ตรวจสอบว่าผลิตภัณฑ์ทั้งหมดของชุดเมทริกซ์ในที่สุดเท่ากับศูนย์หรือไม่


19

ฉันสนใจในปัญหาต่อไปนี้: เมทริกซ์จำนวนเต็มตัดสินใจว่าผลิตภัณฑ์อนันต์ทุกตัวของเมทริกซ์เหล่านี้จะเท่ากับศูนย์เมทริกซ์หรือไม่A1,A2,,Ak

ซึ่งหมายความว่าสิ่งที่คุณคิดว่ามันไม่เราจะบอกว่าชุดของการฝึกอบรมมีคุณสมบัติที่ทุกผลิตภัณฑ์ของ บริษัท ในที่สุดก็เท่ากับศูนย์ถ้ามีไม่ได้อยู่ลำดับอนันต์ทั้งหมดในเช่นว่าสำหรับทุกลิตรi 1 , i 2 , i 3{ 1 , , k } A i 1 A ฉัน2A ฉันl0 l{A1,,Ak}i1,i2,i3{1,,k}

Ai1Ai2Ail0
l

มีปัญหาในการตัดสินใจหรือไม่ว่าในที่สุดทุกผลิตภัณฑ์จะเท่ากับศูนย์ที่เคยศึกษามาก่อนหรือไม่? มันตัดสินได้หรือไม่

ดูเหมือนว่ามันอาจเกี่ยวข้องกับการตายของเมทริกซ์ซึ่งไม่สามารถตัดสินใจได้ แต่ฉันไม่เห็นการเชื่อมต่อที่ชัดเจน


คุณต้องมีคุณสมบัติการลู่เข้าในชุดของเมทริกซ์เพื่อให้แน่ใจว่ามีการกำหนดผลิตภัณฑ์แบบไม่สิ้นสุด
András Salamon

คุณทำงานในฟิลด์ จำกัด หรือจำนวนเต็มที่มีการเติบโตแบบไม่ จำกัด หรือไม่? = 1 กรณีเป็นที่น่าสนใจในสิทธิของตัวเอง การใช้จำนวนเต็มตั้งแต่ -100 ถึง 100 ในเมทริกซ์ 5x5 พลังงานสูงสุดที่คุณสามารถทำได้ก่อนที่มันจะเป็นศูนย์ k
ชาด Brewbaker

2
@YuvalFilmus - ฉันเชื่อว่ามันแตกต่างจากความตาย ให้มิติของการฝึกอบรมจะเป็นเพื่อให้เราเพียงแค่มีตัวเลขและคิดว่า 1 Mortal? ใช่เพราะ0 ทุกผลิตภัณฑ์เท่ากับศูนย์หรือไม่ No: ไม่ได้สินค้า\ ในทางกลับกันถ้าคุณจะมีลำดับที่เป็นทั้งมรรตัยและทุกผลิตภัณฑ์เป็นศูนย์ A 0 = 0 , A 1 = 1 A 0 = 0 1 1 1 A 0 = 0 , A 1 = 01A0=0,A1=1A0=0111A0=0,A1=0
robinson

1
@ChadBrewbaker - ฉันคิดว่ารายการของเมทริกซ์เป็นจำนวนเต็มเท่านั้น ฉันคิดว่าน่าสนใจจากมุมมองของ: คุณต้องใช้การดำเนินการกี่ครั้งเพื่อตรวจสอบว่าเมทริกซ์นั้นไม่มีค่าหรือไม่ โปรดสังเกตว่าถ้าเป็น nilpotent ดังนั้นจึงเป็นเรื่องง่ายที่จะเห็นว่าโดยที่คือมิติของดังนั้นสมมุติว่าคุณสามารถแก้มันได้โดยการหารเมทริกซ์ครั้ง ฉันไม่รู้ว่านี่คือสิ่งที่ดีที่สุดที่คุณสามารถทำได้ A A n = 0 n A บันทึกnk=1AAn=0nAlogn
robinson

