Sur la dichotomie au-dessus de la logique de Feder et Vardi

On dichotomy above Feder and Vardi's logic

• Auteur / Autrice : Alexey Barsukov
• Direction : Mamadou Moustapha Kanté
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 13/12/2022
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Informatique, de Modélisation et d'Optimisation des Systèmes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nadia Creignou, Florent Madelaine, Lhouari Nourine, Aline Parreau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Victor Dalmau, Arnaud Durand, Yann Strozecki

Mots clés

Mots clés contrôlés

Complexité de calcul (informatique)

Mots clés libres

CSP

MMSNP

Logique

Dichotomie

Complexité

Complexité descriptive

Omega-catégorique

Graphes expanseurs

Matrice partitions

Coupe maximum

Graphe d'intervalles

CSP

MMSNP

Logic

Dichotomy

Computational complexity

Descriptive complexity

Omega-categorical

Expander graphs

Matrix partitions

Maximum cut

Interval graphs

Résumé

On dit d'un sous-ensemble de NP qu'il présente une dichotomie s'il contient des problèmes qui sont soit résolubles en temps polynomial (dans Ptime), soit difficiles (NP-complets). La classe des problèmes de satisfaction de contraintes (CSP) finis est un sous-ensemble bien connu de NP qui présente une telle dichotomie. La classe de complexité NP n'a pas de dichotomie à moins que P = NP. Pour ces deux classes, il existe des logiques qui leur sont associées. -- NP est capturé par la logique Existentielle du second ordre (ESO) par le théorème de Fagin, c'est-à-dire qu'un problème est dans NP si et seulement s'il est exprimable par une formule ESO.-- CSP est un sous-ensemble de la logique de Feder et Vardi, le fragment monotone, monadique et sans inégalités de SNP, lui-même un fragment syntaxique de ESO (MMSNP); et, pour chaque formule de MMSNP, il existe un problème CSP équivalent via des réductions polynomiales.Ceci implique que la logique ESO, tout comme NP, n'a pas de dichotomie, à contraster avec le fait que MMSNP a une dichotomie tout comme CSP. L'objectif principal de cette thèse est d'étudier les propriétés de dichotomie de sous-ensembles de NP qui contiennent strictement CSP ou MMSNP.Feder et Vardi ont prouvé que si nous omettons une des trois propriétés qui définissent MMSNP, à savoir être monotone, monadique ou omettre les inégalités, alors la logique résultante n'a pas de dichotomie. Comme leurs preuves restent parfois sommaires, nous revisitons ces résultats et fournissons des preuves détaillées. Le fragment guardé et monotone de SNP (GMSNP) est une extension connue de MMSNP qui est obtenue en relâchant la restriction "monadique" de MMSNP. Nous définissons de manière similaire une nouvelle logique appelée MMSNP avec des inégalités gardées, en relâchant la restriction d'être "sans inégalités". Nous prouvons qu'elle est strictement plus expressive que MMSNP et qu'elle possède également une dichotomie.Il existe une logique MMSNP₂ qui étend MMSNP de la même manière que MSO₂ étend la logique monadique du second ordre (MSO). On sait que MMSNP₂ est un fragment de GMSNP et que ces deux classes ont toutes deux une dichotomie ou n'en ont pas. Nous revisitons ce résultat et le renforçons en prouvant que, en ce qui concerne le fait d'avoir une dichotomie, sans perte de généralité, on peut considérer seulement les problèmes MMSNP₂ sur des signatures à un élément, au lieu des problèmes GMSNP sur des signatures finies arbitraires.Nous cherchons à prouver l'existence d'une dichotomie pour les MMSNP₂ en construisant en temps polynomial, pour tout problème MMSNP₂, un problème MMSNP équivalent. Nous rencontrons quelques obstacles pour construire une telle équivalence. Cependant, si nous permettons aux formules MMSNP d'être composées d'un nombre dénombrable de conjonctions négatives, nous prouvons qu'une telle équivalence existe. De plus, la formule MMSNP infinie correspondante a la propriété d'être "régulière". Cette propriété de régularité signifie que, dans un certain sens, cette formule est essentiellement finie. Il est connu que les problèmes MMSNP réguliers peuvent être exprimés par CSP sur des modèles oméga-catégoriques. De plus, il existe une caractérisation de la dichotomie algébrique pour les CSP oméga-catégoriques qui décrivent des problèmes MMSNP. Si l'on parvient à étendre cette caractérisation algébrique sur les problèmes réguliers MMSNP, alors notre résultat fournirait une dichotomie algébrique pour MMSNP₂. (...)

A subset of NP is said to have a dichotomy if it contains problem that are either solvable in P-time or NP-complete. The class of finite Constraint Satisfaction Problems (CSP) is a well-known subset of NP that follows such a dichotomy. The complexity class NP does not have a dichotomy unless P = NP. For both of these classes there exist logics that are associated with them. -- NP is captured by Existential Second-Order (ESO) logic by Fagin's theorem, i.e., a problem is in NP if and only if it is expressible by an ESO sentence.-- CSP is a subset of Feder and Vardi's logic, Monotone Monadic Strict NP without inequalities (MMSNP), and for every MMSNP sentence there exists a P-time equivalent CSP problem. This implies that ESO does not have a dichotomy as well as NP, and that MMSNP has a dichotomy as well as CSP. The main objective of this thesis is to study subsets of NP that strictly contain CSP or MMSNP with respect to the dichotomy existence.Feder and Vardi proved that if we omit one of the three properties that define MMSNP, namely being monotone, monadic or omitting inequalities, then the resulting logic does not have a dichotomy. As their proofs remain sketchy at times, we revisit these results and provide detailed proofs. Guarded Monotone Strict NP (GMSNP) is a known extension of MMSNP that is obtained by relaxing the "monadic" restriction of MMSNP. We define similarly a new logic that is called MMSNP with Guarded inequalities, relaxing the restriction of being "without inequalities". We prove that it is strictly more expressive than MMSNP and that it also has a dichotomy.There is a logic MMSNP₂ that extends MMSNP in the same way as MSO₂ extends Monadic Second-Order (MSO) logic. It is known that MMSNP₂ is a fragment of GMSNP and that these two classes either both have a dichotomy or both have not. We revisit this result and strengthen it by proving that, with respect to having a dichotomy, without loss of generality, one can consider only MMSNP₂ problems over one-element signatures, instead of GMSNP problems over arbitrary finite signatures.We seek to prove the existence of a dichotomy for MMSNP₂ by finding, for every MMSNP₂ problem, a P-time equivalent MMSNP problem. We face some obstacles to build such an equivalence. However, if we allow MMSNP sentences to consist of countably many negated conjuncts, then we prove that such an equivalence exists. Moreover, the corresponding infinite MMSNP sentence has a property of being "regular". This regular property means that, in some sense, this sentence is still finite. It is known that regular MMSNP problems can be expressed by CSP on omega-categorical templates. Also, there is an algebraic dichotomy characterisation for omega-categorical CSPs that describe MMSNP problems. If one manages to extend this algebraic characterisation onto regular MMSNP, then our result would provide an algebraic dichotomy for MMSNP₂.Another potential way to prove the existence of a dichotomy for MMSNP₂ is to mimic the proof of Feder and Vardi for MMSNP. That is, by finding a P-time equivalent CSP problem. The most difficult part there is to reduce a given input structure to a structure of sufficiently large girth. For MMSNP and CSP, it is done using expanders, i.e., structures, where the distribution of tuples is close to a uniform distribution. We study this approach with respect to MMSNP₂ and point out the main obstacles. (...)