Проблем изоморфизма графова

рачунарски проблем

Проблем изоморфизма графова је рачунарски проблем утврђивања да ли су два коначна графа изоморфна.

Поред практичног значаја, проблем изоморфизма графова је веома занимљив у рачунарској теорији комплексности као један од ретких проблема који припадају НП, за који се не зна да ли је решив у полиномијалном времену нити да ли је НП-комплетан: један је од 12 проблема који се налазе на листи Гареy & Јохнсон 1979, и један од само два проблема чија комплексност остаје нерешива (други је Растављање на факторе)[1]. Од 2008 године најбољи алгоритам за графове са н темена (Еугене Лукс, 1983) је сложености 2О(√(н лог н)).[2][3]

Познато је да се проблем изоморфизма графова налази на нижем нивоу хијерархије класе НП, што говори да није НП-комплетан осим ако на лествици полиномијалног времена не достиже други ниво.[4]

Истовремено, изоморфизам за неке специјалне графове може бити решен у полиномијалном времену, а у пракси изоморфизам графова се обично ефикасно решава.[5]

Овај проблем је специјална врста проблема изоморфизма подграфа[6], за који се зна да је НП-комплетан. Познат је као специјалан случај проблема не-абелове скривене подгрупе преко симетричних група.[7]


Историја

уреди

Садашњи најбољи алгоритам је алгоритам који је осмислио Еугене Лукс (1983) и базиран је на ранијим радовима Лукса (1981), Бабаија и Лукса (1982) комбинован са подфакторијалним алгоритмом Земљашенка. Алгоритам је заснован на класификацији коначних простих група. Без ове класификације ЦФСГ, добијена је несто слабија граница 2О(√н лог2 н),прво за јаке регуларне графове Лазло Баблаи , (1980), а затим су је Бабаи и Лукс (1982) проширили на опште графове. Побољшање експонента √н је главни отворени проблем; за јаке регуларне графове то је решио Спиелман 1996 (1996). За хиперграфове ограниченог ранга,где субекспоненцијална горња граница одговара случају графова, решење/одговор су недавно нашли Бабаи и Цаденотти.

Проблем изоморфизма графова је рачунски еквивалентан проблему израчунавања аутоморфизма групе графа, и слабији је од проблема изоморфизма пермутационих група, и од проблема пресека пермутационих група. За последња два проблема Бабаи, Кантор и Лукс (1983) су добили границе сложености сличне онима за изоморфизам графова.[8]

Постоји неколико конкурентних практичних алгоритама за изоморфизме графова,које су поставили МцКаy (1981), Сцхмидт & Друффел (1976), Уллман (1976), и тако даље. Иако делује да се извршава добро на случајним графовима,главни недостатак ових алгоритама је њихова експоненцијална временска сложеност у најгорем случају.[9]

Специјални случајеви

уреди

Листа специјалних случајева проблема изоморфизма графова, који имају ефикасно решење у полиномијалном времену:

  • Стабла[10]
  • Планарни графови[11] (У ствари, изоморфизам планарних графова се решава у логаритамском времену,[12] класа која је се налази у П)
  • Тежински графови[13]
  • Пермутациони графови[14]
  • Делимична к-стабла[15]
  • Графови са ограниченом вредношћу неких параметара
    • Графови ограниченог рода[16](Планарни графови су графови рода 0)
    • Графови ограниченог степена[17]
    • к-контрактибилни графови(уопштени графови ограниченог рода и степена)[18]
    • Изоморфизам обојивих графова са ограниченом вредношћу боја (већина чворова имаће исту боју за фиксирану вредност боја к) је класе НЦ, која је подкласа класе П.[19]

Сложена класа ГИ

уреди

Пошто се за проблем изоморфизма графова не зна да ли је НП-комплетан, нити да ли је обрадив, истраживачи су настојали да стекну бољи увид у овај проблем дефинисањем нове класе ГИ, кроз низ проблема који су решиви у полиномијалном времену.[20] У ствари ако би проблем изоморфизма графова био решив у полиномијалном времену онда би ГИ класа била једнака са П

Као што је уобичајено за комплексне класе које се решавају у полиномијалном времену, проблем се назива ГИ-тежак ако постоји Тјурингова редукција било ког проблема ГИ класе до тог проблема у полиномијалном времену, односно полиномијално-временско решење неког ГИ-тешког проблема би се добило уз помоћ проблема изоморфизма графова који се такође решава у полиномијалном времену (ово важи за све проблеме ГИ класе). Проблем   је комплетан за ГИ, или је ГИ-комплетан

Проблем изоморфизма графова садржан је у НП и цо-АМ. ГИ је мање исадржан и/у Паритy П, а такође је део потенцијално много мање класе СПП.[21] То да лежи у Паритy П значи да проблем изоморфизма графова није ништа тежи од одређивања да ли је полиномијално-време уопште могуће детерминисати. Тјурингова машина има паран или непаран број прихватања путања. ГИ је такође садржан и низак за ЗППНП.[22]. Ово суштински значи да ефикасан Лас Вегас алгоритам са приступом НП ораклу може да реши изомофизме графова тако лако, да чак не добија никакву моћ стицањем могућности да то уради у константном времену.