1
ที่น่าสนใจนี้เพียงใน: arxiv.org/abs/1306.0729 แทนที่จะถามว่าผลิตภัณฑ์ทั้งหมดเป็นศูนย์หรือไม่พวกเขาถามว่าผลิตภัณฑ์บางอย่างเป็นไปในเชิงบวกหรือไม่ พวกเขาแสดงให้เห็นว่าปัญหาคือปัญหา NP-hard (หรืออย่างน้อยนั่นคือสิ่งที่ฉันรวบรวมจากนามธรรม)
Joshua Grochow

คำตอบ:


17

คำถามของคุณจะเทียบเท่ากับว่าสร้างพีชคณิต nilpotent ซึ่งจะเทียบเท่ากับแต่ละเป็น nilpotent ดังนั้นไม่เพียง แต่จะสามารถถอดรหัสได้ แต่ในเวลาที่คือเลขชี้กำลังของการคูณเมทริกซ์A i ˜ O ( n 2 ω ) ωA1,,AkAiO~(n2ω)ω

ให้เป็นพีชคณิตเชื่อมโยงที่สร้างขึ้นโดย : นั่นคือนำชุดค่าผสมเชิงเส้นทั้งหมดของและผลิตภัณฑ์ จำกัด ทั้งหมดมารวมกัน เรียกว่าnilpotentถ้ามีบางส่วนดังกล่าวว่าผลิตภัณฑ์ของทุกองค์ประกอบของเป็นศูนย์ฉันฉัน N NAAiAiANNA

ก่อนอื่นเรามาดูว่าทำไมสภาพของคุณถึงหมายความว่าไม่มีเหตุผล สิ่งนี้ตามมาจากของ Konig เล็มม่า (ความเป็นปึกแผ่น): ทุกความยาวของบนตัวอักษรสอดคล้องกับผลิตภัณฑ์ของของความยาวในลักษณะที่ชัดเจน พิจารณาอนันต์ -ary ต้นไม้ที่หยั่งรากซึ่งโหนดเป็นธรรมชาติในการติดต่อ bijective กับสตริงมากกว่า\} พิจารณา sub-treeซึ่งประกอบด้วยโหนดเหล่านั้นซึ่งผลิตภัณฑ์ที่เกี่ยวข้องของนั้นไม่ใช่ศูนย์ เล็มม่าของ Konig บอกว่าถ้า n { 1 , , k } A 1 , , A k n k { 1 , , k } T A ฉัน T T N T AAn{1,,k}A1,,Aknk{1,,k}TAiTไม่มีที่สิ้นสุดจากนั้นก็มีเส้นทางที่ไม่มีที่สิ้นสุด (ละเมิดทรัพย์สินของคุณอย่างแน่นอน) ดังนั้นจึงจำกัด จากนั้นเราสามารถใช้จะต้องมีความยาวสูงสุดของสตริงใด ๆ ในTดังนั้นคุณสมบัติของคุณจึงบอกว่าไม่มีความหมายTNTA

สนทนายังเป็นจริงเนื่องจากองค์ประกอบของทุกคือการรวมกันเชิงเส้นของผลิตภัณฑ์ของÄ_iA iAAi

ถัดไปโปรดทราบว่าเป็น subalgebra ของเมทริกซ์และด้วยเหตุนี้จึงเป็นมิติ จำกัด n × nAn×n

ในที่สุด: พีชคณิตเชื่อมโยง จำกัด มิติในลักษณะศูนย์มีพื้นฐานขององค์ประกอบ nilpotent (การเดินทางหรือไม่ - นี่คือส่วนที่ขัดแย้งกับคำตอบของ Yuval) ถ้ามันเป็น nilpotent (ดูเช่นที่นี่ )

