Сложность экспоненциальной функции

36

Мы знаем, что экспоненциальная функция над натуральными числами не вычисляется за полиномиальное время, поскольку размер выходных данных не ограничен полиномиально по размеру входных данных.ехр(Икс,Y)знак равноИксY

Является ли это основной причиной сложности вычисления экспоненциальной функции, или вычисление степени по своей природе сложно вычислить независимо от этого соображения?

Какова сложность битового графа экспоненциальной функции?

{Икс,Y,я|Икс,Y,яN и я-й бит ИксY является 1}
Питер
источник
Я изменил понятие «EXP» на «L», поскольку EXP - это название известного класса сложности, и это может привести к путанице.
MS Dousti
Если ограничен степенью 2, то равно . Также график возведения в степень имеет низкую сложность. L A C 0 Γ e x p = { ( x , y , z ) : x y = z }ИксLAС0ΓеИкспзнак равно{(Икс,Y,Z):ИксYзнак равноZ}
Каве
3
Садек: Если вы хотите избежать классов сложности, L не лучше, чем EXP ... Поменял его на X.
Питер
@Peter: В контексте, L, скорее всего, является «языком», а не классом сложности пространства журнала. В любом случае, X - намного лучший выбор.
MS Dousti
@Kaveh: Вопрос гласит, что речь идет об экспоненциальной функции на натуральных числах.
Цуёси Ито

Ответы:

17

Вот некоторые верхние границы.

При повторном возведении в квадрат проблема в PSPACE.

Есть немного лучшая верхняя граница. Эта проблема является частным случаем проблемы BitSLP: учитывая прямолинейную программу, начинающуюся с 0 и 1 с сложением, вычитанием и умножением, представляющим целое число N , и учитывая, что i ∈ℕ, решить, будет ли i-й бит (считая от младший значащий бит) двоичного представления N равен 1. Проблема BitSLP находится в иерархии подсчета ( CH ) [ABKM09]. (В [ABKM09] указано, что можно показать, что проблема BitSLP заключается в PH PP PP PP PP .)

Членство в CH часто рассматривается как свидетельство того, что проблема вряд ли будет PSPACE-трудной, потому что равенство CH = PSPACE подразумевает, что счетная иерархия разрушается. Однако я не знаю, насколько сильным считается это доказательство.

Что касается твердости, в той же статье показано, что BitSLP # P-hard [ABKM09]. Однако доказательство там, похоже, не подразумевает какой-либо жесткости языка X в этом вопросе.

Ссылки

[ABKM09] Эрик Аллендер, Питер Бюргиссер, Йохан Кьельдгаард-Педерсен и Питер Бро Мильтерсен. По сложности численного анализа. SIAM Journal of Computing , 38 (5): 1987–2006, январь 2009 г. http://dx.doi.org/10.1137/070697926

Цуёси Ито
источник
12

Не полный ответ, но хотя бы частичный.

Я заметил, что в двух ответах, которые появились до сих пор, не упоминается тот факт, что существует алгоритм для вычисления модульной экспоненты где - это число битов в , и где - показатель степени, соответствующий самому быстрому алгоритму умножения. Таким образом, менее значимые биты экспоненты могут быть вычислены эффективно (в или меньше).x y mod  z n z ω O ( n 3 )О(N1+ω)ИксY модификация ZNZωО(N3)

Способ сделать это довольно прост: вы можете вычислить , , . Ясно, что , и, таким образом, , но поскольку существует только членов этого требуется только умножений.с 2 = х 2 мод  г с J = C 2 J - 1 мод  г с J = х 2 J по модулю  г х уП J с у J J по модулю  г п с J пс1знак равноИксс2знак равноИкс2 модификация ZсJзнак равносJ-12 модификация ZсJзнак равноИкс2J модификация ZИксYΠJсJYJ модификация ZNсJN

Кроме того, мы можем записать как , поэтому наиболее значимые биты, которые соответствуют примерно также можно эффективно рассчитать, так как они будут только зависит от наиболее значимого бита . ( n i = 0 2 i x i ) y 2 n y xИксY(Σязнак равно0N2яИкся)Y2NYИкс

Таким образом, единственные реальные проблемные термины вызваны битами к центру .ИксY

Джо Фитцсимонс
источник
1
Есть интересная связь между этим ответом и моим. Если я не ошибаюсь, грубый обзор алгоритма в [ABKM09 ], цитируемый в моем ответе, состоит в том, чтобы объединить эту идею с китайской теоремой об остатках для получения старших битов.
Цуёси Ито
Ах, я этого не понял.
Джо Фицсимонс
6

[Этот ответ объясняет некоторые интересные аспекты ответа Пера Вогсена . Это не прямой ответ на вопрос ФП, но может помочь в решении таких вопросов.]

яπя-1

яπSС

SС

М.С. Дусти
источник