We study the computational complexity of multi-stage robust optimization problems. Such problems are formulated with alternating min/max quantifiers and therefore naturally fall into a higher stage of the polynomial hierarchy. Despite this, almost no hardness results with respect to the polynomial hierarchy are known. In this work, we examine the hardness of robust two-stage adjustable and robust recoverable optimization with budgeted uncertainty sets. Our main technical contribution is the introduction of a technique tailored to prove $\Sigma^p_3$-hardness of such problems. We highlight a difference between continuous and discrete budgeted uncertainty: In the discrete case, indeed a wide range of problems becomes complete for the third stage of the polynomial hierarchy; in particular, this applies to the TSP, independent set, and vertex cover problems. However, in the continuous case this does not happen and problems remain in the first stage of the hierarchy. Finally, if we allow the uncertainty to not only affect the objective, but also multiple constraints, then this distinction disappears and even in the continuous case we encounter hardness for the third stage of the hierarchy. This shows that even robust problems which are already NP-complete can still exhibit a significant computational difference between column-wise and row-wise uncertainty.


翻译:我们研究了多阶段鲁棒优化问题的计算复杂度。这些问题是通过交替的量化器最小/最大值来构建的,因此自然地属于多项式层次结构的更高级别。尽管如此,几乎没有关于多项式层次结构难度的硬度结果是已知的。在这项工作中,我们研究了具有预算不确定性集合的鲁棒二阶段可调和鲁棒恢复优化的困难性。我们的主要技术贡献是引入了一种旨在证明此类问题 $\Sigma^p_3$-困难性的技术。我们强调连续和离散预算不确定性之间的差异:在离散情况下,许多问题变得 $\Sigma^p_3$ 完全;特别地,这适用于旅行商问题、独立集问题和顶点覆盖问题。然而,在连续情况下,这种情况并不发生,问题仍然属于多项式层次结构的第一级别。最后,如果我们允许不确定性不仅影响目标,而且影响多个约束条件,那么这种区别消失了,即使在连续情况下,我们也会遇到多项式层次结构第三级别的困难性。这表明即使是已经 NP-完全的鲁棒问题仍然可以在列向和行向不确定性之间显示出显著的计算差异。

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