаль тексерушісінен бастап, 2005 жылғы Microsoft Spec# жүйесіне дейін жалғасады.
Пресбургермен анықталатын бүтін сандар қатынасы
Қазір Пресбургер арифметикасында анықталатын бүтін сандық қатынастар туралы кейбір қасиеттер келтіріледі. Айтарлықтай жеңілдік үшін, осы бөлімде қарастырылатын барлық қатынастар теріс емес бүтін сандармен байланысты. Қатынас Пресбургермен анықтамалы егер және тек қана ол жартылай сызықты жиын болса. Бірлік бүтін сандық қатынас, яғни теріс емес бүтін сандар жиыны, Пресбургермен анықтамалы егер және тек қана ол ақырында мерзімді болса. Яғни, белгілі бір шектен кейін және оң мерзімділік периоды бар болса, барлық бүтін сандар үшін , егер және тек қана егер . Кобхам-Семенов теоремасына сәйкес, қатынас Пресбургермен анықтамалы егер және тек қана ол Бюхи арифметикасында негізінде анықталса. Бюхи арифметикасында негізінде анықталған және , және көбейтіндісі тәуелсіз бүтін сандар үшін анықталған қатынас Пресбургермен анықтамалы. Бүтін сандық қатынас Пресбургермен анықтамалы егер және тек қана егер қосылу және (яғни, Пресбургер арифметикасы плюс үшін предикат) арқылы бірінші реттік логикада анықталатын бүтін сандар жиындары Пресбургермен анықтамалы болса. Балама ретінде, Пресбургермен анықтамалы емес әрбір қатынас үшін, қосылуды қолдана отырып анықтауға болмайтын бүтін сандар жиынын анықтайтын қосылу арқылы бірінші реттік формула бар.
By the Cobham–Semenov theorem, a relation is Presburger definable if and only if it is definable in Büchi arithmetic of base for all A relation definable in Büchi arithmetic of base and for and being multiplicatively independent integers is Presburger definable. An integer relation is Presburger definable if and only if all sets of integers that are definable in first order logic with addition and (that is, Presburger arithmetic plus a predicate for ) are Presburger definable. Equivalently, for each relation that is not Presburger definable, there exists a first order formula with addition and that defines a set of integers that is not definable using only addition.