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代数的組合せ最適化

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Academic year: 2021

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(1)

代数的組合せ最適化

Edmonds 問題の最近の発展について

平井広志

東京大学 大学院情報理工学系研究科 数理情報学専攻

[email protected]

組合せ最適化セミナー 京都大学数理解析研究所

2019年8月7日

(2)

組合せ最適化の発展

1960 年代 : J. Edmonds --- 多項式時間アルゴリズム,

最大最小定理,良い特徴付け,多面体的方法,

マトロイド,劣モジュラ関数, ...

1970 年代 : P NP

1980 年代 : Grotschel-Lovasz-Schrijver

A.Schrijver: Combinatorial Optimization---Polyhedra and Efficiency, 2003.

---- 多面体的方法による組合せ最適化の集大成

今回のセミナー:

多面体的方法とは異なる代数的視点からのアプローチ

多面体的パラダイム:問題 X P 良い LP 定式化を持つ

2

(3)

代数的組合せ最適化 part I

非可換 Edmonds 問題

1. 導入:2部マッチング,行列式,ランク 2. Edmonds 問題

3. 非可換 Edmonds 問題

非可換ランク (nc-rank)

Fortin-Reutenauer の定理, MVSP

Wong sequence

(4)

導入:2部マッチング,行列式,ランク

1 2 3 4

1 2 3 4

=( , ; ) 最大マッチング問題:

最大サイズ(枝数)のマッチングを求めよ

最大最小定理( König-Egerváry , Hall

多項式時間アルゴリズム(増加道アルゴリズム)

4

(5)

最大マッチング問題の線形代数的解釈

1 2 3 4

1 2 3 4

¿12

21

23 24

¿

¿ 32

¿ 41

¿ ¿

¿

1

3 4 2

1 2 3 4

=( , ;) �≔

� �∈ �

����

Lem: の最大マッチング数

(6)

ランクの復習+証明

,体上上線形独立な列(行)の最大数

(Lem の証明 )

det   =

sgn()

=1, …,�

� �(�)=

:∀�,��(�)∈�

sgn()

=1, … ,�

��(�)

¿

sgn()

� �∈ �

��

{

¿0if  0otherwise   exists

完全マッチング 6

(7)

Edmonds 問題

Edmonds 1967

変数付き行列

のランクは効率的に計算できるか?

: 変数

有理関数体 (1,2, … ,)

(8)

2部マッチング問題の代数的拡張

いくつかの重要な P に属する組合せ最適化問題を含む

変数にの値を代入すると Gauss の消去法で簡単

||= : 乱択多項式時間アルゴリズム (Lovasz 79)

一般 : NP 困難 (Buss et al. 1999)

未解決:決定性多項式時間アルゴリズム

回路計算量の関係 (Kabanets-Impagliazzo 2004)

8

(9)

Edmonds 問題

変数付き行列

のランクは効率的に計算できるか?

: 変数

非可換

自由斜体(1, 2, … , )

非可換ランク nc-rank

Ivanyos-Qiao-Subrahmanyam 2015

(10)

10

nc-rank in P !!

• Garg-Gurvits-Oliveira-Wigderson 2015:

 part II

• Ivanyos-Qiao-Subrahmanyam 2015: 任意  part I ( いまから )

• Hamada-Hirai 2017: 任意 , bit-size unbounded  part III

(11)

のランクとは?

: 非可換変数

非可換ランクの定義 I ( 自由環上の行列としての inner rank)

非可換ランクの定義 II ( 自由斜体上の行列としての rank) , where

2つの定義は一致する (Cohn)

(12)

斜体( skew field, division ring )とは

逆元をもつ環 , i.e.,

~ 積演算が可換とは限らない体

例:四元数体

,斜体上

上右 ( ) 線形独立な列 ( ) の最大数

: 正則逆行列 ()

Dieudonne 行列式 (part III)12

(13)

自由斜体( free skew field )とは

~有理関数体の非可換アナログ

23+5

12+233

Rational expression constructed from

( ) Thm (Amitsur 1966)

{ all rational expressions } / is a skew field

(14)

14

Edmonds 問題 ( 再掲 )

変数付き行列

のランクは効率的に計算できるか?

: 変数

非可換

自由斜体(1, 2, … , )

非可換ランク nc-rank

(15)

Fortin-Reutenauer の定理

~非可換ランクの双対定理

s.t. (∀ �)

,

0

� �

=¿

, ,体

Thm (Fortin-Reutenauer 2004) 注:この値は

以上

: この双対問題 MVSP 自体は, Lovasz 1989 や分割行列の研究( Ito,Iwata,Murota 1994 にでてきている.