ดังนั้นเพื่อแก้ปัญหาของคุณค้นหาพื้นฐานสำหรับพีชคณิตเชื่อมโยงที่สร้างขึ้นโดย (โดยรุ่นเชิงเส้นพีชคณิตของการค้นหาความกว้าง - แรก) และตรวจสอบว่าเมทริกซ์ทุกตัวในพื้นฐานนั้นไม่มีค่า ขอบเขตบนมาจากการแก้ระบบสมการเชิงเส้นในตัวแปรในการค้นหาแบบกว้าง เนื่องจาก BFS ไม่สามารถอยู่ได้นานและเนื่องจากสิ่งเหล่านี้คือเมทริกซ์เพื่อตรวจสอบว่าเมทริกซ์เป็น nilpotent หรือไม่จำเป็นต้องตรวจสอบว่าเท่านั้น˜ O ( n 2 ω ) n 2สลัวAn 2 n × n A A n = 0AiO~(n2ω)n2dimAn2n×nAAn=0


2
คุณคิดว่ามีวิธีที่จะแสดงสิ่งนี้โดยไม่ใช้หลักการทางเลือกใด ๆ หรือไม่ (แม้แต่อันที่อ่อนแอกว่าเลมม่าของKönigซึ่งเทียบเท่ากับ )? ACω
András Salamon

2
@Andras: ฉันจะบอกว่าเป็นคำถามสำหรับ Chris Conidis เขาศึกษาคำถามแบบนั้นในคณิตศาสตร์ย้อนกลับ (คำนวณ) ฉันจะถามเขาและชี้ให้เขาที่นี่
Joshua Grochow

1
@robinson: 1) ใช่ปัญหานั้น decidable จริง ๆ แล้วในเวลาเวลาที่คือเลขชี้กำลังของการคูณเมทริกซ์ สิ่งนี้มาจากการแก้ระบบสมการเชิงเส้นเหนือเมื่อทำการค้นหาพีชคณิตเชิงเส้นแบบกว้างแรก 2) ใช่แนวคิดพื้นฐานของการดูเมทริกซ์เป็นเวกเตอร์ใน (หรือมากกว่าหรือ ) ω Q Q n 2 R CO(n2ω)ωQQn2RC
Joshua Grochow

1
คุณเริ่มต้นด้วยพื้นฐานของ{A} ตอนนี้คุณพยายามที่จะหาเมทริกซ์และเช่นว่าหรือไม่ได้อยู่ในช่วงของ{B} หากคุณประสบความสำเร็จให้เพิ่มผลิตภัณฑ์ลงในและดำเนินการต่อ มิฉะนั้นการคูณเมทริกซ์ใด ๆ ในช่วงของโดยผลิตภัณฑ์ จำกัด ใด ๆ ของการฝึกอบรมในมักจะจบลงในช่วงของ{B} เนื่องจากขนาดของพีชคณิตถูก จำกัด ขอบเขตกระบวนการจึงยุติ (ในขั้นสูงสุดขั้นตอน) B B B B B B B B n 2BAAABBABBABBBABn2
Yuval Filmus

1
@robinson: เลขที่หากพีชคณิตเป็น nilpotent แล้วทุกองค์ประกอบของพีชคณิตเป็น nilpotent ดังนั้นหากคุณพบองค์ประกอบที่ไม่ใช่ nilpotent แล้วพีชคณิตไม่ใช่ nilpotent (และมีผลิตภัณฑ์อนันต์ของเมทริกซ์ของคุณซึ่งไม่เคยเป็นศูนย์)
Joshua Grochow

6

ฉันมีอัลกอริทึมแบบโพลีเวลาสำหรับปัญหานี้ (เป็นปัญหาเล็กน้อย) สำหรับการตรวจสอบว่ารัศมีสเปกตรัมร่วม (JSR) เป็นศูนย์หรือไม่ในปี 2538: http://en.wikipedia.org/wiki/Joint_spectral_radius

