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有界深度 Frege

Bounded-depth Frege · AC0-Frege · Constant-depth Frege

将证明行限制为固定常数逻辑深度、通常允许无界扇入联结词的 Frege 片段。

条目类型
模型

形式陈述

固定常数 d。有界深度 Frege 使用无界扇入 , 和作用于文字的 ¬,要求证明中每个公式的逻辑深度至多 d,或至多 d+O(1);后一常数取决于公理和推理规则的具体编码。大小是所有公式的总符号数,扇入列表必须显式计入。与AC⁰电路相同,深度界独立于变量数和公式规模,因而常称 AC⁰-Frege。

形式化文献常固定深度层并研究同样有界深度的永真式族;也有版本允许末式经标准浅层编码呈现。比较结论前必须说明目标公式语言、是否将 implication 视为原始门以及每条推理容许的常数深度余量。无论采用哪种标准版本,它都限制了Frege 系统中间行的表达深度,是 Frege 的真正受限片段,而不是给 Frege 添加新规则。

直觉

一般 Frege 可以在一行里嵌套长链逻辑结构,有界深度 Frege 只能把信息铺成少数层的宽公式。无界 fan-in 让一层 AND 看见很多输入,却不能建立随 n 增长的层级组合。证明可以有很多行,所以它仍能逐步积累知识;受限的是每个中间断言的内部结构,而不是整个证明共有多少推理轮。

这一区分很重要。一个含百万行、每行深度三的证明仍属于固定深度系统;一份只有十行但其中某行嵌套深度为 n 的证明则不属于。proof DAG 的最长引用链、公式门深度和证明行数是三种不同资源,不能把“bounded depth”误解成常数时间验证或常数轮推理。

例子与边界

一次 resolution 推理

xy,¬xzyz

可在浅层 Frege 中由固定永真式

((xy)(¬xz))(yz)

实现。若结论为假,则 y=z=0;两个前提分别强迫 x=1x=0,矛盾。把 implication 展开成 ¬AB 后,深度仍是一个与输入规模无关的常数。对一般宽子句,把这里的 y,z 换成相应析取式只需常数条推理和常数深度增量,但符号数仍与两个子句的长度成线性关系;因此逐步模拟的总开销是多项式,而不是把任意宽归结步骤误算成常数大小。

深度参数必须先固定。若对长度为 n 的每个证明都允许另选 d=logn,系统已不是 AC⁰-Frege;若加入 MODp 门,则得到 AC⁰[p]-Frege 等不同系统,奇偶与计数能力随之改变。允许 extension variables 又可能把深电路切成浅定义层,产生 extended bounded-depth 系统,不能与这里的纯浅层公式模型混为一谈。

有界深度下界通常针对精心编码的组合原理。把一个深目标公式先转成浅 DNF 可能指数增大,所得下界未必反映原编码。公式深度、扇入约定和目标家族必须同时报告。

推论与应用

随机限制会把浅层小公式简化成低深度决策结构,切换引理及其多层版本因此成为分析 AC⁰-Frege 的重要工具。证明下界还会用逼近法、随机结构和有限模型论。与一般 Frege 不同,某些鸽巢与计数原理在有界深度 Frege 中已有超多项式乃至特定参数下的指数下界;这些定理的强度依赖深度、公式基和原理编码。

浅层 Frege 位于电路下界与证明下界的交界:若每条证明行都能被随机限制大幅简化,而受限后的目标原理仍保留全局矛盾,就可排除短证明。这个策略不能直接推广到 unrestricted Frege,因为深公式不会按同一 switching 估计坍缩。已有浅层结果因而是受限系统定理,不是一般 Frege 下界的代名词。

参考资料
  • Miklós Ajtai, “The Complexity of the Pigeonhole Principle,” Combinatorica 14(4), 1994, pp. 417–433.
  • Jan Krajíček, Pavel Pudlák, and Alan Woods, “An Exponential Lower Bound to the Size of Bounded Depth Frege Proofs of the Pigeonhole Principle,” Random Structures & Algorithms 7(1), 1995, pp. 15–39.
  • Jan Krajíček, Bounded Arithmetic, Propositional Logic, and Complexity Theory, Cambridge University Press, 1995, Chapters 11–12, bounded-depth Frege.
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