形式陈述
在标准图灵机模型下,
与 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 。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 。多项式空间停机计算的配置数至多为 ,所以 。
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 与 ,分别由空间层级定理公理库空间层级定理Space hierarchy theorem在适当空间可构造性条件下,更多渐近空间严格提升可判定语言能力。和时间层级定理公理库时间层级定理Time hierarchy theorem在可构造时间界下,给予更多渐近时间会严格扩大可判定语言类。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 、 与 都仍是开放问题。
具体而言, 可通过显式搜索多项式大小的配置图, 可深度优先遍历非确定计算树而复用空间, 则由多项式空间的指数配置上界得到。目前不知道 是否等于 、 是否等于 、 是否等于 ;已知 ,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 L公理库复杂度类 LComplexity class L · Deterministic logspace可在确定性对数空间内判定的语言类。、NL公理库复杂度类 NLComplexity class NL · Nondeterministic logspace可在非确定性对数空间内判定的语言类。、P公理库复杂度类 PP · Polynomial time能由确定性算法在输入长度的多项式时间内判定的语言集合。、NP公理库复杂度类 NPNP · Nondeterministic polynomial time由正实例拥有多项式长度、可在多项式时间内验证的证书所刻画的语言类。、PSPACE公理库复杂度类 PSPACEComplexity class PSPACE可由确定性图灵机在多项式空间内判定的语言类。 与 EXP公理库复杂性类 EXPEXPTIME · EXP可由确定性图灵机在单指数时间内判定的语言类。 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。