เรื่องราวเบื้องหลังอัลกอริธึมมีดังต่อไปนี้: Blondel และ Tsitsiklis กล่าวไว้อย่างผิด ๆ ว่าสำหรับการฝึกอบรมแบบบูลเพื่อตรวจสอบว่า JSR <1 เป็น NP-HARD หรือไม่ สำหรับชุดของการฝึกอบรมจำนวนเต็ม JSR ใด ๆ คืออีเธอร์เป็นศูนย์หรือมากกว่าหรือเท่ากับ 1 ดังนั้นตัวอย่างเคาน์เตอร์ของคำสั่งคืออัลกอริทึมของฉัน (ดู errata ไปยังกระดาษของพวกเขา) หลักจริยธรรม: ปรึกษา Wikipedia ก่อน!


5

คำถามที่คุณถามนั้นเทียบเท่ากับการตัดสินใจว่ารัศมีการเชื่อมต่อสเปกตรัม (JSR) ของชุดเมทริกซ์นั้นน้อยกว่าหนึ่งหรือไม่ ความสามารถในการตัดสินใจของคำถามนี้ยังคงเปิดอยู่ในขณะนี้ (ในทฤษฎีการควบคุมสิ่งนี้เทียบเท่ากับความสามารถในการตัดสินใจได้ของเสถียรภาพของระบบสวิตชิ่งเชิงเส้นภายใต้การเปลี่ยนโดยพลการ)

ตัวแปรของคำถามของคุณต่อไปนี้ทราบว่าไม่สามารถตัดสินใจได้: เนื่องจากชุดเมทริกซ์จตุรัสมีขอบเขต จำกัด ตัดสินใจว่าผลิตภัณฑ์ทั้งหมดยังคงมีขอบเขตหรือไม่ ดูที่นี่

undecidability ซากดังกล่าวข้างต้นที่ถูกต้องแม้ว่าคุณจะมีเพียง 2 เมทริกซ์ขนาด 47x47: ดูที่นี่

ในภาษา JSR คำถามการทดสอบ "คือ JSR " ไม่สามารถตัดสินใจได้ (ดูข้อมูลอ้างอิงด้านบน) แต่การทดสอบความสามารถในการถอดรหัส "คือ JSR < 1หรือไม่" เปิด. คำถามหลังเกี่ยวข้องกับสิ่งที่เรียกว่า"การคาดคะเนความสมเหตุสมผลทางเหตุผล": หากการคาดคะเนความสมเหตุสมผลทางเหตุผลเป็นความจริงคำถามที่คุณถามนั้นจะสามารถตัดสินใจได้1<1

ในที่สุดเว้นแต่ P = NP, JSR ไม่ได้ประมาณในเวลาพหุนาม (ในความหมายที่ชัดเจนที่กำหนดไว้ในบทความนี้ )

ดังนั้นหนึ่งในคำตอบข้างต้นที่อ้างว่าอัลกอริทึมที่มีประสิทธิภาพต้องเป็นเท็จ

ในด้านบวกมีอัลกอริทึมต่าง ๆ (เช่นตามการเขียนโปรแกรม semidefinite) สำหรับการประมาณ JSR อัลกอริทึมที่แตกต่างกันนั้นมาพร้อมกับการรับประกันประสิทธิภาพที่แตกต่างกัน ดูตัวอย่างต่อไปนี้ (ดูหมิ่นโดยตัวเองและเพื่อนร่วมงานของฉัน - แต่ดูอ้างอิงในนั้นด้วย )

ในหลายกรณีพิเศษคำถามที่คุณถามคือเวลาพหุนามตัดสินใจได้ ตัวอย่างเช่นเมื่อการฝึกอบรมมีความสมมาตรหรืออันดับหนึ่งหรือถ้าพวกเขาเดินทาง

