We prove new upper and lower bounds on the number of iterations the $k$-dimensional Weisfeiler-Leman algorithm ($k$-WL) requires until stabilization. For $k \geq 3$, we show that $k$-WL stabilizes after at most $O(kn^{k-1}\log n)$ iterations (where $n$ denotes the number of vertices of the input structures), obtaining the first improvement over the trivial upper bound of $n^{k}-1$ and extending a previous upper bound of $O(n \log n)$ for $k=2$ [Lichter et al., LICS 2019]. We complement our upper bounds by constructing $k$-ary relational structures on which $k$-WL requires at least $n^{\Omega(k)}$ iterations to stabilize. This improves over a previous lower bound of $n^{\Omega(k / \log k)}$ [Berkholz, Nordstr\"{o}m, LICS 2016]. We also investigate tradeoffs between the dimension and the iteration number of WL, and show that $d$-WL, where $d = \lceil\frac{3(k+1)}{2}\rceil$, can simulate the $k$-WL algorithm using only $O(k^2 \cdot n^{\lfloor k/2\rfloor + 1} \log n)$ many iterations, but still requires at least $n^{\Omega(k)}$ iterations for any $d$ (that is sufficiently smaller than $n$). The number of iterations required by $k$-WL to distinguish two structures corresponds to the quantifier rank of a sentence distinguishing them in the $(k + 1)$-variable fragment $C_{k+1}$ of first-order logic with counting quantifiers. Hence, our results also imply new upper and lower bounds on the quantifier rank required in the logic $C_{k+1}$, as well as tradeoffs between variable number and quantifier rank.


翻译:对于美元=Geq 3美元,我们显示,美元=WL在最大值为O(kn ⁇ k-1 ⁇ glog n) 的迭代后会稳定下来(美元表示输入结构的顶点数量),比小的顶端 $@k}-1美元(美元)得到第一次改进,比前一个上端(n ⁇ k) 美元(美元) 更小的上限(美元) 为1美元(美元) 美元(美元) 。 对于美元(美元) 3美元(美元) 美元(美元),我们显示,美元(美元) 在最大值(美元) 下方(美元) 平价(美元) 下方(k) -1美元(k) 美元(美元) 上值(美元) 上下方(美元) 上方(美元) 上下方(美元) 上下方(美元) 上下方(美元) 上下方(美元) 上方(美元) 上下方(美元) 美元(美元) 上下方(美元) 上方(美元) 下方(美元) 下方(美元) 下方(美元) 下方(美元) (美元) 下方(美元) (美元) 下方) (美元) 下方) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (下方) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (上下方) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (美元) (上下方) (美元) (美元) (

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