不确定性的困惑与NP理论分享 http://blog.sciencenet.cn/u/liuyu2205 平常心是道

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认知云里说NP

已有 3752 次阅读 2016-12-22 12:56 |个人分类:不确定性问题和算法讨论|系统分类:科研笔记| NDTM, 搜索


我们的NP理论是建立在可计算性理论基础上的,在算法理论、逻辑和理论扩展上(如人工智能和智能哲学)是一致的,但在与同行、网友、群友和爱好者的交流中,最纠缠的还是认知层面上的问题,集中在这样一个提问:现有理论中的NP(NDTM)的概念是简单清楚的,而你们的NP(Nondeterministic Problem)与此完全不同,为什么要另搞一套?这里我们综合和疏理这种认知层次上的困难,作一个分析性的回答:

1,如果现有的NP定义和理论是正确的,就不应该有P vs. NP 这样的“世纪难题”。

2,实际上,在计算机领域中学习和工作的人都有这样的困惑,书本中的NP问题理论部份无论是学习或教学都感到困难,以至于人们不得不一次又一次回头去重新学习或思考,但或者失望而返,或者强迫自己服从这些权威论述。另一方面,现有的NP问题理论与实际工作几乎完全脱节,甚至有人说完全可以不用此理论。

3,更进一步的问题就是,包含现有的NP问题的计算机理论无法与正蓬勃发展的人工智能理论衔接。

下面从认知角度,我们综合性表述现有的流行观点(前提條件:图灵机,指数空间,形式逻辑方法):

1,我们面临的所有问题可以分为两类:

   * P问题,即可确定性求解的问题,可计算性理论中由图灵机可计算或图灵机可接受定义,计算复杂性理论中由“多项式时间”(polynomial time,简记为P)定义;

   * NP问题(暂不涉NP-hard问题,并不妨碍以下的分析),现有的理论中,NP问题由NDTM定义;

2,实践上,算法最终可归结到对解的“搜索”,因此我们也可以用“搜索”技术定义P和NP:

   * P问题就是在每一步搜索只有唯一的下一步(也就是没有“选择”),无论这个步数多少(多项式时间P),算法一定能得到确定性的解(能行可计算)。

   * 与P问题相对,NP问题就是每一步搜索存在多个下一步(至少两个),就是说,面对NP问题并不是像P问题一样直接求解,而是“选择”,换句话说,存在对多个分枝的“多选择”就是“不确定性的”,这是计算机理论中目前被广泛接受的对“不确定性”的意义的解释。

3,这个认知意义上的“不确定性”直接进入到现有的NP问题的理论中,在现有的计算机理论中,对“NP”的权威解释就是“不确定性多项式时间”(nondeterministic polynomial time),就是存在多个“多项式时间”因而具有选择的不确定性,这种解释也就是上述的“不确定性”与“多选择”同义的理论化,但这等于说,(事先)肯定(至少一个)多项式时间存在,也就是NP包含了P,所以NDTM只不过是搜索(选择或“猜测”)在多项式时间内得到一个确定性的解,这就是现有的NDTM这个概念的实质。

我们认为这样的NDTM是一个错误的概念,问题原有的“不确定性”消失了,就是说,真正的NP是下面图示中下方那个无穷追索,永不返回的路径,而不是包含了P的NP,NDTM正是丢掉了那个无穷追索的路径,认定NDTM一定能找到那个包含在其中的P而得解。我们可以深入地分析,这里的“选择”之所以等价于“不确定性”,是基于对“没有选择”(确定性)的相对性,比如上面P的定义——没有“选择”因而就是确定性的,与此相反,有选择就具有不确定性;但NDTM的定义却将“选择”意义的“不确定性”偷换成“不确定性问题”,由于事先肯定NP包含了P,并武断NDTM一定可以找到解,上面图示的不确定性问题(NP)的无穷自我缠绕而永无中止的性质,就在定义的解释中被无理由地丢掉了。


对于这种观念来说,更困难的问题就是,面对的非唯一性的多分支(最少两个),如何实行选择?即计算机如何进到入到下一步?理论上只能是随机选择,但人可能比“随机”运气高,因而可以“猜测”(这些似乎讲得过去的解释,实际上已经清楚表明,计算机无法自己主动地选择,无论是随机或“猜测”,都不是计算机的能力行为,在最终意义上只能相当于图灵的oracle,这个问题暂时放过)。在这样的模糊观念下,计算机才能够一步进一步地边搜边猜,最终得到一个确定性的解,这种猜测-搜索模式也是多项式时间性质的,这就是对NDTM的工作原理的再解释,也就是流行的NP问题的教科书定义。

由上面的分析可以清楚地看出,现有的NP问题的定义恰恰丢失了NP的本质,实际上,搜索算法在指数空间中永远得不到确定性的结果,这也是我们的NP(Nondeterministic Problem)定义在搜索技术上的意义,这与算法理论上的逻辑性是一致的。我们以前的文章一直在说,现有的NP问题的定义实际是P定义,也就是事先肯定了NP包含了P,所以也就事先肯定了NDTM的搜索无论是随机或“猜测”,一定能得到一个确定性的解,这也就是“NP问题是NDTM可求解的”这个定义的存在问题的原因。

下面我们跟进这种流行的NP问题观念深入一步提问:“多选择”的真正意义是什么?我们的分析如下:

1,由于前提已经把我们所面临的所有问题(等价于指数级搜索空间)已经分为P与NP两种(流行的观念肯定NP包含P,这里的P与NP的分类仍然适用),所以每一步搜索的选择最终只有两种可能:P分枝与NP分枝同时存在。(两个P分枝或两个NP分枝就是没有选择。)

2,下一步,计算机随机(或“猜测”)进入任一分支,如果搜索进入的是P分枝,而且以下所有的搜索都有幸进入到下一个P分枝,按我们的前面的定义,这就是P问题或P算法,我们无须再论。

3,现在看第二种情况,计算机进入NP分枝,根据以前的定义,这个分枝就是原来已经定义NP,即这个分枝是不确定性的,存在更下一步的选择,仍然面临P与NP的下一步选择。这就是说,这个分枝的性质回到了我们所面临的所有的问题这个问题的自身,或者说只是一次又一次地“刷新”了原问题,也就是原问题的自我缠绕。从算法搜索树上看,机器可以在不同的层次上继续搜索前进,计算无穷进行下去,由于机器和空间的无限性,我们肯定不会得到一个确定性的返回结果。(图灵的circular可以对这个意义作解释。)    




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