Two directions in algorithms and complexity involve: (1) classifying which optimization problems can be solved in polynomial time, and (2) understanding which computational problems are hard to solve \emph{on average} in addition to the worst case. For many average-case problems, there does not currently exist strong evidence via reductions that they are hard. However, we can still attempt to predict their polynomial time tractability by proving lower bounds against restricted classes of algorithms. Geometric approaches to predicting tractability typically study the \emph{optimization landscape}. For optimization problems with random objectives or constraints, ideas originating in statistical physics suggest we should study the \emph{overlap} between approximately-optimal solutions. Formally, properties of \emph{Gibbs measures} and the \emph{Franz--Parisi potential} imply lower bounds against natural local search algorithms, such as Langevin dynamics. A related theory, the \emph{Overlap Gap Property (OGP)}, proves rigorous lower bounds against classes of algorithms which are stable functions of their input. A remarkable recent work of Li and Schramm showed that the shortest path problem in random graphs admits lower bounds against a class of stable algorithms, via the OGP. Yet this problem is polynomial time tractable. We further investigate this. We find that both the OGP and the Franz--Parisi potential predict that: (1) local search will fail in the optimization landscape of shortest paths, but (2) local search should succeed in the optimization landscape for shortest path \emph{trees}, which is true. Using the Franz--Parisi potential, we explain an analogy with results from combinatorial optimization -- submodular minimization is tractable via local search on the Lovász extension, even though ``naive'' local search over sets or the multilinear extension provably fails.


翻译:算法与复杂性研究的两个方向涉及:(1) 分类哪些优化问题可在多项式时间内求解;(2) 理解哪些计算问题除最坏情况外,在平均情况下也难以求解。对于许多平均情况问题,目前尚缺乏通过规约证明其困难性的强有力证据。然而,我们仍可通过证明对受限算法类的下界来预测其多项式时间可解性。预测可解性的几何方法通常研究优化景观。对于具有随机目标或约束的优化问题,源自统计物理学的思想表明应研究近似最优解之间的重叠。形式上,吉布斯测度与Franz–Parisi势的性质可推导出对自然局部搜索算法(如朗之万动力学)的下界。相关理论——重叠间隙性质(OGP)——可严格证明对输入稳定函数算法类的下界。Li与Schramm近期的一项杰出工作表明,随机图中的最短路径问题通过OGP可导出对一类稳定算法的下界,但该问题本身是多项式时间可解的。我们对此展开进一步研究。发现OGP与Franz–Parisi势均预测:(1) 局部搜索在最短路径的优化景观中将失败;(2) 局部搜索在最短路径树的优化景观中应成功——这一预测成立。借助Franz–Parisi势,我们阐释了与组合优化结果的类比:子模最小化可通过Lovász扩展上的局部搜索求解,而“朴素”的集合或多线性扩展上的局部搜索被证明会失败。

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