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复杂性类 TC⁰

TC0 · TC^0 · Threshold circuit class

由多项式规模、常数深度、无界扇入多数门电路族计算的布尔函数类。

条目类型
定义

形式陈述

非一致 TC0 由电路族 {Cn} 定义:存在常数 c,d,每个 Cn 大小至多 nc、深度至多 d,使用无界 fan-in majority 门以及常量、输入与否定。多数门在至少一半输入为 1 时输出 1;AND、OR 可由调整常量输入或阈值实现。若 direct-connection language 和门参数可在 DLOGTIME 查询,则称 DLOGTIME-uniform TC0。本页默认非一致版本,任何算法性结论都会显式标出一致性

一般整数权阈值门也可得到常见的等价定义,但必须让权重具有有限、至多多项式 bit 长度,并用常深计数、加法和比较电路完成模拟;仅靠按权重数值复制导线,面对二进制写成的指数权重会产生指数规模。本页以 majority 门作为主定义,因而大小只需计门与连线,不把任意精度藏在权重中。

已知包含为

AC0ACC0TC0NC1.

其中 TC0 NC¹ 使本类成为 NC¹ 的子类,但不宣称严格;是否 TC0=NC1 仍未知。

直觉

AC⁰ 的无界 AND/OR 只能问“是否全真”或“是否至少一个真”,多数门则能在一层比较整个输入的计数与中点。常数层 threshold 可以反复进行粗粒度计数、选择和进位汇总,因此能够表达许多看似需要顺序传播的算术。多项式规模仍然阻止把每个输入真值硬编码成独立门,常数深度则限制计数结果能被重新组合的轮数。

TC⁰ 的强大不意味着一个阈值门已能完成所有任务。单门只有一个线性分界面,parity 甚至不是线性可分;电路用多项式多个门和若干层构造复杂分区。复杂度类关心这张整网的渐近资源,而不是把“神经元能投票”当作万能性直觉。

例子与边界

四输入多数门

MAJ4(x)=1[x1+x2+x3+x42]

本身就是深度 1、大小 1 的 TC⁰ 电路。输入 1010 的和为 2,按“平票算接受”的约定输出 1;输入 1000 的和为 1,输出 0。若文献把偶数 fan-in 的 majority 定义为严格多数,可增加一个固定常量或调整阈值,类不会改变,但精确小例子必须说明约定。

标准 uniform TC⁰ 中,两个 n 位整数的加法、迭代乘法、除法与排序都可在常深多项式规模完成;这些不是由一只 majority 门直接算出,而是由常深计数和编码转换组成。另一方面,ACC⁰ 的 MOD 门可由 threshold 电路模拟,故 ACC⁰ 包含于 TC⁰。目前不知道该包含是否严格,也不知道 TC⁰ 是否严格小于 NC¹;教材不能把“门基看起来更弱”写成已证分离。

若深度允许 O(logn),就离开 TC⁰ 进入 NC¹ 范围;若门数允许指数增长,常深限制的意义也会改变。uniform 与 nonuniform 版本同样不能混用:一族人为挑选的多数电路可能把不可计算的长度信息硬编码进去,并不自动给出常数深并行算法。

推论与应用

TC0NC1 可从门级模拟理解:一个多项式 fan-in 的 majority 门可由多项式规模、O(logn) 深的有界扇入加法与比较电路计算;原电路只有常数层,把这些模拟串联后总深度仍是 O(logn)。在标准一致性下,这也把 uniform TC⁰ 放入相应 uniform NC¹。

TC⁰ 是研究“小深度计数到底有多强”的基准。它容纳模计数电路和基础整数算术,却尚未被无条件证明与 NC¹ 分离。对 restricted threshold circuits 的权重、深度或门数下界很多,但必须保留限制;一个深度二下界不能自动提升为整个 TC⁰ 下界。

参考资料
  • Sanjeev Arora and Boaz Barak, Computational Complexity: A Modern Approach, Cambridge University Press, 2009, §§6.5 and 13.2.
  • William Hesse, Eric Allender, and David A. Mix Barrington, “Uniform Constant-Depth Threshold Circuits for Division and Iterated Multiplication,” Journal of Computer and System Sciences 65(4), 2002, pp. 695–716.
  • David A. Mix Barrington, Neil Immerman, and Howard Straubing, “On Uniformity within NC¹,” Journal of Computer and System Sciences 41(3), 1990, pp. 274–306.
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