We show fully polynomial time randomized approximation schemes (FPRAS) for counting matchings of a given size, or more generally sampling/counting monomer-dimer systems in planar, not-necessarily-bipartite, graphs. While perfect matchings on planar graphs can be counted exactly in polynomial time, counting non-perfect matchings was shown by [Jer87] to be #P-hard, who also raised the question of whether efficient approximate counting is possible. We answer this affirmatively by showing that the multi-site Glauber dynamics on the set of monomers in a monomer-dimer system always mixes rapidly, and that this dynamics can be implemented efficiently on downward-closed families of graphs where counting perfect matchings is tractable. As further applications of our results, we show how to sample efficiently using multi-site Glauber dynamics from partition-constrained strongly Rayleigh distributions, and nonsymmetric determinantal point processes. In order to analyze mixing properties of the multi-site Glauber dynamics, we establish two notions for generating polynomials of discrete set-valued distributions: sector-stability and fractional log-concavity. These notions generalize well-studied properties like real-stability and log-concavity, but unlike them robustly degrade under useful transformations applied to the distribution. We relate these notions to pairwise correlations in the underlying distribution and the notion of spectral independence introduced by [ALO20], providing a new tool for establishing spectral independence based on geometry of polynomials. As a byproduct of our techniques, we show that polynomials avoiding roots in a sector of the complex plane must satisfy what we call fractional log-concavity; this extends a classic result established by [Gar59] who showed homogeneous polynomials that have no roots in a half-plane must be log-concave over the positive orthant.


翻译:我们在平面图中显示完全的多元时间随机近似方案( FPRRAS ), 用于计算给定大小的匹配值, 或更一般的取样/ 计算单体二元系统中的匹配值。 虽然平面图上的完美匹配值可以精确地计算在多元时间里进行计算, 但 [Jer87] 显示的不完美的匹配值是 #P-hard 显示的是 # P- 硬, 这也提出了有效近似计的可能性。 我们肯定地回答这个答案, 显示在单面二元系统中, 软基数系统中的多点Grauber 动态总是快速混合, 并且这种动态可以在离层图中有效执行。 作为我们结果的进一步应用, 我们展示了如何使用多点色调分布的多点匹配率, 以及非对称的确定点进程。 为了分析基于多点的易变色调动态的混合性, 我们为在直基流的直流分布中生成了两个应用的基数性基数, 在直流的直径直径直值分布系统中, 直径直径直径直的直径直径直径对的对数分析系统对数分析结果。

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