Золотой билет. P, NP и границы возможного - Лэнс Фортноу

В 1928 году выдающийся немецкий математик Давид Гильберт сформулировал свою знаменитую проблему разрешимости – Entscheidungsproblem: существует ли универсальный алгоритм, который для любого математического утверждения определяет, истинно оно или ложно? В 1931 году Курт Гёдель показал, что некоторые утверждения невозможно доказать или опровергнуть ни в одной системе аксиом; спустя несколько лет вдохновленные его результатами Алонзо Чёрч и Алан Тьюринг независимо друг от друга доказали, что универсального алгоритма не существует.

Допустим, у нас есть некое математическое утверждение и нам требуется найти относительно короткое доказательство, которое, к примеру, уместилось бы в тоненькой книжке. Эта задача лежит в классе NP, поскольку оценить длину уже имеющегося доказательства легко, а создать его совсем не просто; будь у нас на руках все возможные доказательства, мы нашли бы искомое обычным перебором. Вот почему математики, которым удалось придумать какое-нибудь хитрое доказательство, становятся знаменитыми.

Определить условия истинности логического выражения тоже иногда бывает очень трудно, даже если выражение это не слишком сложное. Из данной проблемы выросла целая теория, связавшая вместе большинство NP-задач; подробнее мы познакомимся с ней в следующей главе.

Рис. 3.18. Обход додекаэдра

В 1970 году Том Хал, глава факультета информатики Университета Торонто, загорелся идеей переманить к себе Стивена Кука, которому не хотели давать постоянное место в Калифорнийском университете в Беркли. Зная любовь Кука к парусному спорту, Хал отвез его на озеро Онтарио: он хотел доказать, что в окрестностях Торонто ходить под парусом почти так же приятно, как и в заливе Сан-Франциско. Хитрость удалась, и осенью 1970 года Кук пополнил ряды специалистов Торонтского университета. Со стороны Хала это был блестящий ход, поскольку в скором времени Кук прославился на весь мир и стал самым известным канадским ученым в области теории вычислений.

Кук проводил исследования на стыке математической логики и теоретической информатики. Той осенью он отправил одну из своих работ на рассмотрение комиссии III Международного симпозиума по теории вычислений (Symposium on the Theory of Computing, сокращенно – STOC), проводимого Ассоциацией вычислительной техники. Симпозиум должен был состояться в мае 1971 года. В статье Кука содержались результаты, полученные им задолго до того и не вызвавшие в свое время ажиотажа. Исследования ученого заинтересовали комиссию, и заявку приняли. К началу конференции Кук почти все переделал; в новой статье, которая называлась The Complexity of Theorem-Proving Procedures, он впервые сформулировал проблему равенства классов P и NP и тем самым полностью изменил ход истории.

Чтобы лучше понять результаты Кука, вернемся к рассмотренной в предыдущей главе задаче о клике. Как вы помните, кликой мы называем группу жителей Королевства, в которой все дружат между собой. На представленной ниже схеме дружеских связей Алекс, Кэти и Эрик образуют клику, а вот Алекс, Дэвид и Эрик – нет, поскольку Алекс не дружит с Дэвидом.

Рис. 4.1. Задача о клике

Мы уже знаем, что в Королевстве есть полусекретное и довольно многочисленное сообщество «Альфа». «Альфовцы» утверждают, что все они дружат между собой, т. е. образуют гигантскую клику. Если это действительно так, то какие сведения можно почерпнуть о них из приведенной выше схемы? Теоретически каждый из пяти может входить в «Альфу». Нельзя исключить вероятность того, что Алекс или Дэвид входят в сообщество, однако они не могут быть там одновременно, поскольку дружбы между ними нет; значит, один из них в сообщество точно не входит. Запишем этот вывод в виде логического выражения:

Алекс не в «Альфе» ИЛИ Дэвид не в «Альфе».

«ИЛИ» здесь не исключающее: возможен вариант, при котором ни Алекс, ни Дэвид не входят в сообщество. Алекс и Барбара тоже враждуют, а следовательно – не могут оба входить в «Альфу». Запишем и это:

Алекс не в «Альфе» ИЛИ Барбара не в «Альфе».

Оба утверждения должны выполняться одновременно, а значит, мы имеем:

(Алекс не в «Альфе» ИЛИ Дэвид не в «Альфе»)

И

(Алекс не в «Альфе» ИЛИ Барбара не в «Альфе»).

Барбара и Дэвид – друзья, поэтому они вполне могут одновременно входить в «Альфу», и построенное нами выражение такой возможности не исключает. Проанализировав всю схему, мы в итоге получим следующее выражение:

(Алекс не в «Альфе» ИЛИ Дэвид не в «Альфе») И (Алекс не в «Альфе» ИЛИ Барбара не в «Альфе») И (Дэвид не в «Альфе» ИЛИ Кэти не в «Альфе») И (Кэти не в «Альфе» ИЛИ Барбара не в «Альфе»).

Допустим, Алекс, Кэти и Эрик принадлежат сообществу, а Барбара и Дэвид – нет; тогда наше выражение истинно, так как в каждом условии «ИЛИ» упоминается кто-то, кто в «Альфу» не входит. Теперь предположим, что сообществу принадлежат Алекс, Дэвид и Эрик. Тогда условие (Алекс не в «Альфе» ИЛИ Дэвид не в «Альфе») не выполняется, поскольку и Алекс, и Дэвид входят в сообщество, а значит – ложно и все выражение.

Наше выражение будет истинно только в том случае, когда все «альфовцы» действительно дружат между собой; с помощью подобных выражений клики отлавливаются очень легко.

Аналогичную конструкцию можно составить и для всех 20 тысяч жителей Королевства. В результате получится огромное, содержащее несколько миллионов символов выражение – впрочем, не настолько длинное, чтобы не уместиться в компьютер. Для краткости обозначим его буквой Φ. Очевидно, что Φ будет истинно только тогда, когда «альфовцы» в самом деле образуют клику.