Efficient algorithms for many problems in optimization and computational algebra often arise from casting them as systems of polynomial equations. Blum, Shub, and Smale formalized this as Hilbert's Nullstellensatz Problem $HN_R$: given multivariate polynomials over a ring $R$, decide whether they have a common solution in $R$. We can also view $HN_R$ as a complexity class by taking the downward closure of the problem $HN_R$ under polynomial-time many-one reductions. In this work, we show that many important problems from optimization and algebra are complete or hard for this class. We first consider the Affine Polynomial Projection Problem: given polynomials $f,g$, does an affine projection of the variables transform $f$ into $g$? We show that this problem is at least as hard as $HN_F$ for any field $F$. Then we consider the Sparse Shift Problem: given a polynomial, can its number of monomials be reduced by an affine shift of the variables? Prior $HN_R$-hardness for this problem was known for non-field integral domains $R$, which we extend to fields. For the special case of the real field, HN captures the existential theory of the reals and its complement captures the universal theory of the reals. We prove that the problems of deciding real stability, convexity, and hyperbolicity of a given polynomial are all complete for the universal theory of the reals, thereby pinning down their exact complexity.


翻译:优化与计算代数中许多问题的高效算法通常源于将其转化为多项式方程组。Blum、Shub 和 Smale 将这一思想形式化为希尔伯特零点问题 $HN_R$:给定环 $R$ 上的多元多项式,判定它们在 $R$ 中是否存在公共解。通过将问题 $HN_R$ 在多项式时间多一归约下取向下闭包,我们也可将 $HN_R$ 视为一个复杂度类。本文证明,优化与代数中的许多重要问题对该类具有完备性或困难性。我们首先考虑仿射多项式投影问题:给定多项式 $f,g$,是否存在变量的仿射投影将 $f$ 变换为 $g$?我们证明该问题对任意域 $F$ 至少与 $HN_F$ 同样困难。接着研究稀疏平移问题:给定多项式,能否通过变量的仿射平移减少其单项式数量?此前已知该问题对非域整环 $R$ 具有 $HN_R$-困难性,我们将其推广至域的情形。对于实数域的特殊情况,HN 对应实数存在理论,其补集对应实数全称理论。我们证明判定给定多项式的实稳定性、凸性及双曲性的问题均对实数全称理论具有完备性,从而精确确定了它们的计算复杂度。

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
163+阅读 · 2019年10月12日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
相关资讯
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员