The complexity class $\bf{\Sigma^P_2}$ comprises problems based on polynomial-time checkable binary relations $\phi(x,y)$ in which we ask whether there exists $x$ such that for all $y$, $\phi(x,y)$ holds. We let $\bf{U\Sigma^P_2}$ denote the subclass of unambiguous problems in $\bf{\Sigma^P_2}$, namely those whose yes-instances correspond with a unique choice of $x$. $\bf{U\Sigma^P_2}$ is unlikely to have complete problems, but we identify various syntactic subclasses associated with general properties of $\phi$ that guarantee uniqueness. We use these to classify the complexity of problems arising in social choice and game theory, such as existence of (1) a dominating strategy in a game, (2) a Condorcet winner, (3) a strongly popular partition in hedonic games, and (4) a winner (source) in a tournament. We classify these problems, showing the first is $\bf{\Delta^P_2}$-complete, the second and third are complete for a class we term $\bf{PCW}$ (Polynomial Condorcet Winner), and the fourth for a class we term $\bf{PTW}$ (Polynomial Tournament Winner). We define another unambiguous class, $\bf{PMA}$ (Polynomial Majority Argument), seemingly incomparable to $\bf{PTW}$ and $\bf{PCW}$. We show that with randomization, $\bf{PCW}$ and $\bf{PTW}$ coincide with $\bf{\Delta^P_2}$, and $\bf{PMA}$ is contained in $\bf{\Delta^P_2}$. Specifically, we prove: $\bf{\Delta^P_2} \subseteq \bf{PCW} \subseteq \bf{PTW} \subseteq \bf{S^P_2}$, and $\bf{coNP} \subseteq \bf{PMA} \subseteq \bf{S^P_2}$ (and it is known that $\bf{S^P_2}\subseteq \bf{ZPP^{NP}} \subseteq \bf{\Sigma^P_2} \cap \bf{\Pi^P_2}$). We demonstrate that unambiguity can substantially reduce computational complexity by considering ambiguous variants of our problems, and showing they are $\bf{\Sigma^P_2}$-complete. Finally, we study the unambiguous problem of finding a weakly dominant strategy in a game, which seems not to lie in $\bf{\Sigma^P_2}$.


翻译:复杂性类 $\bf{\Sigma^P_2}$ 包含基于多项式时间可验证二元关系 $\phi(x,y)$ 的问题,其中我们询问是否存在 $x$ 使得对所有 $y$,$\phi(x,y)$ 成立。我们用 $\bf{U\Sigma^P_2}$ 表示 $\bf{\Sigma^P_2}$ 中无歧义问题的子类,即那些肯定实例对应于唯一 $x$ 选择的问题。$\bf{U\Sigma^P_2}$ 不太可能存在完全问题,但我们识别了与 $\phi$ 的一般性质相关的各种语法子类,这些性质保证了唯一性。我们利用这些子类对社会选择和博弈论中出现的问题进行复杂性分类,例如(1)博弈中占优策略的存在性,(2)孔多塞胜者的存在性,(3)享乐博弈中强受欢迎划分的存在性,以及(4)锦标赛中胜者(源)的存在性。我们对这些问题进行分类,表明第一个问题是 $\bf{\Delta^P_2}$-完全的,第二个和第三个问题对于我们称为 $\bf{PCW}$(多项式孔多塞胜者)的类是完全的,第四个问题对于我们称为 $\bf{PTW}$(多项式锦标赛胜者)的类是完全的。我们定义了另一个无歧义类 $\bf{PMA}$(多项式多数论证),它似乎与 $\bf{PTW}$ 和 $\bf{PCW}$ 不可比较。我们证明,通过随机化,$\bf{PCW}$ 和 $\bf{PTW}$ 与 $\bf{\Delta^P_2}$ 重合,并且 $\bf{PMA}$ 包含于 $\bf{\Delta^P_2}$ 中。具体来说,我们证明:$\bf{\Delta^P_2} \subseteq \bf{PCW} \subseteq \bf{PTW} \subseteq \bf{S^P_2}$,且 $\bf{coNP} \subseteq \bf{PMA} \subseteq \bf{S^P_2}$(已知 $\bf{S^P_2}\subseteq \bf{ZPP^{NP}} \subseteq \bf{\Sigma^P_2} \cap \bf{\Pi^P_2}$)。通过考虑我们问题的有歧义变体并证明它们是 $\bf{\Sigma^P_2}$-完全的,我们论证了无歧义性可以显著降低计算复杂性。最后,我们研究了在博弈中寻找弱占优策略这一无歧义问题,它似乎不属于 $\bf{\Sigma^P_2}$。

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