Complexity Theory of Polynomial-Time Problems
Lecture 3: The polynomial method Part I: Orthogonal Vectors
Sebastian Krinninger
Polynomial-Time Problems Lecture 3: The polynomial method Part I: - - PowerPoint PPT Presentation
Complexity Theory of Polynomial-Time Problems Lecture 3: The polynomial method Part I: Orthogonal Vectors Sebastian Krinninger Organization of lecture No lecture on 26.05. (State holiday) 2 nd exercise sheet: Next week Tutorials:
Lecture 3: The polynomial method Part I: Orthogonal Vectors
Sebastian Krinninger
1. Razborov-Smolensky from Circuit Complexity 2. Fast rectangular matrix multiplication
๐
Interesting Regime: ๐ = ๐ log ๐
Reminder: State of the art: In this lecture: ๐2โ1/๐(log ๐) Algorithm is randomized and correct with high probability, i.e., probability โฅ 1 โ 1/๐
1. Divide ๐ต and ๐ถ into ๐ = โ
๐ ๐กโ subsets of size โค ๐ก:
๐ต1, โฆ , ๐ต๐ and ๐ถ1, โฆ , ๐ถ๐
2. Construct a polynomial ๐(๐1 1 , โฆ ๐1 ๐ , โฆ , ๐๐ก 1 โฆ , ๐๐ก ๐ , ๐1 1 , โฆ ๐1 ๐ , โฆ , ๐๐ก 1 โฆ , ๐๐ก 1 )
๐ ๐ต๐, ๐ถ
๐ = 1 if and only if ๐ต๐, ๐ถ ๐ contains orthogonal pair
โฆonly with high probability
3. For every pair of subsets ๐ต๐, ๐ถ
๐: evaluate ๐ on ๐ต๐, ๐ถ ๐
โฆsimultaneously! โ ๐(
๐2 ๐ก2 polylog(๐))
4. Return โyesโ if some ๐ต๐, ๐ถ
๐ contains orthogonal pair, โnoโ otherwise
We set ๐ก = 2๐ log ๐/ log ๐ = ๐๐/ log ๐ for some sufficiently small ๐
โจ
ยฌ๐ฆ[1] ยฌ๐ง[1]
โจ
ยฌ๐ฆ[2] ยฌ๐ง[2]
โจ
ยฌ๐ฆ[๐] ยฌ๐ง[๐] โฆ โฆ
โง
๐จ
โจ โง
โฆ โฆ โฆ โฆ
โจ โจ โง โจ โจ โง โจ โจ
โฆ โฆ โฆ โฆ โฆ โฆ ยฌ๐ฆ1[1] ยฌ๐ง1[1] ๐จ ยฌ๐ฆ1[1] ยฌ๐ง2[1] ยฌ๐ฆ๐ก[๐] ยฌ๐ง๐ก[๐] โฆ โฆ โฆ
1 โ 0 = 1 0 โ 1 = 1 1 โ 1 = 0
๐ฆ1 โ ๐ฆ2 โ โฏ โ ๐ฆ๐ = 1 if and only if odd number of ๐ฆ๐โs is 1
๐ฆ1,1 โ โฏ โ ๐ฆ1,๐ โ ๐ฆ2,1 โ โฏ โ ๐ฆ2,๐ โ โฆ โ ๐ฆ๐ข,1 โ โฏ โ ๐ฆ๐ข,๐ = ๐ฆ1,1 โ ๐ฆ2,1 โ โฆ โ ๐ฆ๐ข,1 โ โฏ โ ๐ฆ1,๐ โ ๐ฆ2,๐ โ โฆ โ ๐ฆ๐ข,๐
โ โง โ โ
๐ฆ๐ข,๐ ๐ฆ1,1 โฆ ๐ฆ1,๐ โฆ โฆ AND of ๐ข XORs Each XOR has ๐ inputs ๐ฆ๐ข,1 โฆ โฆ
โง โ โง โง
๐ฆ๐ข,๐ ๐ฆ1,1 โฆ ๐ฆ๐ข,1 โฆ โฆ XOR of ๐๐ข ANDs Each AND has ๐ข inputs ๐ฆ1,๐ โฆ โฆ ๐ choices ๐ choices ๐ choices ๐๐ข monomials Running time: ๐(๐๐ข๐ข โ deg) where deg is degree after expansion (maximum size of any monomial); here deg โค ๐ข
Naรฏve representation of OR DeMorgan: ๐๐ ๐ฆ1, โฆ , ๐ฆ๐ = 1 โ
๐=1 ๐
1 โ ๐ฆ๐ After expansion: 2๐ monomials Probabilistic representation of OR Parameter ๐ข Fewer monomials, correct whp โ โจ โ โ
