Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Полиномиальные представления дискретных функций Селезнева Светлана Николаевна

Полиномиальные представления дискретных функций
<
Полиномиальные представления дискретных функций Полиномиальные представления дискретных функций Полиномиальные представления дискретных функций Полиномиальные представления дискретных функций Полиномиальные представления дискретных функций Полиномиальные представления дискретных функций Полиномиальные представления дискретных функций Полиномиальные представления дискретных функций Полиномиальные представления дискретных функций Полиномиальные представления дискретных функций Полиномиальные представления дискретных функций Полиномиальные представления дискретных функций Полиномиальные представления дискретных функций Полиномиальные представления дискретных функций Полиномиальные представления дискретных функций
>

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Селезнева Светлана Николаевна. Полиномиальные представления дискретных функций: диссертация ... доктора физико-математических наук: 01.01.09 / Селезнева Светлана Николаевна;[Место защиты: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова"], 2016.- 257 с.

Содержание к диссертации

Введение

Часть 1. Сложность полиномиальных представлений функций k-значнойлогики 49

1. Полиномиальные формы функций 49

2. Приближение функций полиномами 96

Часть 2. Алгоритмические вопросы полиномиальных представлений функций k-значной логики 115

3. Распознавание свойств функций, заданных полиномами 115

4. Нахождение полиномиальных представлений функций 152

5. Мультипликативная сложность функций алгебры логики 195

Заключение 219

Список литературы

Введение к работе

Актуальность темы. Функция /с-значной логики - это такая функция, каждая переменная и значение которой принадлежат конечному множеству Ек = {0,1,..., к — 1}, где к > 2 - натуральное число. Функции двузначной логики называются также функциями алгебры логики, при к > 3 функции /с-значных логик называют функциями многозначных логик. Функции /с-значных логик подходят для построения моделей при решении широкого класса задач. Функции алгебры логики применяются в схемотехнике, ведутся исследования и созданы промышленные цифровые устройства на основе функций многозначных логик.

Первые исследования функций /с-значной логики касались вопросов полноты и выразимости одних функций при помощи других. Особую роль играет выразимость функций /с-значных логик при помощи констант и операций сложения и умножения по модулю к. При помощи эквивалентных преобразований такие выражения можно привести к полиномам по модулю к. В 1927 г. И.И. Жегалкиным доказано, что каждую функцию алгебры логики можно задать полиномом по модулю два. Выразимость каждой функции /с-значной логики полиномом по модулю к зависит от вида числа /с, а именно, каждая функция /с-значной логики задается полиномом по модулю к тогда и только тогда, когда к - простое число. Функции /с-значной логики, которые предста-вимы полиномами по модулю /с, названы полиномиальными.

Полное решение задачи выразимости одних функций при помощи других состоит в построении решетки замкнутых классов по включению. Э. Пост доказал, что в двузначном случае эта решетка счетная. В работе Ю.И. Яно-ва, А.А. Мучника показано, что при к > 3 эта решетка уже континуумальна. Кроме того, А.В. Кузнецовым доказано, что при каждом составном к все полиномиальные функции /с-значной логики образуют замкнутый класс, не являющийся предполным классом. В работах Г.П. Гаврилова, А.А. Крохина,

Д.Г. Мещанинова, А.Б. Ремизова, К.Л. Сафина, Е.В. Суханова, А.Н. Черепо-ва изучаются решетки замкнутых классов, содержащих все полиномиальные функции k-значной логики, и решетки полиномиальных функций k-значной логики, содержащих все линейные функции. При этих исследованиях получены критерии полиномиальности функций k-значной логики при составных k. Таким образом, одно из направлений исследований полиномиальных представлений функций k-значной логики связано с задачей полноты и выразимости.

Другое направление исследований функций k-значной логики относится к синтезу и сложности управляющих систем. В этом случае речь идет не о функциональной выразимости функции, как в первом случае, а о представимости функции определенным образом и о сложности такого представления. Надо отметить, что это направление тесно соприкасается и с прикладными исследованиями. Представления функций алгебры логики различными полиномиальными выражениями рассматриваются с точки зрения их применения при проектировании цифровых устройств. В работах А.С. Балюка, С.Ф. Винокурова, А.С. Зинченко, А.С. Казимирова, В.И. Пантелеева, Н.А. Перязева исследуются вопросы полиномиальной декомпозиции и операторных полиномиальных представлений функций алгебры логики и функций k-значной логики при k 3. Изучаются также представления логических функций и их систем в программируемых логических матрицах (ПЛМ). ПЛМ – это особый вид интегральных схем. С логической точки зрения в ПЛМ представляется либо некоторая дизъюнктивная нормальная форма (ДНФ), либо некоторая полиномиальная нормальная форма (ПНФ). В работах К.Д. Кириченко, Н.А. Перязева, В.П. Супруна, P. Besslich, T. Sasao исследуется сложность представлений функций алгебры логики полиномиальными формами некоторых видов. Если сравнивать длину ДФН и длину ПНФ для функций алгебры логики, то оказывается, что при помощи ПНФ функции задаются более ко-

роткими представлениями (для самых сложных функций). Экспериментальные результаты показывают, что для средней длины функций, зависящих от четырех переменных, ситуация аналогична.

