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Título: Complexidade descritiva de classes de complexidade probabilísticas de tempo polinomial e das classes ⊕P e NP∩coNP através de lógicas com quantificadores de segunda ordem
Título em inglês: Descriptive complexity of polynomial time probabilistic complexity classes and classes ⊕P and NP∩coNP through second order generalized quantifiers
Autor(es): Rocha, Thiago Alves
Orientador(es): Martins, Ana Teresa de Castro
Palavras-chave: Lógica matemática
Complexidade descritiva
Classes de complexidade probabilísticas
Quantificadores generalizados
Descriptive complexity
Probabilistic complexity classes
Data do documento: 2014
Citação: ROCHA, T. A. (2014)
Resumo: Vários problemas computáveis podem ser resolvidos de maneira mais eficiente ou mais natural através de algoritmos probabilísticos, o que mostra que o uso de tais algoritmos é bastante relevante em computação. Entretanto, os algoritmos probabilísticos podem retornar uma resposta errada com uma certa probabilidade. Observe, ainda que o uso de algoritmos probabilísticos não resolve problemas não computáveis. A Complexidade Computacional caracteriza a complexidade de um problema a partir da quantidade de recursos computacionais, como espaço e tempo, para resolvê-lo. Problemas que tem a mesma complexidade compõem uma classe. As classes de complexidade computacional são relacionadas através de uma hierarquia. A Complexidade Descritiva usa lógicas para expressar os problemas e capturar classes de complexidade computacional no sentido de expressar todos, e apenas, os problemas desta classe. Dessa forma, a complexidade de um problema não depende de fatores físicos, como tempo e espaço, mas apenas da expressividade da lógica que o define. Resultados importantes da área mostraram que várias classes de complexidade computacional podem ser caracterizadas por lógicas. Por exemplo, a classe NP foi mostrada equivalente à classe dos problemas expressos pelo fragmento existencial da Lógica de Segunda Ordem. Este estreito relacionamento entre tais áreas permite que alguns resultados da área de Lógica sejam transferidos para a de Complexidade Computacional e vice-versa. Apesar da importância de algoritmos probabilísticos e da Complexidade Descritiva, existem poucos resultados de caracterização, por lógicas, das classes de complexidade computacional probabilísticas. Neste trabalho, buscamos mostrar caracterizações para cada uma das classes de complexidade probabilísticas de tempo polinomial. Nos nossos resultados, utilizamos quantificadores generalizados de segunda ordem para simular a aceitação das máquinas não-determinísticas dessas classes. Achamos caracterizações lógicas na literatura apenas para as classes PP e BPP. No primeiro caso, a lógica utilizada era a de primeira ordem adicionada de um quantificador maioria de segunda ordem. Com a abordagem criada neste trabalho, conseguimos obter uma prova alternativa para a caracterização de PP. Com essa mesma metodologia, também conseguimos caracterizar a classe ⊕P através de uma lógica com um quantificador de paridade. No caso de BPP, existia um resultado que utilizava uma lógica com semântica probabilística. Usando nossa abordagem de quantificadores generalizados, conseguimos obter uma caracterização alternativa para essa classe. Com o mesmo método, conseguimos caracterizar as classes probabilísticas semânticas RP, coRP, ZPP e a classe semântica NP∩coNP. Por fim, mostramos uma aplicação dos resultados de Complexidade Descritiva na criação de algoritmos através de uma especificação lógica.
Abstract: Many computable problems can be solved more efficiently or in a more natural way through probabilistic algorithms, which shows that the use of such algorithms is quite relevant in Computer Science. However, probabilistic algorithms may return a wrong answer with a certain probability. Also, the use of probabilistic algorithms does not solve problems that are not computable. In Computational Complexity, the complexity of a problem is characterized based on the amount of computational resources, such as space and time, needed to solve it. Problems that have the same complexity compose the same class. The computational complexity classes are related by a hierarchy. In Descriptive Complexity, a logic is used to express problems and capture computational complexity classes in order to express all and only the problems of this class. Thus, the complexity of a problem does not depend on physical factors, such as time and space, but only on the expressiveness of the logic that defines it. Important results of the area states that several classes of computational complexity can be characterized by a logic. For example, the class NP has been shown equivalent to the class of problems expressed by the existential fragment of Second-Order Logic. This close relationship between these areas allows some results about Logics to be transferred to Computational Complexity and vice versa. Despite of the importance of probabilistic algorithms and of Descriptive Complexity, there are few results on the characterization, by a logic, of probabilistic computational complexity classes. In this work, we show characterizations for each of the polinomial time probabilistic complexity classes. In our results, we use second-order generalized quantifiers to simulate the acceptance of the nondeterministic machines of these classes. We found Logical characterizations in the literature only for classes PP and BPP. In the first case, the logic employed was the first-order added by a quantifier most of second-order. With the approach established in this work, we obtain an alternative proof for the characterization of PP. With the same methodology, we also characterize the class ⊕P through a logic with a second-order parity quantifier. In the case of BPP , there was a result that used a logic with probabilistic semantics. Using our approach of generalized quantifiers, we obtain an alternative characterization for this class. With the same method, we were able to characterize the probabilistic semantic classes RP, coRP, ZPP and the semantic class NP ∩ coNP. Finally, we show an application of Descriptive Complexity results in the creation of algorithms from a logic specification.
Descrição: ROCHA, Thiago Alves. Complexidade descritiva de classes de complexidade probabilísticas de tempo polinomial e das classes ⊕P e NP∩coNP através de lógicas com quantificadores de segunda ordem. 2014. 81 f. Dissertação (Mestrado em ciência da computação)- Universidade Federal do Ceará, Fortaleza-CE, 2014.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/18651
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