(16)

証明の簡単な方向()

(∀ �)

0

� �

=¿

0

⇒ ��� = ¿

0

0

0

¿

nc−rank +

Cor:

Prop (Fortin-Reutenauer 2004)

�= 1 1+ 2 2++

16

(17)

組合せ最適化からの興味

2部マッチングや線形マトロイド交差に対応する 成立

Fortin-Reutenauer の公式 組合せ最適化の最大最小定理

c.f. 多面体的パラダイム LP-duality min-max

となるケース

歪対称行列,非2部マッチング,線形マトロイドマッチング ,...

モジュラ束上の劣モジュラ最適化( part III

(18)

18

König-Egerváry from Fortin-Reutenauer

s.t.

(∀ �=�� ∈ �)

nonsingular over

0

=¿

1

グラフ

permutation matrices

集合 |

¿ | 最小頂点カバー |

(19)

Ivanyos-Qiao-Subrahmanyam のアルゴリズム

Wong sequence ~ ベクトル空間交互道

: nc- 正則

のバウンド (Derksen-Makam 2015)  不変式論の結果 キーアイデア

ここでは, Wong sequence の考え方を紹介する

クロネッカー積 正方

(20)

(1)

1 , ,体

行列空間 Obs.

Wong sequence w.r.t.

0{0}

~−1

2

2

3

20

(21)

Lem:

Wong sequence w.r.t.

行列空間

+1=~−1(( ))~−1

(

~( )

)

⊇�

~�∈

~1

+1

(22)

Lem (Ivanyos, Karpinski, Qiao, Santha 2015)

最適性の十分条件

ker~

ker~

22

(23)

ker~

ker~

証明

: 正則行列, はの基底を含む, はの基底を含む

(∀ �)

0

=¿

0

~

�� = ¿

0

ker~

full rank

rank  ~

�=rank  ~

� �=�−+ nc −rank  

(24)

24

IQS アルゴリズム概略

行列空間 1.

2. Wong sequence w.r.t. を計算を得る.

3. なら, ( 終了 )

4. なら,

を更新して, rank を増加させる,

行列空間をブローアップ : ,

も拡大するかも.

※ ビットサイズも考慮する必要あり.

難解であり,これ以上立ち入らない

(25)

増加道アルゴリズムとの関係

1 2 3 4

1’

2’

3’

4’

1 2 3 4

1’ 2’ 3’ 4’

1 1

1

0=ker~

=� 4

1= 2

1=� 4+� 3

2=� 2+� 4

2=� 1+ 4+ 3

¿

¿

Im  ~

(26)

26

この場合,マッチングに対応する増加道探索に一致する.

(一般のでは,はぐちゃぐちゃ)

,の更新して rank 増加 i.e., .

よって増加道アルゴリズムが実現できる.

(もの更新は一般に容易でない)

線形マトロイド交差のときは, Edmonds のアルゴリズムを実現できる.

(石川巧,卒業論文 2018

Wong sequence の考え方は増加道タイプのアルゴリズムの設計の指針と

統一的理解につながるかもしれない.

(27)

2 x 2型分割行列

�=

(

11211 11211 1222212222 12��12��

)

ここで,

(Iwata, Murota 1995 の結果より )

Hirai-Iwamasa ( 準備中 ): Wong sequence のアイデアに基づいた

組合せ的多項式時間アルゴリズム

(28)

28

part I まとめ

• 2部マッチングの拡張としての Edmonds 問題

• 非可換 Edmonds 問題

• 非可換ランク

• Fortin-Reutenauer の定理

• IQS アルゴリズムと Wong sequence

参照

関連したドキュメント

Mochizuki, On the combinatorial anabelian geometry of nodally nondegenerate outer representations, RIMS Preprint 1677 (August 2009); see http://www.kurims.kyoto‐u.ac.jp/

Optimal stochastic approximation algorithms for strongly convex stochastic composite optimization I: A generic algorithmic framework.. SIAM Journal on Optimization,

[r]

Hungarian Method Kuhn (1955) based on works of K ő nig and

of IEEE 51st Annual Symposium on Foundations of Computer Science (FOCS 2010), pp..

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参考文献 Niv Buchbinder and Joseph (Seffi) Naor: The Design of Com- petitive Online Algorithms via a Primal-Dual Approach. Foundations and Trends® in Theoretical Computer