สุดท้ายเป็นหนังสือที่ดีในเรื่องที่เป็นดังต่อไปนี้


โปรดอ่านคำแถลงอย่างเป็นทางการของคำถามที่ฉันถาม - มันไม่เทียบเท่ากับการตัดสินใจว่า JSR นั้นน้อยกว่าหนึ่งข้อหรือไม่ บางทีคุณอาจเข้าใจผิดจากชื่อคำถาม ในระยะสั้นฉันถามเกี่ยวกับสินค้าทุกชิ้นที่มีค่าเท่ากับศูนย์ในเวลา จำกัดมากกว่าในแง่ที่ไม่มีอาการ
robinson

2
คำถามที่คุณถามนั้นง่ายกว่ามาก สิ่งต่อไปนี้เทียบเท่า: (i) เงื่อนไขที่คุณกำหนด (ii) ผลิตภัณฑ์ จำกัด ทั้งหมดมี nilpotent (iii) JSR = 0 (iv) ผลิตภัณฑ์ทั้งหมดที่มีความยาว n เป็นศูนย์ (n คือมิติซึ่งเป็นอิสระจากจำนวนของ เมทริกซ์ k) เห็นได้ชัดว่าสภาพสุดท้ายบ่งบอกถึงความสามารถในการตัดสินใจได้และถ้าคุณสามารถตรวจสอบสภาพได้ในเวลาพหุนาม ดูหัวข้อ 2.3.1 ของหนังสือโดย Jungers ที่เชื่อมโยงท้ายโพสต์ของฉัน ฉันขอโทษที่คิดว่าคุณหมายถึงรุ่นที่ไม่มีอาการ (ฉันถูกเข้าใจผิดโดยวลี "ผลิตภัณฑ์ทั้งหมดในที่สุดเท่ากับศูนย์".)
Amir Ali Ahmadi

ในกรณีนี้ @AmirAliAhmadi ไม่ได้รับคำตอบจาก Joshua Grochow?
Suresh Venkat

2
สำหรับฉันแล้วดูเหมือนว่ามันจะมีอัลกอริทึมที่แตกต่างจากที่ฉันมีอยู่ในใจ (อีกครั้งฉันขอโทษที่คิดว่าคำถามคือ "ทำผลิตภัณฑ์ทั้งหมดมาบรรจบกันเป็นศูนย์" (เช่น JSR <1?) ซึ่งเปิดใช้งานการถอดรหัสได้) มีความแตกต่างเล็กน้อยแม้ว่าจะมีคำตอบของโจชัว (1) ในความเท่าเทียมของ (i) - (iv) ในความคิดเห็นก่อนหน้าของฉันฉันไม่คิดว่าจำเป็นต้องใช้เล็มม่าของ Konig (2) ฉันไม่เข้าใจว่าทำไมเขาถึงใช้การผสมเชิงเส้นของเมทริกซ์ (3) ฉันคัดลอกอัลกอริทึมทางเลือกง่ายๆด้านล่างจากส่วน 2.3.1 ของหนังสือโดย Jungers มาที่ Leonid Gurvits
อาเมียร์อาลีอามาดี

4
[ดำเนินการต่อจากด้านบน ... ] ทั้งหมดที่เราต้องตรวจสอบคือผลิตภัณฑ์ทั้งหมดที่มีความยาวเป็นศูนย์ แต่มีเมทริกซ์k nดังกล่าว เพื่อหลีกเลี่ยงนี้กำหนดฝึกอบรมดังต่อไปนี้ซ้ำ: X 0 = ฉัน, X J = Σ k ฉัน= 1 T ฉัน X J - 1ฉัน จากนั้นหนึ่งมีX n = Σ  สินค้ายาว n T เมทริกซ์นี้สามารถคำนวณได้โดยk nnknX0=I, Xj=i=1kAiTXj1AiXn=A product of length nATAknการคูณเมทริกซ์และเป็นศูนย์ถ้าและถ้าผลิตภัณฑ์ทั้งหมดของความยาวเป็นศูนย์ n
อาเมียร์อาลีอามาดี

