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浅谈NP P NPC NP-hard问题

时间:2023-01-13 16:35:42

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浅谈NP P NPC NP-hard问题

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P问题:可以在多项式时间内解决的问题。但是需要注意此处的多项式时间是针对输入规模而言,对比例子如下:

例子1: n个数字的排序,此时输入是n个数字,时间复杂度是O(nlogn),可以在多项式时间内解决

例子2:0-1背包问题,输入是n个物品的价值和重量、背包最大承受重量W。在计算机底层可以看到编码长度为n+logn+logW bit(假定每个物品价值和重量占1bit),时间复杂度是O(W*n),对于编码长度(也即输入规模)来说是无法通过多项式计算得到,因此只能是NP问题。(其实它是NPC问题,不过这个需要归约到一种NPC问题,读者可以自行跳过)

NP问题: 不能在多项式时间内解决,但是可以对任何一个实例进行多项式时间内的验证。

例子:寻找长度小于100的哈密顿回路。这个显然不能在多项式时间内解决,但是当你举出一条路径时,可以在多项式时间内验证是否满足。

NPC问题: NPC问题的由来是规约。规约说白了,就是把一个普适性低的问题归约到普适性高的问题,比如把解决一元一次方程归约到解决一元二次方程。显然,当你解决了一元二次方程后,也必然能够解决一元一次方程。因此人们设想,如果把一个NP问题归约到另一个较为复杂的NP问题,这个复杂的NP问题又继续规约,会一直归约到一种情况:出现一个顶级NP问题,只要解决了它,那么所有的NP问题都可以解决。

令人感到惊讶的是,现在已经找到了这类问题,并且还不止一个。最为出名且基础的就是逻辑电路问题(大家可以联想到计算机底层实现,通过输入若干01串来获取输出,具体证明过程很复杂,感兴趣的可以移步算法导论仔细看)。

因此我们要证明一个NPC问题便变得简单起来,只需要证明两点:

第一,它是一个np问题。

第二,现存的NPC问题可以规约至它。

NP-hard 问题:

首先明确,所有的NPC问题都是np-hard问题,但是np-hard问题还包括一些其他的难题。这个也很简单,因为所有的NPC问题都能在多项式时间内给出实例的正误情况,但是也存在一些问题不能在多项式时间内给出实例的正误情况。因此上述两种问题共同组成了NP-hard问题。

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