С развитием вычислительной техники все большую актуальность приобретали вопросы построения быстрых алгоритмов для решения важных задач. В работах В.Б. Алексеева, А.А. Вороненко, Н.Р. Емельянова разработаны методы построения алгоритмов распознавания свойств, связанных с полнотой и выразимостью, для функций k-значной логики, заданных вектором своих значений, и построены быстрые распознающие алгоритмы для соответствующих задач. Построение полинома по модулю k для функции k-значной логики также является одной из важных задач. Известен быстрый алгоритм построения полинома Жегалкина для функции алгебры логики, который напрямую обобщается на случай функций k-значной логики для произвольного простого числа k. В 1995 г. Д.Г. Мещаниновым предложен быстрый алгоритм, который при составном k выясняет, является ли функция k-значной логики полиномиальной, и в случае положительного ответа строит какой-то ее полином по модулю k. Изучается также алгоритмическая сложность распознавания свойств функций алгебры логики и функций k-значной логики при k 3, заданных полиномами. Полином по модулю k (при простых k) в тех случаях, когда он содержит относительно небольшое число слагаемых, может рассматриваться как сокращенное представление функции k-значной логики или вектора из kn ее значений. В связи с известным результатом об NP-полноте задачи выполнимости конъюнктивных нормальных форм (КНФ) представляет интерес построение полиномиальных алгоритмов распознавания свойств функций k-значных логик в том случае, когда функция подается на вход алгоритма полиномом. Этот интерес вызван тем, что задачи распознавания свойств функций, заданных своими сокращенными представлениями, часто оказываются NP-трудными. В ряде работ доказывается, что

некоторые свойства функций k-значной логики можно распознать с полиномиальной сложностью, если на вход алгоритма функция подается в виде полинома. Таким образом, еще одно направление исследований полиномиальных представлений функций k-значных логик можно определить как алгоритмическое.

Полиномы по модулю k и их обобщения служат не только предметом изучения, но и являются подходящим средством при решении других важных задач. Полиномы по модулю два и по модулю степени простого числа применяются в методах доказательства экспоненциальных нижних оценок сложности СФЭ ограниченной глубины в базисах, содержащих сложение по модулю два, для некоторых функций алгебры логики. Полиномиальные представления функций алгебры логики над конечными кольцами применяются в теории сложности, в задачах квантовых вычислений. Полиномиальные формы находят применение при проектировании интегральных схем, т.к. построенные при помощи них схемы допускают достаточно простое тестирование. Полиномы Жегалкина и полиномы над конечными полями или кольцами нашли широкое применение при решении задач криптографии. Полиномы Жегалки-на и полиномиальные выражения оказались очень подходящими для исследования и описания криптографических свойств функций алгебры логики.

Исследуются не только полиномиальные формы, но и представления в полиномиальных базисах, т.е. такие представления, которые построены при помощи умножения и сложения по модулю k, а также констант. Изучается сложность реализации систем линейных функций алгебры логики СФЭ в базисе из одного элемента сложения по модулю два. Отметим одну особенность, касающуюся сравнения операций дизъюнкции и сложения по модулю два. Для систем элементарных дизъюнкций, которые определяют так называемую матрицу без прямоугольников, в 1966 г. Э.И. Нечипоруком доказано, что сложность их реализации СФЭ в базисе из одного элемента дизъюнкции

тривиальна, т.е. равна сумме сложностей реализации СФЭ в этом же базисе составляющих их функций. В ряде работ получены нелинейные нижние оценки сложности реализации явно заданных систем дизъюнкций СФЭ в базисе из одного элемента дизъюнкции. Для СФЭ в базисе из одного элемента сложения по модулю два ситуация оказалась другой. В 1996 г. К.А. Зыковым построена последовательность таких систем линейных функций, образующих матрицы без прямоугольников, что сложность реализации каждой системы этой последовательности СФЭ в базисе из одного элемента сложения по модулю два асимптотически в два раза меньше, чем тривиальная реализация этой системы. В ряде работ этот результат существенно усилен. Для явно заданных систем линейных функций известны только линейные нижние оценки сложности СФЭ в базисе из одного элемента сложения по модулю два, нелинейные нижние оценки сложности явно заданных систем получены в СФЭ с ограничениями. Рассматриваются также задачи, связанные с изучением наименьшего числа умножений, необходимого для вычисления функции или системы функций в полиномиальном базисе. При получении лучших из существующих на сегодняшний день оценок сложности умножения матриц, важной прикладной задачи, оказался подходящим класс билинейных алгоритмов, в которых оценивается число умножений. Изучается мультипликативная сложность функций алгебры логики, т.е. наименьшее число конъюнкций, которые необходимы, чтобы вычислить эту функцию СФЭ в базисе из конъюнкции, сложения по модулю два и константы единица. Мультипликативная сложность функций алгебры логики находит применение в теории сложности.

