Algorithms-Exercise 8.3 Proof

本文探讨了STINGYSAT问题,这是一种特殊的可满足性问题,要求在给定的子句集中找到一个最多只有k个变量为真的可满足赋值。文章首先介绍了数理逻辑的基础概念,然后详细阐述了如何通过归约SAT问题来证明STINGYSAT是NP完全的。

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Algorithms-Exercise 8.3 Proof

STINGY SAT is the following problem: given a set of clauses (each a disjunction of literals) and an integer , find a satisfying assignment in which at most k variables are true, if such an assignment exists. Prove that STINGY SAT is NP-complete.

题目

STINGY SAT 是这样的一种问题:给定一系列的子句(clause),另外还有一个整数k,要求找到一组包含最多k个变量(variable)为真值(true)的可满足的赋值(satisfying assignment)。

前导知识

我们先介绍几个知识点。

数理逻辑

在数理逻辑里面,有几个名词:
- 变量(variable):比如 x,y,z
- 文字(literal):变量或者变量的非,比如x,x¯,y,y¯,z,z¯
- 子句(clause):由文字(literal)之间的析取(disjunction)构成,比如(xyz),(x¯yz)
- 公式(formula):由子句之间的合取构成,如(xyz)(x¯yz)

SAT

SAT(satisfiability)问题是指为一个公式找到一组变量的赋值,使得公式的值为真值。也就是说,令公式的每个子句的值都为真值。

NP

NP(Nondeterministic Polynomial)表示一类能在多项式时间内,用非确定性算法解决的判定问题(“猜测”+“验证”)。

人们把NP类的问题中分出复杂性最高的一个子类,把它叫做NP完全类(NP-Complete)。我们知道SAT问题是NP完全的。

证明

我们要证明STINGY SAT 是一个NP完全的问题的话,首先要说明它是一个NP问题。显然地,存在一种非确定性算法,为少于或等于k个变量赋真值,从而检验公式的值是否为真。

下面我们想证明可以把SAT规约到STINGY SAT。

假设SAT的公式是f,其中包含k个变量,同时我们也假设STINGY SAT的公式也是f,规定地整数是k。我们要证明一组变量的赋值S是此SAT问题的解当且仅当S也是此STINGY SAT的解。

充分条件证明

假如一组变量的赋值S是关于k个变量的f公式的SAT问题的解,那么这组解里面一定最多只能有k个变量被赋值为true。这样地解也可以满足STINGY SAT问题,充分条件得证。

必要条件证明

假如一组变量的赋值S是关于f公式,其中最多k个变量被赋值为true的STINGY SAT问题的解,那么很显然地,S可以满足f公式,即S是关于k个变量的f公式的SAT问题的解,必要条件得证。

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