In the well-known complexity class NP are combinatorial problems, whose optimization counterparts are important for many practical settings. These problems typically consider full knowledge about the input. In practical settings, however, uncertainty in the input data is a usual phenomenon, whereby this is normally not covered in optimization versions of NP problems. One concept to model the uncertainty in the input data, is recoverable robustness. The instance of the recoverable robust version of a combinatorial problem P is split into a base scenario $σ_0$ and an uncertainty scenario set $\textsf{S}$. The base scenario and all members of the uncertainty scenario set are instances of the original combinatorial problem P. The task is to calculate a solution $s_0$ for the base scenario $σ_0$ and solutions $s$ for all uncertainty scenarios $σ\in \textsf{S}$ such that $s_0$ and $s$ are not too far away from each other according to a distance measure, so $s_0$ can be easily adapted to $s$. This paper introduces Hamming Distance Recoverable Robustness, in which solutions $s_0$ and $s$ have to be calculated, such that $s_0$ and $s$ may only differ in at most $κ$ elements. We survey the complexity of Hamming distance recoverable robust versions of optimization problems, typically found in NP for different scenario encodings. The complexity is primarily situated in the lower levels of the polynomial hierarchy. The main contribution of the paper is a gadget reduction framework that shows that the recoverable robust versions of problems in a large class of combinatorial problems is $Σ^P_{3}$-complete. This class includes problems such as Vertex Cover, Coloring or Subset Sum. Additionally, we expand the results to $Σ^P_{2m+1}$-completeness for multi-stage recoverable robust problems with $m \in \mathbb{N}$ stages.


翻译:在著名的复杂性类NP中,组合问题的优化版本对许多实际应用至关重要。这些问题通常假设对输入具有完全知识。然而,在实际应用中,输入数据的不确定性是常见现象,而NP问题的优化版本通常不涵盖这一点。可恢复鲁棒性是建模输入数据不确定性的一种概念。组合问题P的可恢复鲁棒版本的实例被划分为一个基础场景$σ_0$和一个不确定性场景集合$\\textsf{S}$。基础场景及不确定性场景集合中的所有成员均为原始组合问题P的实例。任务是计算基础场景$σ_0$的解$s_0$以及所有不确定性场景$σ\\in \\textsf{S}$的解$s$,使得$s_0$和$s$根据距离度量彼此相差不大,从而$s_0$可以轻松适应$s$。本文引入汉明距离可恢复鲁棒性,要求计算解$s_0$和$s$,使得$s_0$和$s$最多只能在$κ$个元素上存在差异。我们系统研究了汉明距离可恢复鲁棒版本的优化问题(通常属于NP类)在不同场景编码下的复杂性。其复杂性主要位于多项式层次结构的较低层级。本文的核心贡献是提出一个构件归约框架,证明一大类组合问题(包括顶点覆盖、着色和子集和等问题)的可恢复鲁棒版本具有$Σ^P_{3}$-完全性。此外,我们将结果扩展到多阶段可恢复鲁棒问题,证明对于$m \\in \\mathbb{N}$阶段的问题具有$Σ^P_{2m+1}$-完全性。

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