Проблем изоморфизма графова

С Википедије, слободне енциклопедије

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 | уреди извор]

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 | уреди извор]

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 | уреди извор]

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 | уреди извор]

Проблем изоморфизма неких других објеката[уреди | уреди извор]

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 | уреди извор]

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 | уреди извор]

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 | уреди извор]

  • 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 | уреди извор]

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 | уреди извор]

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 | уреди извор]

  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/0601002Слободан приступ, 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/0501056в3Слободан приступ [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 | уреди извор]

Анкете и монографије[уреди | уреди извор]

Софтвер[уреди | уреди извор]