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归结宽度

Resolution width · Clause width in resolution

以证明中最大子句文字数衡量归结反驳所需的局部表达宽度。

条目类型
定义

形式陈述

子句 C 的宽度记作 w(C)=|C|,即删去重复文字后所含文字的个数;空子句宽度为 0。对一份归结反驳 π=(C1,,Cs),定义

w(π)=max1isw(Ci).

给定不可满足 CNF F,其最小反驳宽度为

W(F)=minπ refutes Fw(π),

而初始宽度 w0(F)=maxCFw(C)。因为初始子句也计入证明,必有 W(F)w0(F)。有些文献只计导出子句,此时同一公式的数值可能差一个初始瓶颈;使用规模—宽度定理时必须沿用原文口径。

宽度是局部空间而非总存储量:一行同时记住多少个尚未排除的文字。它既可用于 DAG 形证明,也可用于树形证明;允许共享不会改变单个子句的宽度。最小宽度则在所有合法反驳中取最优,不能从某一份写得很宽的证明反推出公式本身需要宽度。

直觉

子句 x1xk 排除的只是让这 k 个文字全部为假的局部赋值。窄子句描述小范围冲突,宽子句同时协调许多变量。若一个公式的局部约束彼此都相容,而矛盾只在许多约束合并后显现,任何归结反驳都可能被迫经过一个宽子句;这个瓶颈可以用组合游戏、扩张性质或随机限制证明。

归结一步最多把两个前提除 pivot 外的文字合并,因此宽度可能增长,也可能因重合而下降。宽度小不意味着证明短:可有大量不同的窄子句。反过来,一个短证明不可能到处异常宽而毫无结构,因为宽子句可以在某些条件下被重新组织;Ben-Sasson–Wigderson 的权衡正把这种直觉变成定量结论。

例子与边界

再次考虑四子句公式

F=(xy)(¬xy)(x¬y)(¬x¬y).

四个初始子句宽度均为 2。以前两项归结得 y,以后两项归结得 ¬y,最后导出 ,各行宽度依次为

2,2,2,2,1,1,0.

所以这份证明宽度为 2。又因初始子句必须计入,W(F)w0(F)=2,从而可手算得到 W(F)=2,而不是仅给出一个上界。

宽度对编码非常敏感。把一个长子句用 Tseitin 辅助变量拆成 3-CNF 会把初始宽度降到 3,却增加变量和子句;新公式的 W(F) 不能与原公式数值直接比较。子句若同时含 u,¬u,它是永真子句,按集合口径宽度虽为 2 或更多,却可删除且不帮助反驳。重复写同一文字也不应人为抬高宽度。

还要区分 width 与 clause space。前者是一行的文字数,后者是验证过程中同时保留的子句数;总存储大致受二者乘积影响,却没有一个指标可替代另一个。对 XOR、基数约束等非 CNF 原语,必须先说明如何编码为子句,否则“宽度”尚未定义。

推论与应用

归结规模—宽度权衡说明:若最小宽度比初始宽度高出线性量,而变量数同阶,则最小 DAG 归结规模呈指数增长。于是研究者常先用扩张图、pebble game 或局部一致性证明宽度下界,再把它转换成长度下界。这个路线避开了直接追踪证明中每个可能子句。

宽度也具有算法含义。固定宽度上限 k 时,至多有 ik2i(ni) 个非永真子句;可以闭包枚举所有宽度不超过 k 的 resolvent,并检查是否得到空子句。对常数 k 这是多项式时间,但当最小宽度随 n 增长时,枚举量迅速爆炸。该算法决定“是否有窄反驳”,并不自动找到接近最短的任意宽度证明。

参考资料
  • Eli Ben-Sasson and Avi Wigderson, “Short Proofs Are Narrow—Resolution Made Simple,” Journal of the ACM 48(2), 2001, pp. 149–169, §§2–3.
  • Albert Atserias and Víctor Dalmau, “A Combinatorial Characterization of Resolution Width,” Journal of Computer and System Sciences 74(3), 2008, pp. 323–334, Theorem 2.
  • Jan Krajíček, Proof Complexity, Cambridge University Press, 2019, Chapter 4, width and resolution games.
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