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基本复杂度类包含链

Basic complexity class containment chain

L、NL、P、NP、PSPACE 与 EXP 之间由模拟得到的基本包含关系。

条目类型
定理

形式陈述

在标准图灵机模型下,

LNLPNPPSPACEEXP.

LNLPNP 来自确定性计算是非确定性计算的特例。对数空间非确定机器只有多项式多个配置,确定性搜索其配置图可得 NLP。NP 验证器的多项式长证书可被逐一枚举而只复用多项式空间,故 NPPSPACE。多项式空间停机计算的配置数至多为 2poly(n),所以 PSPACEEXP

基本复杂度类包含链
直觉

基本包含链来自“更多资源或更强选择不会让机器变弱”:每一步都把较受限的确定性计算当作非确定性等较宽松模型的特例,或用更多时间确定性地遍历原模型的有限搜索空间。空间可以复用,而多项式空间机器的配置数至多指数。链上的箭头来自这些模拟,大多只是上界关系,并不意味着相邻类已知严格分离;读图时应同时记住哪些等号未知、哪些严格性已有层级定理支撑。

例子与边界

已知 LPSPACEPEXP,分别由空间层级定理时间层级定理推出。但这些端点分离不能确定链中哪一条相邻包含是严格的;例如 P=?NPNP=?PSPACEPSPACE=?EXP 都仍是开放问题。

具体而言,NLP 可通过显式搜索多项式大小的配置图,NPPSPACE 可深度优先遍历非确定计算树而复用空间,PSPACEEXP 则由多项式空间的指数配置上界得到。目前不知道 L 是否等于 NLP 是否等于 NPNP 是否等于 PSPACE;已知 PEXP,但这不能指定链中究竟哪一个相邻包含严格,只能说明至少有一处必须严格。

推论与应用

这条链为问题分类提供快速上界传播:证明一个问题属于较小类,会自动得到其属于右侧所有较大类;证明它对某个右侧类别困难,则会限制它落入左侧类别的可能性。

链把 LNLPNPPSPACEEXP 放在同一资源坐标上。Savitch 定理、时间/空间层级定理和完全问题分别解释其中若干箭头与分离;研究具体问题时,找到最小可信上界通常比只说“可判定”更有信息。

参考资料
  • Sanjeev Arora and Boaz Barak, Computational Complexity: A Modern Approach, Cambridge University Press, 2009,Chs. 1–4。
  • Michael Sipser, Introduction to the Theory of Computation, 3rd ed., Cengage, 2013,Chs. 7–8。
关系图谱16 个相邻概念 · 1 类关系

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