0

แก้ไข: คำตอบนี้ไม่ถูกต้องขออภัย ข้อผิดพลาดถูกเน้นด้านล่าง อาร์กิวเมนต์ใช้งานได้ถ้าเราได้รับอนุญาตให้เปลี่ยนเมทริกซ์

เราเริ่มต้นด้วยการพิสูจน์บทแทรก

บทแทรก ให้เป็นn × nเมทริกซ์และให้Nเป็นn × nเมทริกซ์กับคนในแนวทแยงรอง หากN ตันและไม่มีเสื้อเป็น nilpotent สำหรับทุกเสื้อ0แล้ว= 0 ข้อสรุปที่ถูกต้อง: Aคือสามเหลี่ยมด้านบนที่มีเลขศูนย์บนเส้นทแยงมุม (ข้อสรุปดั้งเดิมจะได้รับการกู้คืนหากเราได้รับอนุญาตให้คูณด้วยอำนาจของการเปลี่ยนตำแหน่งของN )An×nNn×nANtNtAt0A=0AN

พิสูจน์ สมมติว่าตัวอย่างนั้นและเขียน A = ( a b c d e f g h i ) ,n=3 เราเริ่มต้นด้วยการคำนวณ N 2 : N 2 = ( 0 0 0 0 d 0 0 กรัม ) เมทริกซ์นี้อยู่ในรูปสามเหลี่ยมและดังนั้นหาก N 2เป็น nilpotent แล้วกรัม= 0 ดำเนินการต่อด้วย A N 1 : A N 1 = ( 0

A=(abcdefghi),N=(010001000).
AN2
AN2=(00a00d00g).
AN2g=0AN1 อีกครั้งเมทริกซ์อยู่ในรูปสามเหลี่ยมและดังนั้นหากN1เป็น nilpotent แล้วd=H=0 อย่างต่อเนื่อง N0=(0 0 0 ฉัน ) เมื่อก่อนเราสรุปได้ว่าa=e
AN1=(0ab0de0gh)=(0ab0de00h).
AN1d=h=0
AN0=(abc0ef00i).
ดังนั้น Aคือสามเหลี่ยมด้านบนที่มีเลขศูนย์บนเส้นทแยงมุมa=e=i=0A

หากเราพิจารณาแทนเราจะสรุปได้ว่าAเป็นรูปสามเหลี่ยมที่ต่ำกว่าที่มีเลขศูนย์ในแนวทแยงมุม ในความเป็นจริงเราไม่ได้รับอะไรใหม่จากการพิจารณาN เสื้อ ดังนั้น= 0 N2A,N1A,N0AANtAA=0

A1,,Aki1,[k]Ai1Aim=0mAiA1A2A2A1A1V1VtViA1A2A2A1dimVi>10ViA1=NA20t0A2A1tA1tA2

โดยสรุปคุณสมบัติ P ถือ iff เมทริกซ์ทั้งหมดเป็นค่าลบและทุกค่าเดินทาง


4
N2Ag=0N1Ad=h=0N0Aa=e=i=0AA

แน่นอนคำตอบนี้ไม่ถูกต้อง หากไม่มีใครทำฉันจะโพสต์ตัวอย่างที่เคาน์เตอร์ทั้งบทแทรกและการยืนยันขั้นสุดท้ายเมื่อฉันกลับถึงบ้านในวันนี้
robinson

5
ตามปกติคือเมื่อมีการอ้างสิทธิ์ แต่ไม่ได้พิสูจน์ว่าการพิสูจน์ล้มเหลว โอ้ดี ...
Yuval Filmus

1
A0=(010001000),A1=(011000000)
โดยการใช้ไซต์ของเรา หมายความว่าคุณได้อ่านและทำความเข้าใจนโยบายคุกกี้และนโยบายความเป็นส่วนตัวของเราแล้ว
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.