Il modo migliore per determinare la dimensione minima di una struttura dati solo le distanze tra i punti


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Mi sono imbattuto in questo problema in un'area della fisica abbastanza lontana dall'informatica, ma sembra il tipo di domanda che è stata studiata in CS, quindi ho pensato di provare la mia fortuna a chiederlo qui.

Immagina di avere una serie di punti e un elenco di alcune delle distanze tra i punti . Qual è il modo più efficiente per determinare la dimensionalità minima dello spazio in cui è necessario incorporare questi punti? In altre parole, qual è il più piccolo in modo tale che esista un insieme di punti in soddisfi i vincoli di distanza . Sarei altrettanto contento di una risposta per , ma questo sembra più difficile.{vi}i=1ndijkRkdijCk

Sono felice di dire che le distanze devono corrispondere a solo entro una certa precisione costante e di avere i punti limitati ai punti su un reticolo di spaziatura costante, al fine di evitare problemi di calcolo con i reali.dijϵ

In effetti, sarei abbastanza contento di una soluzione per la versione decisionale di questo problema, in cui dato e ti viene chiesto se esiste un tale insieme di vertici . Fondamentalmente il problema è in NP, dato che dato un insieme di punti in è facile verificare che soddisfino i requisiti di distanza, ma sembra che ci dovrebbero essere algoritmi temporali sub-esponenziali per questo particolare problema.dijk{vi}Rk

L'approccio più ovvio sembra essere quello di provare a costruire strutture -dimensionali in modo iterativo, aggiungendo ulteriori punti uno alla volta e determinando se è necessario aggiungere o meno una nuova dimensione spaziale ad ogni iterazione. Il problema è che sembra che tu possa imbatterti in ambiguità in cui esiste più di un modo per aggiungere un punto alla struttura esistente, e non è chiaro quale porterà a meno dimensioni mentre continui ad aggiungere più punti.k

Infine, lasciatemi dire che so che è facile creare elenchi di distanze che non possono essere soddisfatte in nessun numero di dimensioni (cioè quelle che violano la disuguaglianza del triangolo). Tuttavia, per i casi a cui tengo, ci sarà sempre un numero finito minimo di dimensioni in cui è possibile trovare una serie soddisfacente di punti.


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Presumo che tu voglia un incorporamento in ? 2
Suresh Venkat,

@Suresh: Sì, scusa, volevo aggiungere questo.
Joe Fitzsimons,

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Qual è l'area della fisica da dove viene, tra l'altro?
Vinayak Pathak,

@Vinayak: l'ho appena scoperto quando ho provato a calcolare qualcosa nella meccanica quantistica.
Joe Fitzsimons,

Risposte:


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Questo problema è talvolta chiamato il completamento della matrice di distanza euclidea a bassa dimensione o l'incorporamento euclideo a bassa dimensione di un grafico ponderato.

Saxe [Sax79] e Yemini [Yem79] hanno mostrato indipendentemente da una semplice riduzione del problema della partizione che questo problema è NP-completo anche nel caso di una dimensione; cioè, il seguente problema è NP-completo per k = 1:

k completamento della matrice della distanza euclidea tridimensionale / incorporamento euclideo della k- direzionale di un grafico ponderato
Istanza : una matrice simmetrica M le cui voci sono numeri interi positivi in ​​binario o "sconosciuto".
Domanda : Possono le voci sconosciute in M essere riempiti con i numeri reali in modo che M diventa una matrice delle distanze di punti nel k dimensionale spazio euclideo ℝ k ?
Equivalentemente,
Istanza : un grafico G in cui ogni fronte ha un peso intero positivo scritto in binario.
Domanda : I vertici di G possono essere posizionati ink- spazio euclideo tridimensionale ℝ k in modo che per ciascun bordo di G , la distanza tra i due punti finali sia uguale al peso del bordo?

Inoltre, Saxe [Sax79] ha dimostrato (con una riduzione più implicata di 3SAT) che il completamento della matrice di distanza euclidea k- dimensionale rimane NP-difficile anche con la restrizione che tutte le voci conosciute in M sono 1 o 2, per ogni costante intera positiva k . In particolare, il problema è NP-completo anche quando le voci note in M sono fornite in modo unario. [Sax79] contiene anche alcuni risultati di durezza sull'incorporamento approssimativo.

A proposito, non penso che sia banale che il problema sia in NP; notare che in alcuni casi sono necessarie coordinate irrazionali quando k > 1. Non so se è noto per essere in NP.

Riferimenti

[Sax79] James B. Saxe. L'incorporabilità dei grafici ponderati nello spazio k è fortemente NP-difficile. In Atti della 17a Conferenza di Allerton su comunicazioni, controllo e informatica , pagg. 480–489, 1979. Anche in James B. Saxe: Due lavori sui problemi di incorporamento dei grafici , Dipartimento di Informatica, Carnegie-Mellon University, 1980.

[Yem79] Yechiam Yemini. Alcuni aspetti teorici dei problemi di posizione-posizione. Nel 20 ° Simposio annuale sulle basi dell'informatica (FOCS) , pagg. 1-8, ottobre 1979. DOI: 10.1109 / SFCS.1979.39


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Grazie. Certamente nel caso generale non è ovviamente in NP, ma se lo trasformi in un problema promettente limitando i punti a giacere su un reticolo, e invece viene dato il quadrato delle distanze, piuttosto che le distanze stesse, quindi tutte le distanze quadrate sono numeri interi e quindi una soluzione può essere verificata esattamente in tempo polinomiale.
Joe Fitzsimons,

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dndn


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Fantastico, questo potrebbe essere solo il puntatore di cui avevo bisogno. Mi dispiace perdere tempo se questa è una domanda un po 'banale.
Joe Fitzsimons,

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Non è banale se non ti muovi nella geometria della distanza :)
Suresh Venkat,

Ho letto il tuo post e sembra certamente indicarmi la giusta direzione. Tuttavia, non sono del tutto chiaro come questo si applicherebbe solo con un insieme parziale di distanze. Potresti illuminarmi?
Joe Fitzsimons,

Ah, il problema che realizzo è che non gestisce il caso parziale. :(
Suresh Venkat,

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@Joe: una matrice di distanza soddisfa tutte le disuguaglianze di tipo negativo se e solo se la corrispondente “matrice di Grammo” è semidefinita positiva. (Metto “Gram matrix” tra virgolette perché non è in realtà una matrice Gram a meno che la distanza non sia realizzabile in uno spazio euclideo.) Tuttavia, non so come gestire la restrizione sulla dimensione usando questo approccio.
Tsuyoshi Ito,
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