๐ฆ๐ ๐ฆ1 โฆ ๐ฆ2 โฆ โฆ OR of ๐ข XORs Add each edge With probability 1
2
โจ
๐ฆ1 ๐ฆ2 ๐ฆ๐ โฆ โฆ
Case 1: ๐ฆ1 โจ โฏ โจ ๐ฆ๐ = 0
Easy case: each XOR outputs 0, top OR outputs 0
Case 2: ๐ฆ1 โจ โฏ โจ ๐ฆ๐ = 1
Let ๐ be set of inputs with ๐ฆ๐ = 1 For each XOR:
(good event: top OR outputs 1)
0 (bad event!) Probability that XOR has even number of links to ๐: = 1/2 because last element of X โdecidesโ whether number of links is even or odd (each with prob. 1/2)
Probabilistic representation of OR
โ โจ โ โ
๐ฆ๐ ๐ฆ1 โฆ ๐ฆ2 โฆ โฆ OR of ๐ข XORs Add each edge With probability 1
2
โ Probability that all XORs output 0: =
1 2 ๐ข
=
1 2๐ข
โ Probability that OR outputs 1: = 1 โ
1 2๐ข
Formal definition of polynomial For ๐ = 1 โฆ ๐ข, ๐ = 1 โฆ ๐:
1 2: Set ๐ ๐,๐ = 1
Set ๐
๐,๐ = 0
Polynomial: ๐๐๐ข ๐ฆ1, โฆ , ๐ฆ๐ = 1 โ
๐=1 ๐ข
1 โโ๐=1
๐
๐
๐,๐ โ ๐ฆ๐
After expansion: ๐ + 1 ๐ข monomials Probabilistic representation of OR โ โจ โ โ
๐ฆ๐ ๐ฆ1 โฆ ๐ฆ2 โฆ โฆ OR of ๐ข XORs Add each edge With probability 1
2
๐ข
๐
๐,๐ โ ๐ฆ๐
1 2๐ข
๐โผ๐ธ ๐ ๐ฆ1, โฆ , ๐ฆ๐ = ๐ท ๐ฆ1, โฆ , ๐ฆ๐
(*) In our case, ๐ is the field ๐บ2
โจ
ยฌ๐ฆ[1] ยฌ๐ง[1]
โจ
ยฌ๐ฆ[2] ยฌ๐ง[2]
โจ
ยฌ๐ฆ[๐] ยฌ๐ง[๐] โฆ โฆ
โง
๐จ
โจ โง
โฆ โฆ โฆ โฆ
โจ โจ โง โจ โจ โง โจ โจ
โฆ โฆ โฆ โฆ โฆ โฆ ยฌ๐ฆ1[1] ยฌ๐ง1[1] ๐จ ยฌ๐ฆ1[1] ยฌ๐ง2[1] ยฌ๐ฆ๐ก[๐] ยฌ๐ง๐ก[๐] โฆ โฆ โฆ
๐ก2 2๐ข1 + 1 2๐ข2 = ๐ก2 ๐ก3 + 1 4 = 1 ๐ก + 1 4 โค 1 3 (1/๐ก is small enough for instances with sufficiently large ๐)
We explicitly have to expand our polynomial into XOR of monomials! Running time dominated by applications of distributive law 1st expansion (repeated ๐ก2 times):
2)
2nd expansion :
๐ก2 ๐ + 1 ๐ข1 ๐ข2 ๐ข1
2๐ข2 2
โค ๐ ๐0.1 ๐ข1
2๐ข2 2 โค ๐ ๐0.1 log2 ๐
โ Total time: ๐ ๐0.1 log2 ๐ (negligible)
2 3: ๐ ๐ตโฒ, ๐ถโฒ = 1 iff ๐ตโฒ and ๐ถโฒ have orthogonal pair.
Entry ๐, ๐ : Restriction of ๐-th monomial to input ๐ฆ๐ Entry ๐, ๐ : Restriction of ๐-th monomial to input ๐ง๐
๐ ๐กโ subsets of size โค ๐ก:
๐ต1, โฆ , ๐ต๐ and ๐ถ1, โฆ , ๐ถ๐
๐ ๐ต๐, ๐ถ
๐ = 1 if and only if ๐ต๐, ๐ถ ๐ contains orthogonal pair
๐: evaluate ๐ on ๐ต๐, ๐ถ ๐
๐ has โค ๐0.1 monomials Simultaneous evaluation in time ๐(๐2/๐ก2 polylog ๐ ) โค ๐2โ1/๐(log ๐)
๐ก = 2๐ log ๐/ log ๐ = ๐๐/ log ๐ for ๐ = 1/160
Correctness with high probability
polynomials and taking majority value
Faster algorithm:
choice of ๐ก