Целью работы является решение следующих задач при исследовании полиномиальных представлений функций k-значной логики:

нахождение оценок сложности представлений функций k-значной логики полиномиальными формами различных видов и разработка методов,

обеспечивающих эти оценки;

нахождение оценок сложности полиномов, приближающих функции k-значной логики с заданной точностью;

отыскание полиномиальных алгоритмов для распознавания важных свойств функций k-значной логики, заданных в виде полиномов;

получение оценок алгоритмической сложности построения полиномов по модулю k для функций k-значной логики;

нахождение оценок некоторых видов сложности вычисления функций k-значной логики в полиномиальных базисах и разработка методов, обеспечивающих эти оценки.

Методы исследований. В работе применяются методы дискретной математики и математической кибернетики, комбинаторные и алгебраические методы.

Научная новизна. Все результаты работы являются новыми и получены автором самостоятельно.

Теоретическая и практическая ценность. Диссертация носит теоретический характер. Полученные результаты могут применяться в дальнейших исследованиях полиномиальных представлений дискретных функций и при чтении курсов для студентов и аспирантов математических специальностей. При получении верхних оценок длины функций k-значных логик в различных классах полиномиальных форм описаны методы построения этих полиномиальных форм для произвольных функций. Эти методы могут применяться при проектировании цифровых устройств. Полученные в работе быстрые алгоритмы решения рассматриваемых задач могут применяться при решении этих задач на практике.

Апробация результатов работы. Результаты диссертации докладывались на научных и научно-исследовательских семинарах в Институте систем-8

ного программирования РАН, в Казанском (Приволжском) федеральном университете, «Математические вопросы кибернетики» механико-математического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, «Дискретная математика и математическая кибернетика» факультета ВМК МГУ имени М.В. Ломоносова, а также на следующих конференциях: IV Международный семинар «Дискретная математика и ее приложения» (Москва, 29 января - 2 февраля 2001 г.), 31th International Symposium of Multiple-Valued Logic (Poland, Warsaw, May 22-24, 2001 у.), Международная школа-семинар «Дискретная математика и математическая кибернетика» (Ратмино, 31 мая-3 июня 2001 г.), V Международная конференция «Дискретные модели в теории управляющих систем» (Ратмино, 26-29 мая 2003 г.), VI Международная конференция «Дискретные модели в теории управляющих систем» (Москва, 7-11 декабря 2004 г.), IX Международный семинар «Дискретная математика и ее приложения», посвященный 75-летию со дня рождения академика О.Б. Лу-панова (Москва, 18-23 июня 2007 г.), Третья международная конференция по проблемам безопасности и противодействия терроризму. Секция: Математические вопросы безопасности информационных технологий, МАБИТ-2007 (Москва, МГУ имени М.В. Ломоносова, 25-27 октября 2007 г.), Четвертая международная научная конференция по проблемам безопасности и противодействия терроризму. Секция: Математические вопросы безопасности информационных технологий, МАБИТ-2008 (Москва, МГУ имени М.В. Ломоносова, 30-31 октября 2008 г.), VIII Международная конференция «Дискретные модели в теории управляющих систем» (Москва, 6-9 апреля 2009 г.), XV Международная конференция «Проблемы теоретической кибернетики» (Казань, 2009 г.), X Международный семинар «Дискретная математика и ее приложения» (Москва, 1-6 февраля 2010 г.), Десятая общероссийская научная конференция «Математика и безопасность информационных технологий». Секция: Математические проблемы информационной безопасности

(Москва, МГУ имени М.В. Ломоносова, 2011 г.), XI Международный семинар «Дискретная математика и ее приложения», посвященный 80-летию со дня рождения академика О.Б. Лупанова (Москва, МГУ, 18-23 июня 2012 г.), 7th International Computer Science Symposium in Russia, CSR 2012 (Nizhny Novgorod, July 3-7, 2012 y.), Тихоновские чтения (Москва, МГУ имени М.В. Ломоносова, 29-31 октября 2012 г.), Тихоновские чтения (Москва, МГУ имени М.В. Ломоносова, 28 октября - 1 ноября 2013 г.), Ломоносовские чтения (Москва, МГУ имени М.В. Ломоносова, 14-23 апреля 2014 г.), XVII международная конференция «Проблемы теоретической кибернетики» (Казань, 16-20 июня 2014 г.), Third Russian Finnish Symposium on Discrete Mathematics (Petrozavodsk, September 16-18, 2014 y.), Тихоновские чтения (Москва, МГУ имени М.В. Ломоносова, 2014 г.), IX Международная конференция «Дискретные модели в теории управляющих систем» (Москва и Подмосковье, 20-22 мая 2015 г.).

