形式陈述
从参数计数到加权测度
有界搜索树理路有界搜索树Bounded search tree对局部障碍作完备分支,并让参数预算在每条分支严格下降。常用剩余顶点数或参数 作为递归变量。Measure and Conquer 改用状态相关的非负测度
其中 是实例 中类型 的对象数, 是待选权重。类型可以是顶点度数、约束长度或局部剩余容量;测度不必为整数,也不必等于输入规模。
先固定输入无关的有限类型集与非负权重,证明基例可在原输入长度 的多项式时间内求解;安全约简保持问题等价且不增加 ,其连续执行本身也必须在多项式时间内结束。每条递归边的下降量要求有共同正下界 ,例如固定有理权重与有限规则族给出这样的常数。非负测度使递归深度至多 。单纯“每步严格下降”不足以代替这项保证:数列 永远下降,却永远到不了测度至多 的基例。
分支向量与指数底
若某规则产生 个子实例,测度下降分别为 ,递推为
该规则的 branching number 是方程
在 中的唯一根:左侧连续严格递减,在 处为 ,趋于无穷时趋于零。对所有可达规则选择共同的 ,使 。给每个节点赋质量 ,孩子总质量不超过父质量;非负叶测度使每个叶子的质量至少为 ,因此叶数至多为 。
只有一个孩子的规则不产生大于一的 branching number,其方程的根为 ;仍须用共同下降量控制这类单链长度。若初始测度为 ,每个中间实例的编码及单节点工作也为 ,总节点数至多是叶数乘深度,便得到 ,常以渐近记号理路渐近记号Asymptotic notation · Big O notation忽略常数和低阶项,比较函数在输入趋于无穷时的增长速度。简写为 。
若另以 记初始对象数,并证明 ,总时间才可改写为 。遗漏这一步会把按测度的界误当成按输入大小的界。
直觉
普通测度只数还剩多少对象,容易忽略对象因局部状态改变而变得更易处理。Measure and Conquer 给不同类型不同权重,把删除与降度等隐性进展放入同一标尺;权重必须同时满足所有可达规则,最坏分支的指数底才代表整个算法。
Measure and Conquer 的加权分支下降 图中的 只计被删除的四个三次顶点,表示可保证的下降量;未画出的外部降度可使实际下降更大。排除分支则同时计入中心删除与三个邻居从权重 变为 。
例子与边界
三次顶点分支的局部账本
考虑最大独立集的回溯分支理路回溯法Backtracking深度优先枚举部分解并在不可能完成时撤销选择的搜索范式。:对三次顶点 ,一支排除 ,另一支选入 并删除闭邻域 。先限于最大度至多三的简单图,三次顶点权重为 、二次顶点权重为 ,度零、一的权重非负且不超过 ;降度不增加权重。考察 的三个不同邻居也都是三次的局部状态。
排除 会删除权重 1,并使三个邻居从三次降为二次,测度下降
选入 删除 及三个邻居,下降至少 。于是这个局部规则给出
排除分支的这份下降是直接删点后的精确账本;选入分支至少删去权重 ,外部降度还可能增加收益。邻居之间相邻或共享外部邻居会影响这部分额外收益,所以没有把它们当作互不重叠的额外删除来收费。完整算法仍须核对度零、一、二的处理和其他可达规则。例子的作用是展示“删除对象”和“对象改类型”都必须进入同一账本,不能只数被删顶点。
权重优化
每条约简给出形如“新测度不大于旧测度”的线性不等式,每条分支给出依赖权重的降幅。固定候选底数 后,条件
在 为仿射函数时是凸约束,因为它是仿射函数的指数之和;配上线性权重条件即可对固定 检查凸可行性。候选底数增大时条件变弱,可据此二分。线性规划理路线性规划Linear programming · LP在线性等式和不等式约束下优化线性目标函数的问题。能处理部分线性化账本,但指数约束本身不应冒充普通 LP。
数值优化给出的权重只是猜想证书。发布证明时要给足够精度的有理权重或严格区间,并逐规则验证不等式;浮点求解器打印六位小数不构成严格上界。
Reduction rule 的证明责任
若一个约简把三次顶点变为两个二次顶点,测度变化是 ;要保证不增加,必须加入 ,或把约简产生的其他删除一并计算。权重非负只给测度下界;约简次数、分支的共同下降量以及基例可解性仍须分别证明。
某些局部状态在算法不变量下永远不可达,可以不纳入最大规则;这必须由结构引理证明。反过来,把可达坏状态漏掉会得到虚假的较小指数底。Measure 正确只证明搜索树大小,单节点约简、复制与解恢复的多项式工作仍需相乘。
推论与应用
与其他分析的边界
递归树法理路递归树法Recursion-tree method把递归式各层代价展开成树并对层和叶子求和的渐近分析方法。展开已知递推;Measure and Conquer 先设计递推所用的势尺,再展开。它与摊还势函数都使用权重,但这里衡量尚未解决实例并控制递归叶数,不是在操作序列间搬移成本。
若测度含参数 与结构项,例如 (固定 ),先得到的仍是 。只有另证 (固定 )等条件,才能将它写成 ,其中 。若 可独立增长到输入规模,指数并未只依赖 ;而 通常只给精确指数算法的界。
参考资料
- Fedor Fomin, Fabrizio Grandoni, Dieter Kratsch, A Measure & Conquer Approach for the Analysis of Exact Algorithms, Journal of the ACM, 2009.
- Fedor Fomin, Dieter Kratsch, Exact Exponential Algorithms, Springer, 2010.
- Marek Cygan et al., Parameterized Algorithms, Springer, 2015.