We consider the algorithmic problem of finding a near-optimal solution for the number partitioning problem (NPP). The NPP appears in many applications, including the design of randomized controlled trials, multiprocessor scheduling, and cryptography; and is also of theoretical significance. It possesses a so-called statistical-to-computational gap: when its input $X$ has distribution $\mathcal{N}(0,I_n)$, its optimal value is $\Theta(\sqrt{n}2^{-n})$ w.h.p.; whereas the best polynomial-time algorithm achieves an objective value of only $2^{-\Theta(\log^2 n)}$, w.h.p. In this paper, we initiate the study of the nature of this gap. Inspired by insights from statistical physics, we study the landscape of NPP and establish the presence of the Overlap Gap Property (OGP), an intricate geometric property which is known to be a rigorous evidence of an algorithmic hardness for large classes of algorithms. By leveraging the OGP, we establish that (a) any sufficiently stable algorithm, appropriately defined, fails to find a near-optimal solution with energy below $2^{-\omega(n \log^{-1/5} n)}$; and (b) a very natural MCMC dynamics fails to find near-optimal solutions. Our simulations suggest that the state of the art algorithm achieving $2^{-\Theta(\log^2 n)}$ is indeed stable, but formally verifying this is left as an open problem. OGP regards the overlap structure of $m-$tuples of solutions achieving a certain objective value. When $m$ is constant we prove the presence of OGP in the regime $2^{-\Theta(n)}$, and the absence of it in the regime $2^{-o(n)}$. Interestingly, though, by considering overlaps with growing values of $m$ we prove the presence of the OGP up to the level $2^{-\omega(\sqrt{n\log n})}$. Our proof of the failure of stable algorithms at values $2^{-\omega(n \log^{-1/5} n)}$ employs methods from Ramsey Theory from the extremal combinatorics, and is of independent interest.


翻译:我们考虑的是为数字分割问题( NPP) 找到近于最优化的算法问题。 NPP 出现在许多应用中, 包括随机控制的测试、 多处理器列表和加密的设计; 并且具有理论意义。 它具有所谓的统计到剖析差距: 当它输入的X$已经分配了 $\ mathcal{N} (0, I_n) 时, 它的最佳值是 $( Theta (sqrt{n}%2\\\\\\n} 美元) 。 但它的最佳值是 w. hp. ; 而 最佳的 多边- 时间算算法只达到 $2\\\\ theta\\\ $ (log2\\\\\\ n) 美元的目标值, w. hp. 我们开始研究这个差距的性质, 我们研究它是否存在“ loadplate gapget proal ” (OGOP) 和“ legn- macal rodu” y tyal tyal sult sult sult) 。 通过利用 OGPral_ dest 来确定, 我们如何实现一个稳定的答案。

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