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 55 работах [1-55], из которых 24 работы [3,5,11-13,15,19,21,24,25,28,29,32,37,38,41,47-50,52-54], а также перевод работы [36] в журналах из списка рецензируемых изданий, рекомендованного ВАК. В совместной работе [25] автору диссертации принадлежат постановка задачи и теоремы 1.11 и 1.13 диссертации, в совместной работе [28] автору диссертации принадлежат постановка задачи и теорема 4.7 диссертации, в совместной работе [48] автору диссертации принадлежат постановка задачи и теорема 1.12 диссертации. Совместная работа [50] обзорна, в ней описан подход, разработанный автором диссертации при доказательстве полиномиальности распознавания самодвойственности функции к-значной логики по ее полиному, а также рассматриваются свойства функций алгебры логики, для распознавания которых можно применить этот подход.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, основных определений, основного содержания работы, разделенного на 2 части,

Полиномиальные формы функций

Функция /с-значной логики /(жі,..., хп) называется симметрической, если для всех возможных значений переменных х\,..., хп верно для произвольной перестановки 7Г на множестве переменных {хі,... ,хп}. Множество всех симметрических функций /с-значной логики обозначим как Sk. Симметрическая функция /(жі,... , хп) называется периодической c периодом т = (TQT\ ... тт-і) Є Е%, если f(a) = Tj при \а\ = j(mod Т) для каждо го набора а Є Е%. При этом число Т называется длиной периода. Периодическую функцию /с-значной логики /(жі,... , хп) с периодом г = [TQT\ ... тт-і) Є Еі будем обозначать как /у v

Функция /с-значной логики задается (или представляется) полиномом по модулю к, если эту функцию можно записать в виде где Cj Є Ek - коэффициенты, Xj - произведения переменных в некоторых степенях, и сложение и умножение рассматриваются по модулю к, j = Мы будем полагать, что в представлениях вида (1) приведены подобные слагаемые и опущены слагаемые с нулевыми коэффициентами. Если Cj = 0 при всех j = 1,...,/, то мы говорим, что это пустой полином 0 с нулевым числом слагаемых, который представляет константу 0. Будем говорить, что моном Xj входит в полином вида (1) (или является слагаемым этого полинома), если коэффициент при нем не равен нулю, т.е. если Cj ф 0. Множество всех функций /с-значной логики, представимых полиномами по модулю к, обозначим как Polk, множество функций из Polk, зависящих от переменных Х\: ... ,хП, обозначается как Polvk. Каждая функция из множества Polk называется полиномиальной. Известно ( [218], стр. 69), что Polk = Рк тогда и только тогда, когда к - простое число.

Моном (одночлен) Ха = YI ХТ , где ХТ – степени, назовем соответствую г=1 щим набору а = ( 2i,..., ап) Є Е . Типом монома Ха, а Є Е , назовем множество t(Xa) = t(a) С {1,..., п}. Рангом монома Ха, а Є Е%, назовем число r(Xa) = \t(a)\. Степенью монома Ха, а Є Е%, назовем число deg(Xa) = \а\. Если к - простое число, то каждая функция /с-значной логики /(жі,... , хп) может быть однозначно задана полиномом вида где Cf (а) Є Ek - коэффициенты, а Є Е , и операции сложения и умножения рассматриваются по модулю к [218] (стр. 69-71), [219] (стр. 38-39) (если Cf (а) = 0 при всех а Є Е%, то это пустой полином 0). Это представление функции /с-значной логики назовем ее полиномом по модулю к. В двузначном случае полином по модулю 2 вида (2) называется полиномом Жегалкина. При простом к однозначно определенный полином по модулю к вида (2) для функции /с-значной логики / будем обозначать как P(f). При простом к вектором коэффициентов полинома P(f) функции /с-значной логики /(жі,... ,хп) называется вектор значений функции с/(жі,..., хп).

Везде в дальнейшем, если не оговорено другое, будем считать, что к -простое число, и под операциями сложения и умножения в формулах для функций /с-значной логики понимается сложение и умножение по модулю к. При этом, если не оговорено другое, знак 0 обозначает операцию сложения по модулю два.

Рангом г(f) (соответственно, степенью deg(/)) функции /с-значной логики f(xi,..., Хп) назовем наибольший ранг (соответственно, степень) среди слагаемых с ненулевыми коэффициентами в ее полиноме P{f), т(0) = deg(0) = 0 по определению. Длиной /(/) функции /с-значной логики f(xi,... ,хп) назовем число попарно различных слагаемых с ненулевыми коэффициентами в ее полиноме P(f). Множеством (семейством) типов слагаемых полинома функции f(xi,..., Хп) назовем семейство T(P(f)) типов слагаемых с ненулевыми коэффициентами в полиноме P(f). Весом w(P(f)) полинома функции /с-значной логики /(жі,... ,хп) назовем число \T(P(f))\.

Функция /с-значной логики /(жі,..., хп) называется аффинной, если ее сте пень не больше единицы, т.е. если deg(/) 1. Аффинная функция /с-значной логики j{Xi,... , хп) называется линейной, если c/(U,..., U) = U. Функция к-значной логики /(жі,..., жп) называется мультиаффинной, если эта функция может быть представлена в виде произведения некоторых аффинных функций. Функция /с-значной логики /(жі,... , хп) называется квадратичной, если ее степень равна двум, т.е. если deg(/) = 2.

