P、NP、NP-hard、NP-complete问题

时间:2022-03-10 23:49:52
  P问题:一个问题可以在多项式(O(n^k))的时间复杂度内解决例如:n个数的排序(不超过O(n^2))
  NP问题:一个问题的解可以在多项式的时间内被证实或证伪例如:典型的子集求和问题,给定一个整数集合求是否存在一个非空子集它的和为零。如给定集合s={-1,3,2,-5,6},很明显子集{3,2,-5}能满足问题,并且验证该解只需要线性时间复杂度就能被证实。
  NP-hard问题:任意np问题都可以在多项式时间内归约为该问题。归约的意思是为了解决问题A,先将问题A归约为另一个问题B,解决问题B同时也间接解决了问题A。例如,停机问题。
  NPC问题:既是NP问题,也是NP-hard问题。例如,SAT问题(第一个NPC问题)。该问题的基本意思是,给定一系列布尔变量以及它的约束集,是否存在一个解使得它的输出为真。


  相互关系:显然,所有P问题都是NP问题,反之则不一定。npc问题是np问题的子集,也是p问题和np问题的差异所在。如果找到一个多项式内能被解决的npc问题的解决方法,那么P=NP。


  P就是能在多项式时间内解决的问题,NP就是能在多项式时间验证答案正确与否的问题。


  NP问题的全称为“Nondeterministic Polynomial”,而不是“Non-Polynomial”。NP 类问题指的是,能在多项式时间内检验一个解是否正确的问题。
比如我的机器上存有一个密码文件,于是就能在多项式时间内验证另一个字符串文件是否等于这个密码,所以“破译密码”是一个 NP 类问题。NP 类问题也等价为能在多项式时间内猜出一个解的问题。这里的“猜”指的是如果有解,那每次都能在很多种可能的选择中运气极佳地选择正确的一步。


不妨举个例子:给出 n 个城市和两两之间的距离,求找到一个行走方案,使得到达每个城市一次的总路程最短。我们可以这样来“猜测”它的解:先求一个总路程不超过 100 的方案,假设我们可以依靠极好的运气“猜出”一个行走路线,使得总长度确实不超过 100,那么我们只需要每次猜一条路一共猜 n 次。接下来我们再找总长度不超过 50 的方案,找不到就将阈值提高到75…… 假设最后找到了总长度为 90 的方案,而找不到总长度小于 90 的方案。我们最终便在多项式时间内“猜”到了这个旅行商问题的解是一个长度为 90 的路线。它是一个 NP 类的问题。


也就是说,NP 问题能在多项式时间内“解决”,只不过需要好运气。显然,P 类问题肯定属于 NP 类问题。所谓“P=NP”,就是问——是不是所有的 NP 问题,都能找到多项式时间的确定性算法?








  P 类问题(Polynomial):存在多项式级复杂度解法的问题。




  最简单的解释:
P:算起来很快的问题
NP:算起来不一定快,但对于任何答案我们都可以快速的验证这个答案对不对
NP-hard:比所有的NP问题都难的问题
NP-complete:满足两点:
  1. 是NP hard的问题
  2. 是NP问题
  比较严谨的定义:
问题:对于一个包含由0和1组成的字符串集合S,以某个01字符串x作为输入,要求某个图灵机判断x在不在S里面。这里的图灵机可以先想象成平时我们用的计算机,S也可以被看成我们要解决的问题。注意我们的问题非常简单,就是要判断某个字符串x是否在某个集合S里面,下面是定义:
P:有一个图灵机在多项式时间内能够判断x是否在S里面
NP:有一个图灵机M,如果某个字符串x在S里面,那么存在一个验证字符串u(注意这个u是针对这个x的,而且长度必须是x长度的多项式关系),M以x和u作为输入,能够验证x真的是在S里面。
NP-hard:如果某个问题S是NP-hard,那么对于任意一个NP问题,我们都可以把这个NP问题在多项式时间之内转化为S,并且原问题的答案和转化后S的答案是相同的。也就是说只要我们解决了S,那么就解决了所有的NP问题。
NP-complete:一个问题既是NP-hard,又在NP里面;也就是说   1. 解决了这个问题我们就解决了所有NP问题  2. 这个问题本身也是个NP问题