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计算机科学 > 计算复杂性

arXiv:2507.15511 (cs)
[提交于 2025年7月21日 (v1) ,最后修订 2025年8月4日 (此版本, v4)]

标题: 证书敏感子集和:实现实例复杂性

标题: Certificate-Sensitive Subset Sum: Realizing Instance Complexity

Authors:Jesus Salas
摘要: 我们据知,这是首个针对规范NP完全问题的确定性、证书敏感算法,其运行时间可证明地适应每个输入的结构。 对于一个子集和实例$(S, t)$,令$\Sigma(S)$表示不同的子集和的集合,并定义$U = |\Sigma(S)|$。 这个集合作为信息理论意义上的最小见证,即实例复杂度(IC)证书。 我们的求解器 IC-SubsetSum 以确定性时间$O(U \cdot n^2)$和空间$O(U \cdot n)$枚举$\Sigma(S)$的每一个元素。 一种随机变体实现了期望运行时间$O(U \cdot n)$。 该算法的复杂度因此直接由证书大小决定,这种结构敏感性能与一个保证的最坏情况运行时间$O^*(2^{n/2 - \varepsilon})$相匹配,对于某个常数$\varepsilon > 0$,这是首次在每个实例上严格优于经典方法的结果。 我们重新审视依赖于子集和问题的经典$2^{n/2}$硬度的细粒度归约,并表明这些论证仅在$U$最大化的无冲突实例中成立。 IC-SubsetSum从结构上重新提出了这一障碍,并为NP完全问题中的证书敏感算法引入了一个新范式。
摘要: We present, to our knowledge, the first deterministic, certificate-sensitive algorithm for a canonical NP-complete problem whose runtime provably adapts to the structure of each input. For a Subset-Sum instance $(S, t)$, let $\Sigma(S)$ denote the set of distinct subset sums and define $U = |\Sigma(S)|$. This set serves as an information-theoretically minimal witness, the instance-complexity (IC) certificate. Our solver, IC-SubsetSum, enumerates every element of $\Sigma(S)$ in deterministic time $O(U \cdot n^2)$ and space $O(U \cdot n)$. A randomized variant achieves expected runtime $O(U \cdot n)$. The algorithm's complexity is thus directly governed by the certificate size, and this structure-sensitive performance is paired with a guaranteed worst-case runtime of $O^*(2^{n/2 - \varepsilon})$ for some constant $\varepsilon > 0$, the first such result to strictly outperform classical methods on every instance. We revisit fine-grained reductions that rely on the classical $2^{n/2}$ hardness of SubsetSum and show that these arguments hold only for collision-free instances where $U$ is maximal. IC-SubsetSum reframes this barrier structurally and introduces a new paradigm for certificate-sensitive algorithms across NP-complete problems.
评论: 15页+附录。arXiv:2503.20162的配套材料(“超越最坏情况的子集和问题:一种具有次2^{n/2}枚举的自适应、结构感知求解器”)
主题: 计算复杂性 (cs.CC) ; 数据结构与算法 (cs.DS)
ACM 类: F.1.3; F.2.2
引用方式: arXiv:2507.15511 [cs.CC]
  (或者 arXiv:2507.15511v4 [cs.CC] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2507.15511
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

提交历史

来自: Jesus Salas [查看电子邮件]
[v1] 星期一, 2025 年 7 月 21 日 11:26:38 UTC (25 KB)
[v2] 星期四, 2025 年 7 月 24 日 14:54:46 UTC (25 KB)
[v3] 星期五, 2025 年 7 月 25 日 10:10:15 UTC (25 KB)
[v4] 星期一, 2025 年 8 月 4 日 14:06:52 UTC (27 KB)
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