Мы будем рассматривать полиномиальные формы для функций /с-значной логики. В общем виде, полиномиальной формой (ПФ) для функций /с-значной логики будем называть формулу вида где Cj Є Ek, а Xj - это произведения функций /с-значной логики определенного вида. Эти функции определенного вида будем называть базисными функциями. Мы будем считать, что в ПФ приведены подобные слагаемые, при этом мы будем полагать, что слагаемые Xj различны, если в них перемножаются разные совокупности базисных функций. Также будем считать, что в ПФ слагаемые с нулевыми коэффициентами (CJ = 0) опущены. Если Cj = 0 при всех j = 1,..., /, то мы говорим, что это пустая ПФ 0 с нулевым числом слагаемых, которая представляет константу 0. Мы будем говорить, что выражение Xj входит в некоторую ПФ (является слагаемым этой ПФ), если в этой ПФ коэффициент Cj при нем не равен нулю. Обычный полином по модулю к также является ПФ. Длиной l(Q) ПФ Q назовем число ее попарно различных слагаемых с ненулевыми коэффициентами. Пусть К -какой-то класс полиномиальных форм, которыми представима каждая функция /с-значной логики. Тогда длиной lf{f) функции / Є Рк в классе ПФ К называется наименьшая из длин среди всех ПФ из класса К, которые задают функцию /. Длиной Lf(n) функций /с-значной логики в классе ПФ К называется наибольшая из длин функций из множества Pj? в классе ПФ К.

Различные полиномиальные формы отличаются видом их базисных функций. Мы будем рассматривать следующие полиномиальные формы: поляризованные полиномиальные формы (ППФ), обобщенно поляризованные полиномиальные формы (ОППФ), полиномиальные нормальные формы (ПНФ) и псевдополиномиальные формы (ПСПФ). Каждый следующий вид полино-мильной формы в этом перечислении является расширением предыдущего. Каждый из перечисленных видов полиномиальных форм будет строго определен в соответствующем разделе.

Пусть Ak С Рк - свойство на множестве функций /с-значной логики Рк. Тогда под задачей распознавания свойства Ак для функций /с-значной логики, заданных полиномами по модулю к, мы понимаем следующую задачу. Вход: функция /с-значной логики /(жі,... , жп), заданная в виде полинома P(f). Вопрос: верно ли, что / Є А . При исследовании алгоритмической сложности распознавания свойств функций /с-значной логики, заданных полиномами, мы будем подразумевать некоторую алгоритмически полную алгоритмическую модель, например, равнодоступную адресную машину (РАМ) [203] (стр. 15), на вход которой подается полином P(f) функции /с-значной логики /(жі,... ,хп) в виде слова a(P(f)) Є А , где А = Ек U {+} = {0,1,..., к — 1, +}.

Приближение функций полиномами

Таким образом, построена последовательность симметрических функций трехзначной логики, длина которых в классе ППФ растет быстрее, чем полученная нижняя мощностная оценка соответствующей функции Шеннона. Но, в отличие от двузначного случая, длина функций в построенной нами последовательности не достигает и полученной нами верхней оценки функции Шеннона в классе ППФ (теорема 1.3). Поэтому вопрос об асимптотике длины функций /с-значной логики в классе ППФ (при п — оо) при к 3 остается открытым.

Можно рассматривать ППФ не для отдельных функций, а систем функций /с-значной логики. В этом случае можно по-разному определять сложность (длину) таких представлений систем функций. Мы рассмотрим такое определение сложности систем функций /с-значной логики в классе ППФ, которое уместно с точки зрения реализации систем функций программируемыми логическими матрицами (ПЛМ) [217].

Сложностью системы ППФ, имеющих один и тот же вектор поляризации, называется число попарно различных слагаемых, встречающихся во всех этих ППФ. При простых к сложностью Lk {F) системы функций /с-значной логики F = {/і(жі,..., хп),..., fm(xi,... , хп)} в классе ППФ называется наименьшая сложность среди всех таких систем ППФ {pi,... ,рт}, что все ППФ pi,... ,рт имеют один и тот же вектор поляризации, и ППФ pj реализует функцию fj,j = 1,... ,m. Для произвольной системы функций /с-значной логики F = {fi(x\,..., хп),..., fm(xi,... , хп)} верно L П, (F) кп. Пусть к - простое число, и Ак С Рк, а Ак = Ак П Р. Введем функцию ЬП (т,п) (функцию Шеннона) сложности систем функций /с-значной логики, принадлежащих множеству А, в классее ППФ:

Рассмотрим периодические функции алгебры логики /у11Пч /у1т, /Vm спе (IIUJ, (11)1) (OilJ риодами длины 3. Для простоты обозначим их как /n, дп, hn соответственно. Эти функции рассматривал Н.А. Перязев в [115]. В [115] доказаны следующие свойства этих функций: при п 1 для периодических функций алгебры

Доказательство проведем индукцией по п. Базис индукции: п = 1. Тогда при поляризации = (0) мы получаем следующие системы ППФ {1, х\ 0 1}, {1,Жі}, {хі 0 1,Жі}. При поляризации 6 = (1) мы получаем такие системы ППФ {1,жі}, {1,Жі 0 1}, {жі,Жі 0 1}. Мы видим, что при каждой из возможных поляризаций сложность каждой из рассматриваемых систем равна двум. Следовательно, базис индукции обоснован.

Индуктивный переход: предположим, что для некоторого п, п 1, утверждение теоремы 1.6 верно. Рассмотрим вектор поляризации 6 = (di,..., dn, dn+\) Є Е + . Обозначим вектор (d\,..., dn) Є Е как 5.