ГИ-комплетни и ГИ-тешки проблеми

уреди

Проблем изоморфизма неких других објеката

уреди

Постоји велики број класа математичких објеката за које је проблем изоморфизма графова ГИ-комплетан. Неки од њих су графови са неким додатним својствима или ограничењима:[23]

ГИ-комплетне класе графова

уреди

Класа графова се назива ГИ-комплетна ако је проблем изоморфизма графова из ове групе ГИ-комплетан. Следеће класе су ГИ-комплетне:[23]

Ова листа није употпуњена! Доста класа диграфова такодје су ГИ-комплетне.

Остали ГИ-комплетни проблеми

уреди

Постоје и неки други нетривијални ГИ-комплетни проблеми поред проблема изоморфизма графова:

  • Проналажење само-комплементарних графова или диграфова.[26]
  • Проблем клике за такозвану класу M-графова. Показало се да је проналажење изоморфизма за н-највише тачке графова еквивалентно проналажењу н-клика у M-графу величине н2. Ова чињеница је интересантна јер је проблем проналажења (нε)-клике у M-графу величине н2 НП-комплетан за произвољно мало ε.[27]
  • Проблем хомеоморфизма 2-комплекса.[28]

ГИ-тешки проблеми

уреди
  • Проблем бројања изоморфизма између два графа је полиномијалног времена еквивалентан проблему који говори да ли неки од та два графа уопште постоји.[29]
  • Проблем одлучивања да ли два конвексна политопа добијена или V-описом или Х-описом су " пројецтивелy ор аффинелy изоморфни", што значи да постоји пројецтиве ор аффине мапа између простора који садрже два политопа (не нужно истих димензија) које укључује бијаицију између два политопа.

Провера програма

уреди

Блум анд Каннан[30] су представили програм који проверава изоморфизме графова. Узмимо да се за П тврди да је полиномијално-временска процедура која проверава да ли су два графа изоморфна, али није поуздан. Да би се проверило да ли су Г и Х изоморфни:

  • Питати П да ли су Г и Х изоморфни.
    • Ако је одговор "да":
      • Покушати конструисање изоморфизма користећи П као субрутину. Означити теме у Г и в у Х, I модификовати графове како би постали различити (са малом локалном променом). Питати П да ли су модификовани графови изоморфни. Ако не, померити в на друго теме/вертеx. Наставити са претрагом.
      • Изоморфизам или ће бити пронађен (и моћи ће да буде верификован) или ће П противречити сам себи.
    • Ако је одговор "не":
      • Извести следеће 100 пута. Изабрати насумично Г или Х, и насумично пермутовати њихова темена(вертицес). Питати П да ли је граф изоморфанза Г и Х. (као у АМ протоколу за неизоморфизам графова).
      • Ако било који од од тестова буду негативни, оценити П као неисправан(инвалид) програм. У супротномо дговор је "не".

Ова процедура је полиномијално-временска,и даје исправан одговор ако је П тачан програм за изоморфизме графова. Ако П није одговарајући програм али исправно одговори на Г и Х,контрола ће или дати тачан одговор, или ће детектовати неважеће понашање П.Ако П није одговарајући програм, а нетачноодговоринаГ и Х,контролаћесавеликомвероватноћом,детектоватинеисправнопонашањекод П, а са вероватноћом 2−100 ће одговорити погрешно.

Напомена,П је коришћен само као 'блацкбоx'.

Примене

уреди

У хеминформатици и математичкој хемији, тестирање изоморфизма графова користи се за проналажење хемијског једњења у хемијској бази.[31] Такође, у органској математичкој хемији тестирање изоморфизма графова корисно је за генеразиционе молекуларне графове и за компијутерску синтезу.

Претрага хемијске базе је пример анализе података помоћу графова у којем се приступ канонизације графова често користи.[32]Један број идентификатора за хемијске супстанце као што су СМИЛЕС и ИнЦхИ, који су направљени да обезбеде стандардизовани читљив начин за кодирање молекуларних информација као и да омогући претрагу таквих информација у базама података на интернету,користе канонизацијски корак у свом рачунању, што је у суштини канонизација графа који представља молекул. У аутоматизацији електронског дизајна, изоморфизам графова је основа Лаyоут Версус Сцхематиц (ЛВС) цирцуит десигн степ, који верификује да ли су електрично коло представљена прикладном схемом и схема интегрисаног кола исте.[33]

