We consider semigroup algorithmic problems in the Special Affine group $\mathsf{SA}(2, \mathbb{Z}) = \mathbb{Z}^2 \rtimes \mathsf{SL}(2, \mathbb{Z})$, which is the group of affine transformations of the lattice $\mathbb{Z}^2$ that preserve orientation. Our paper focuses on two decision problems introduced by Choffrut and Karhum\"{a}ki (2005): the Identity Problem (does a semigroup contain a neutral element?) and the Group Problem (is a semigroup a group?) for finitely generated sub-semigroups of $\mathsf{SA}(2, \mathbb{Z})$. We show that both problems are decidable and NP-complete. Since $\mathsf{SL}(2, \mathbb{Z}) \leq \mathsf{SA}(2, \mathbb{Z}) \leq \mathsf{SL}(3, \mathbb{Z})$, our result extends that of Bell, Hirvensalo and Potapov (SODA 2017) on the NP-completeness of both problems in $\mathsf{SL}(2, \mathbb{Z})$, and contributes a first step towards the open problems in $\mathsf{SL}(3, \mathbb{Z})$.


翻译:我们考虑特殊仿射群$\mathsf{SA}(2, \mathbb{Z}) = \mathbb{Z}^2 \rtimes \mathsf{SL}(2, \mathbb{Z})$中的半群算法问题,该半群是保持方向的格$\mathbb{Z}^2$的仿射变换群。本文重点研究了Choffrut和Karhum\"{a}ki(2005)提出的两个决策问题:恒等问题(半群中是否包含一个中性元素?)和群问题(半群是否为群?)特别是针对$\mathsf{SA}(2, \mathbb{Z})$中的有限生成子半群。我们证明了这两个问题是可判定的并且是NP完全的。由于$\mathsf{SL}(2, \mathbb{Z}) \leq \mathsf{SA}(2, \mathbb{Z}) \leq \mathsf{SL}(3, \mathbb{Z})$,我们的结果扩展了Bell,Hirvensalo和Potapov(SODA 2017)关于$\mathsf{SL}(2, \mathbb{Z})$中这两个问题的NP完全性的结果,并为解决$\mathsf{SL}(3, \mathbb{Z})$中的开放式问题迈出了第一步。

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