Сначала рассмотрим систему F\ = {fn+i,gn+i}. Пусть dn+\ = 0. Тогда по перечисленным выше свойствам из [115] верно, что Р5 (fn+i) = %n+iPs(hn) 0 Ps(fn), PS І9п+і) = Xn+\P5{fn) 0 PS(9n) По индуктивному предположению при векторе поляризации 6 ППФ Ps(fn) и Ps(gn) содержат 2П попарно различных слагаемых. Аналогично по индуктивному предположению при векторе поляризации 5 ППФ P5(hn) и Ps(fn) содержат 2П попарно различных слагаемых. А значит, и ППФ xn+\P6{hn) и xn+\P5(fn) содержат 2П попарно различных слагаемых. Следовательно, при векторе поляризации (d\,..., dn, 0) Є Е + сложность системы F\ равна 2n+1. Пусть теперь dn+i = 1. Тогда по перечисленным выше свойствам из [115] верно, что Р6 (fn+i) = Xn+\P6{hn) 0 P6{9n)i Р6 І9п+і) = Xn+\P6{fn) 0 PS(hn). Аналогичными рассуждениями доказываем, что при векторе поляризации (d\,... ,dn, 1) Є E + сложность системы F\ равна 2n+1. Следовательно, для системы F\ индуктивный переход обоснован. Индуктивный переход для систем F2 и F% обосновывается аналогично. 2. Теперь рассмотрим общий случай т 2. Положим, что система Fm n f110N Є TOjn, и /поп т,п. Тогда по доказанному в п. 1 верно

Доказательство проведем индукцией по п. Базис индукции: п = 1. По лемме 1.6 мы видим, что при каждой из возможных поляризаций (d), d Є Е%, сложность каждой из рассматриваемых систем равна 3. Следовательно, базис индукции обоснован. Индуктивный переход: предположим, что для некоторого п, п 1, утверждение теоремы 1.7 верно. Рассмотрим вектор поляризации 6 = (di,..., dn, dn+\) Є Е + . Обозначим вектор (d\,..., dn) Є Е как 5. Сначала рассмотрим систему F\ = {fn+ii9n+i}. Пусть dn+\ = 0. По лемме 1.5 мы получаем, что Ps (fn+i) = aixn+i-PSІ9п) + b\xn+iP6\hn) + c\Ps(fn), P6 (gn+i) = a2%n+iPs(fn) + b2Xn+\Ps(tn) + C2Ps(gn), где ai, &i, ci, Й2, &2? c2 {1, 2}. По индуктивному предположению при векторе поляризации 6 ППФ Ps(fn) и Ps(gn) содержат Зп попарно различных слагаемых. Значит, и ППФ x2n+lP6{fv) и x2n+lP6 {gv) содержат Зп попарно различных слагаемых. Аналогично по индуктивному предположению при векторе поляризации 5 ППФ P6{hn) и P6{tn) содержат Зп попарно различных слагаемых. А значит, и ППФ xn+\P6{hn) и xn+\P6{tn) содержат Зп попарно различных слагаемых. Следовательно, при векторе поляризации (d\,... ,dn,0) Є Е + сложность системы F\ равна 3n+1.

Обозначим множество всех одноместных функций /с-значной логики, степень которых в точности равна т, как Dm, т = 1,..., к — 1. Пусть D = Dk Обобщенным вектором поляризации назовем вектор 5 = (ді,..., 5п), в котором Si = (siyk-i{xi), степень функции Si,m{xi) равна т. поляризованной полиномиальной формой (ОППФ), или обобщенно поляризованным полиномом по вектору S назовем сумму попарно различных обобщенно поляризованных по тому же вектору мономов с коэффициентами из Е . Число попарно различных слагаемых с ненулевыми коэффициентами обобщенно поляризованного полинома Р назовем его длиной 1(Р).

Нахождение полиномиальных представлений функций

Пусть s(x) - связное преобразование. Каждый элемент единственного цикла графа G(s) назовем циклическим элементом преобразования s(x). Отметим некоторые свойства циклических элементов преобразований. Если а Є Ek - циклический элемент связного преобразования s(x) Є Р ранга q, то 1) для произвольного элемента Ъ Є Ek найдется такое число т 0, что sm(b) = а; 2) sq(a) = а; 3) для произвольного числа т 0 элемент sm(a) также является циклическим. Перечисленные свойства циклических элементов следуют из определения циклического элемента.

Зафиксируем некоторый циклический элемент а Є Ek связного преобразования s(x) Є Р. Тогда для произвольного числа т 0 найдется такой единственный циклический элемент Ъ Є Ek, что sm(b) = а. Положим по определению, что s m(a) = Ъ.