Референце

уреди
  1. ^ Тхе латест оне ресолвед wас минимум-wеигхт триангулатион, провед то бе НП-цомплете ин 2006. Мулзер, Wолфганг; Роте, Гüнтер (2008), „Минимум-wеигхт триангулатион ис НП-хард”, Јоурнал оф тхе АЦМ, 55 (2): 1, С2ЦИД 1658062, арXив:цс.ЦГ/0601002 , дои:10.1145/1346330.1346336 
  2. ^ Јохнсон 2005
  3. ^ Бабаи & Цоденотти 2008
  4. ^ Уwе Сцхöнинг, "Грапх исоморпхисм ис ин тхе лоw хиерарцхy", Процеедингс оф тхе 4тх Аннуал Сyмпосиум он Тхеоретицал Аспецтс оф Цомпутер Сциенце, 1987, 114-124; алсо: Јоурнал оф Цомпутер анд Сyстем Сциенцес, вол. 37 (1988), 312-323
  5. ^ МцКаy 1981
  6. ^ Уллман 1976
  7. ^ Цристопхер Мооре; Русселл, Алеxандер; Сцхулман, Леонард Ј. (2005). „Тхе Сyмметриц Гроуп Дефиес Стронг Фоуриер Самплинг: Парт И”. арXив:qуант-пх/0501056в3  [qуант-пх]. 
  8. ^ Лáсзлó Бабаи, Wиллиам Кантор, Еугене Лукс, Цомпутатионал цомплеxитy анд тхе цлассифицатион оф фините симпле гроупс, Проц. 24тх ФОЦС (1983). стр. 162.–171.
  9. ^ П. Фоггиа, C.Сансоне, M. Венто, А Перформанце Цомпарисон оф Фиве Алгоритхмс фор Грапх Исоморпхисм Архивирано на сајту Wayback Machine (24. септембар 2015), Proc. 3rd IAPR-TC15 Workshop Graph-Based Representations in Pattern Recognition. (2001). стр. 188–199.
  10. ^ P.J. Kelly, "A congruence theorem for trees" Pacific J. Math., 7 (1957). стр. 961.–968; Aho, Hopcroft & Ullman 1974
  11. ^ Hopcroft & Wong 1974
  12. ^ Datta, Samir; Limaye, Nutan; Nimbhorkar, Prajakta; Thierauf, Thomas; Wagner, Fabian (2009). „Planar Graph Isomorphism is in Log-Space”. 2009 24th Annual IEEE Conference on Computational Complexity. стр. 203—214. ISBN 978-0-7695-3717-7. doi:10.1109/CCC.2009.16. 
  13. ^ Booth & Lueker 1979
  14. ^ Colbourn 1981
  15. ^ Bodlaender 1990
  16. ^ Miller 1980; Filotti & Mayer 1980
  17. ^ Luks 1982
  18. ^ Gary L. Miller: Isomorphism Testing and Canonical Forms for k-Contractable Graphs (A Generalization of Bounded Valence and Bounded Genus). Proc. Int. Conf. on Foundations of Computer Theory, (1983). стр. 310-327 (Lecture Notes in Computer Science, vol. 158, full paper in: Information and Control, 56(1-2):1–20, 1983.)
  19. ^ Eugene Luks, "Parallel algorithms for permutation groups and graph isomorphism", Proc. IEEE Symp. Foundations of Computer Science. (1986). стр. 292–302.
  20. ^ Booth & Colbourn 1977; Köbler, Schöning & Torán 1993
  21. ^ Köbler, Schöning & Torán 1992; Arvind & Kurur 2006
  22. ^ Arvind & Köbler 2000
  23. ^ а б в г д ђ е ж з и ј к л љ м н њ о п р с т ћ Zemlyachenko, Korneenko & Tyshkevich 1985
  24. ^ "On the hardness of finding symmetries in Markov decision processes", by SM Narayanamurthy, B Ravindran, Proceedings of the Twenty Fifth International Conference on Machine Learning (ICML 2008). стр. 688-696.
  25. ^ Chung, Fan RK (1985). „On the cutwidth and the topological bandwidth of a tree”. SIAM Journal on Algebraic Discrete Methods. 6 (2): 268—277. doi:10.1137/0606026. Приступљено 13. 4. 2015. 
  26. ^ Colbourn M.J., Colbourn Ch.J. "Graph isomorphism and self-complementary graphs", SIGACT News, 1978, vol. 10, no. 1, 25-29.
  27. ^ Kozen 1978
  28. ^ J. Shawe-Taylor, T.Pisanski, "Homeomorphism of 2-Complexes is Graph Isomorphism Complete", SIAM Journal on Computing, 23 (1994) 120 - 132 .
  29. ^ R. Mathon, "A note on the graph isomorphism counting problem", Information Processing Letters, 8 (1979). стр. 131—132; Johnson 2005
  30. ^ Designing Programs that Check their Work
  31. ^ Christophe-André Mario Irniger. Graph Matching: Filtering Databases of Graphs Using Machine Learning. 2005. ISBN 978-1-58603-557-0. 
  32. ^ Цоок, Диане Ј.; Холдер, Лаwренце Б. (2006). Мининг Грапх Дата. Јохн Wилеy & Сонс. стр. 120—122. ИСБН 978-0-470-07303-2. 
  33. ^ Баирд, ХС; Цхо, YЕ (1975). Ан артwорк десигн верифицатион сyстем. Процеедингс оф тхе 12тх Десигн Аутоматион Цонференце. ИЕЕЕ Пресс. стр. 414—420. 

Литература

уреди

Анкете и монографије

уреди

Софтвер

уреди