We develop a new semi-algebraic proof system called Stabbing Planes which formalizes modern branch-and-cut algorithms for integer programming and is in the style of DPLL-based modern SAT solvers. As with DPLL there is only a single rule: the current polytope can be subdivided by branching on an inequality and its "integer negation." That is, we can (nondeterministically choose) a hyperplane $ax \geq b$ with integer coefficients, which partitions the polytope into three pieces: the points in the polytope satisfying $ax \geq b$, the points satisfying $ax \leq b-1$, and the middle slab $b - 1 < ax < b$. Since the middle slab contains no integer points it can be safely discarded, and the algorithm proceeds recursively on the other two branches. Each path terminates when the current polytope is empty, which is polynomial-time checkable. Among our results, we show that Stabbing Planes can efficiently simulate the Cutting Planes proof system, and is equivalent to a tree-like variant of the RCP system of [Krajicek98]. As well, we show that it possesses short proofs of the canonical family of systems of $\mathbb{F}_2$-linear equations known as the Tseitin formulas. Finally, we prove linear lower bounds on the rank of Stabbing Planes refutations by adapting lower bounds in communication complexity and use these bounds in order to show that Stabbing Planes proofs cannot be balanced. In doing so, we show that real communication protocols cannot be balanced and establish the first lower bound on the real communication complexity of the set disjointness function.


翻译:刺入平面 我们开发了一种名为“刺入平面”的新型半代数证明系统,该系统有形式化现代整数规划分支割平算法以及基于DPLL的现代SAT求解器的风格。与DPLL一样,只有一个规则:当前的多面体可以通过在一条不等式及其“整数否定”上分支来划分。也就是说,我们可以(不是确定性地选择)具有整数系数的超平面$ax \geq b$,它将多面体分为三个部分:满足 $ax \geq b$的多面体中的点,满足$ax \leq b-1$的点和中间平面$bx < ax < b-1$。由于中间平面不包含整数点,因此可以安全地丢弃它,并且算法在其他两个分支上递归进行。每条路径在当前多面体为空时终止,这可以在多项式时间内检查。在我们的结果中,我们证明了Stabbing Planes可以有效地模拟割平证明系统,与[Krajicek98]的树状变体的RCP系统等效。此外,我们证明了它具有Tseitin公式的规范系统的短证明。最后,我们通过使用通信复杂性的下界来证明了Stabbing Planes证明的秩具有线性下界,并将这些下界用于表明Stabbing Planes证明无法平衡。在这样做的过程中,我们证明了真正的通信协议不能平衡,并建立了关于集合不相交函数的真实通信复杂性的第一个下界。

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