Лемма 3.3. [233] Пусть к 2. Если функция /(жі,..., хп) Є Pk инвариантна относительно набора связных преобразований Si(x), ..., sn{x), то для произвольного і (1 і п) найдется такое связное преобразование s x) с нулевым циклическим элементом, эквивалентное преобразованию Si{x), что функция f(xi, ..., хп) инвариантна относительно набора преобразований Si(x),..., Si-i(x), s x), Si+i(x), ..., sn(x). Доказательство. 1. Рассмотрим преобразование Si(x) (1 і n). Возможны две ситуации: либо 0 является циклическим элементом SJ(IE), либо нет. Если верна первая из них, то пусть s x) = Si(x). Иначе, пусть а Є Ek - некоторый циклический элемент преобразования Si(x). T.к. Si(x) - связное преобразование, найдутся такие числа т 0 и rrii2 О, что si n(0) = si n{a).

Положим, что rrii3 = rrii2 — rrii1. Тогда циклический элемент si гз(а) Є Ek эквивалентен элементу 0. Таким образом, мы обнаружили циклический элемент (обозначим его как с), эквивалентный элементу 0. Построим преобразование s x) по следующим правилам: а) s (0) = Si(c); б) s (c) = Sj(0); в) если Si(x) = 0, то s x) = с; г) если Si(x) = с, то s lix) = 0; д) во всех оставшихся возможными случаях преобразования s x) и Si{x) совпадают.

Докажем, что преобразования s x) и Si{x) эквивалентны. Другими словами, нам надо доказать верность двух условий определения эквивалентных преобразований. Содержательно их выполнение следует из того, что т.к. 0 Si с, классы эквивалентности, на которые разбивают множество Ek преобразования Si и s i, совпадают и порядок следования их друг за другом при применении преобразований Si и s одинаков. Теперь более подробно.

Леммы 3.1, 3.2 и 3.3 описывают функциональные свойства функций к-значной логики, инвариантных относительно связных преобразований. В следующей лемме 3.4 представлено одно структурное свойство их полиномов относительно операций поля Fk.

Напомним, что семейство всех типов слагаемых полинома Ppk(f) обозначается как Т(РрА()). Обозначим как Т (РрЛО) множество пересечений всех возможных / элементов (не обязательно различных) из семейства T(Ppk(f)).

Лемма 3.4. [233] Пусть к = ph, где р - простое число, h 1, и F = (Ek] +, ) - поле. Если функция /(жі,..., хп) Є Pk, не равна нулю и инвариантна относительно набора связных преобразований Si(x),..., sn(x) ранга а, то 0 Є T (Pj?,(f)).

Доказательство. По лемме 3.3 мы можем полагать, что элемент 0 является циклическим для каждого из преобразований Si{x). 1. Если функция / равна константе а Є Е} , а ф О, то Ppk(f) = а, и 0 є T q (Pp,(f\). 2. Пусть теперь функция / не равна константе. Заметим, что функция f(xi,... ,хп) инвариантна относительно некоторого набора преобразований тогда и только тогда, когда относительно этого же набора преобразований инвариантна функция /(жі,..., хп) + а для произвольного а Є Е . Поэтому, мы можем считать, что /(0,..., 0) = 0. Т.к. функция /(жі,..., хп) не равна 0, найдется такой ненулевой набор ( 2і,... ,ап) Є Е%, что /( 2і,... ,ап) Ф 0. Пусть mi,...,mn 0 такие числа, что й (а ) Є являются циклическими элементами, і = 1,...,п. Пусть т — наибольшее из чисел mi,... ,тп. Положим, что bi = sm(ai) Є Е . По замечанию к определению циклического элемента &і,..., Ъп являются циклическими элементами.

Каждому связному преобразованию s{x) с нулевым циклическим элемен том сопоставим функцию ts(x), построенную по правилу: для каждого эле мента а Є Ek верно ts(a) = m, если т - наименьшее из всех таких чисел, что sm(a) = 0, т 0. Назовем функцию ts(x) функцией расстояний пре образования s(x). По определению функции расстояний ts(x) связного пре образования s(x) с нулевым циклическим элементом верно, что sts x (x) = 0 и sts (x) = s(x) = х. Имеет место также следующее равенство: если S\(x) - связное преобразование с нулевым циклическим элементом, tSl(x) - его функция расстояний, и S2(x) — связное преобразование, то s24 г (2(2/)) = s2 (у). Действительно, s2 {S2{y)) = s2 [у) = s2 (у). Лемма 3.5. [233] Пусть к 2. Функция f(xi,... ,хп) Є Pk инвариантна относительно набора связных преобразований si(x),..., sn(x) с нулевыми циклическими элементами тогда и только тогда, когда

Докажем необходимость. Пусть функция /(жі,... ,хп) инвариантна относительно набора связных преобразования Si(x),..., sn(x) с нулевыми циклическими элементами. Пусть t\{x) — функция расстояний преобразования S\{x).

Мультипликативная сложность функций алгебры логики

Нижняя оценка доказывается аналогично доказательству теоремы 4.5. Пусть задана какая-то СФЭРП Sn в базисе о, реализующая систему Пп.

Докажем, что в СФЭРП Sn каждому такому набору а Є Е%, что 1 \а\ п, можно сопоставить не менее 3- \а\ элементов конъюнкции или дизъюнкции, причем так, что для разных наборов а и (3 соответствующие им множества элементов не пересекаются, и если элемент s соответствует набору а, то из этого элемента s найдется ориентированный путь в выход v(a). Доказывать это утверждение будем индукцией по весу наборов t, 1 t п.

