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定义Definition

L-reduction

施工中 · 内容逐步修订

L-reduction · Linear reduction

以两个常数控制目标最优值与误差回传的优化归约,保持PTAS并明确常数近似传递的方向条件。

形式陈述 ​

取APX 页定义的非负目标 NPO 框架中的两个问题 A,B,不预设它们具有常数近似算法。L-reduction 由两个多项式时间映射 f,g 与常数 α,β>0 构成:f 把 A 的实例 x 变为 B 的实例 f(x);g 接收原实例 x 和 B 的任意可行解 y,返回 A 的可行解。对所有 x,y 要求

OPTB(f(x))≤αOPTA(x),|valA(g(x,y))−OPTA(x)|≤β|valB(y)−OPTB(f(x))|.

第一式控制最优值尺度,第二式控制解偏离最优的绝对误差如何传回。以最小化为例,若 y 是 (1+ε) 近似,则回传解满足至多 1+αβε 的近似比。这说明两个问题都为最小化时,可以传回任意固定常数比;但对最大化要另算方向。若两者都为最大化且 OPTA(x)>0,目标解满足 valB(y)≥OPTB/ρB,则

valA(g(x,y))OPTA(x)≥1−αβ(1−1/ρB).

只有右端为正时,它才给出有限的源近似比。例如 αβ=2,ρB=2 只给出下界零,不能据此声称得到源问题的常数近似。若两边最优值为零,则目标近似须精确返回零,误差回传也迫使源解最优,直接按零值约定处理。

无条件保留的是 PTAS 传递:把目标相对误差选得足够小,使乘上 αβ 后仍满足所需源精度即可。对某个给定的粗糙常数近似,上式只有在右端为正时才保证回传的近似比;右端非正时,这次估计没有结论。与只保持 yes/no 的Karp 归约相比,本页额外控制可行解、目标尺度及误差。

直觉

普通归约可以把一个实例的最优值放大到巨大背景常数,使目标中很好的相对近似回到原问题后毫无意义。L-reduction 用第一常数阻止尺度失控,再用第二常数保证目标解的 gap 能线性转回原问题。

映射 g 需要知道原实例和目标解,才能恢复原问题的可行结构;把它写成只依赖解字符串的函数会遗漏实例语义。

例子与边界

把权值仅为 1 或 2 的 TSP 实例视为 metric TSP 实例,是一个直接但有结构内容的 L-reduction:完全图上的 1/2 权满足三角不等式,实例、可行 tour 与目标值都不变,可取 f,g 为恒等映射、α=β=1。该例说明“问题版本的限制类嵌入更一般类”也必须保留可行解和数值尺度。

若某变换给目标实例额外加入一个远大于原最优值的固定成本 M(x),所有目标解值都近似 M(x),目标的相对误差可能极小,却对应原问题的大误差。除非 M(x) 能由 αOPTA(x) 统一控制,否则第一不等式失败,这正是 L-reduction 排除的伪近似保持。

最大化与最小化可共用绝对误差形式,但把它改写成比率时方向不同。零值沿用前述不除法的约定;负目标则需要另定误差规格。L-reduction 只是近似保持归约的一种,不能把 PTAS-reduction、AP-reduction 和 gap reduction 全部改名为 L-reduction。

推论与应用

L-reduction 常用于证明 APX-hard 与 APX-complete:从已知 APX-hard 问题归约到目标,两个常数把目标的过好近似转成源问题的过好近似。归约方向、问题版本与两个数值不等式都必须逐项验证。

L-reduction 可复合,复合后的尺度和误差常数由各步常数组合得到,仍与输入规模无关。若某步常数实际依赖 n,链条就不再证明 APX 层面的常数保持。

参考资料
  • Christos H. Papadimitriou and Mihalis Yannakakis, “Optimization, Approximation, and Complexity Classes,” Journal of Computer and System Sciences 43(3), 1991, pp. 425–440.
  • Giorgio Ausiello et al., Complexity and Approximation, Springer, 1999, Ch. 8.
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