Базис индукции: t = 1. Пусть а Є Е , и \а\ = 1. Рассмотрим в СФЭРП Sn куст, растущий из выхода v(a). На выходе v(a) реализуется функция /(О,..., 0) 0 /(а), поэтому этот куст содержит хотя бы 3 элемента конъюнкции или дизъюнкции [194]. Припишем всем таким элементам пометку а. Если 1 ф (У-2, \&і\ = ск2І = 1, то пометки а,\ и «2 будут приписаны разным элементам. В самом деле, пусть какой-то элемент s получил хотя бы две пометки, OL\ и «2, OL\ ф СЇ2. Рассмотрим куст, растущий из элемента s. Если он содержит только один вход, то элемент s без ущерба для СФЭРП можно удалить. Пусть он содержит два входа, например, it(0,... ,0) и и{а\). Но тогда есть ориентированный путь из входа и{а\) к элементу s, и есть ориентированный путь из элемента s к выходу (о ). Противоречие, этого не может быть в силу разделенности переменных СФЭРП.

Индуктивный переход от t — 1 к t, 2 t п. Пусть в СФЭРП Sn каждому такому набору /З Є Е , что 1 /3 t — 1, сопоставлено не менее 3 /3 элементов конъюнкции или дизъюнкции, причем множества элементов, сопоставленных разным наборам, не пересекаются, и если элемент s сопоставлен набору /3, то из этого элемента s найдется ориентированный путь в выходную вершину v((3).

Преобразуем СФЭРП Sn: подадим на все входы и((3), /3 t — 2 значение 0. Рассмотрим в СФЭРП Sn произвольный элемент конъюнкции или дизъюнкции s, которому сопоставлен набор /3, где 1 /3 t — 2. Из элемента s есть ориентированный путь в выход v((3), поэтому в элемент s могут вести ориентированные пути только из входов, на которые поданы 0. Преобразуем СФЭРП Sn по правилам алгебры логики О&ж = 0, 0 V ж = ж, 0 = 1, 1&ж = ж, 1 Ух = 1 и т.д. до тех пор, пока это возможно. При этом мы удалим все входы и{(3), \(3\ t — 2, все элементы, хотя бы на один вход которых пришла константа 0 или константа 1, и все выходы v((3), \(3\ t — 2 (на каждом из таких выходов реализуется функция, тождественно равная нулю). Отметим также, что при этом удалятся все вершины, которым были сопоставлены наборы /3, где 1 /3 t — 2, т.к. в эти вершины вели ориентированные пути только от входов, которым мы приписали 0. Обозначим полученную СФЭРП с входами и(а), \а\ t — 1, и выходами v(a), \а\ t — 1, как S n

Итак, в СФЭРП S n t] нет элементов конъюнкции и дизъюнкции, сопоставленных наборам /3, где 1 /3 t — 2. Но в СФЭРП S n могут быть элементы конъюнкции или дизъюнкции, сопоставленные каким-то наборам /3, /3 = t — 1. Рассмотрим такой элемент s. Пусть он сопоставлен набору /3. Рассмотрим выход v((3), /3 = t — 1. На нем реализуется тождественная функция и((3). Из элемента s есть ориентированный путь в выход v((3). Поэтому в силу разделенности переменных СФЭРП S„/ в элемент s могут вести ориентированные пути только из входа и((3). Поэтому элемент s можно удалить без ущерба для функционирования СФЭРП и не увеличивая ее сложность. Таким же образом удалим все элементы конъюнкции и дизъюнкции, сопоставленные наборам /3, /3 = t — 1.

Обозначим полученную СФЭРП с входами и(а), \а\ t — 1, и выходами v(a), \а\ t — 1, как SV. Заметим, что по построению в СФЭРП S{n] нет элементов конъюнкции и дизъюнкции, сопоставленных наборам /3, 1 /3 t — 1.

Пусть ск = t. Рассмотрим в СФЭРП п куст, растущий из выхода v(a). На выходе -и(а) реализуется функция и(а) 0 ф u{fi), т.е. сумма по модулю 2 своих (t + 1) входов. Для этого требуется не менее 3(t + 1) — 3 = 3t элементов конъюнкции и дизъюнкции [194]. Припишем всем таким элементам пометку а.

Если а,\ Ф (І2, \OL\\ = «2І = t, то пометки «і и «2 будут приписаны разным элементам. В самом деле, пусть какой-то элемент s получил хотя бы две пометки, а,\ и «2, OL\ ф СЇ2. Рассмотрим куст, растущий из элемента s. Если он содержит только один вход, то его без ущерба для СФЭ можно удалить. Пусть он содержит хотя бы два входа и{(3\) и и((32), А ф @2. Тогда, т.к. ({скі} U S{(1\)) П ({«2} U S{(l2)) 1, например, не верно, что /Зі OL I. Тогда, с одной стороны, найдется ориентированный путь от входа it (/Зі) к элементу s. А с другой стороны, найдется ориентированный путь от элемента s к выходу v{a,2). Получаем противоречие с разделенностью переменных СФЭРП. Индуктивный переход обоснован.