समुच्चय संवेष्टन: Difference between revisions

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[[कम्प्यूटेशनल जटिलता सिद्धांत]] और [[साहचर्य]] में [[सबसेट]] संवेष्टन एक शास्त्रीय एनपी-पूर्ण समस्या है, और कार्प की 21 एनपी-पूर्ण समस्याओं में से एक थी। मान लीजिए कि किसी के पास एक परिमित समुच्चय ''S'' है और ''S'' के उपसमुच्चय की एक सूची है। फिर, सम्मुच्चय संवेष्टन समस्या पूछती है कि सूची में कुछ ''के'' उपसमुच्चय जोड़ीदार [[अलग सेट|अलग सम्मुच्चय]] हैं (दूसरे शब्दों में, उनमें से कोई भी तत्व साझा नहीं करता है)।
[[कम्प्यूटेशनल जटिलता सिद्धांत]] और [[साहचर्य]] में [[सबसेट|उपसमुच्चय]] संवेष्टन एक पारम्परिक NP-पूर्ण समस्या है, और कार्प की 21 NP-पूर्ण समस्याओं में से एक थी। मान लीजिए कि किसी के पास एक परिमित समुच्चय ''S'' है और ''S'' के उपसमुच्चय की एक सूची है। फिर, '''सम्मुच्चय संवेष्टन''' समस्या पूछती है कि सूची में कुछ k उपसमुच्चय जोड़ीदार [[अलग सेट|अलग सम्मुच्चय]] हैं (दूसरे शब्दों में, उनमें से कोई भी तत्व साझा नहीं करता है)।


अधिक औपचारिक रूप से, एक ब्रह्मांड दिया <math>\mathcal{U}</math> और एक परिवार <math>\mathcal{S}</math> के सबसेट का <math>\mathcal{U}</math>,
अधिक औपचारिक रूप से, एक समष्टि <math>\mathcal{U}</math> और उपसमुच्चय <math>\mathcal{U}</math> का एक वर्ग <math>\mathcal{S}</math> दिया गया है, संवेष्टन एक उपवर्ग <math>\mathcal{C}\subseteq\mathcal{S}</math> है, सम्मुच्चय के ऐसे कि <math>\mathcal{C}</math> में सभी सम्मुच्चय जोड़े में अलग हैं। संवेष्टन का आकार <math>|\mathcal{C}|</math> है। सम्मुच्चय संवेष्टन [[निर्णय समस्या]] में, निविष्ट एक जोड़ी <math>(\mathcal{U},\mathcal{S})</math> और एक पूर्णांक <math>k</math> है; सवाल यह है कि क्या आकार का एक सम्मुच्चय संवेष्टन <math>k</math> या अधिक है। सम्मुच्चय संवेष्टन [[अनुकूलन समस्या]] में, निविष्ट एक जोड़ी <math>(\mathcal{U},\mathcal{S})</math> है, और कार्य एक सम्मुच्चय संवेष्टन ढूंढना है जो सबसे अधिक सम्मुच्चय का उपयोग करता है।
एक संवेष्टन एक उपपरिवार है <math>\mathcal{C}\subseteq\mathcal{S}</math> सम्मुच्चय के ऐसे कि सभी सम्मुच्चय हो जाते हैं <math>\mathcal{C}</math> जोड़ीदार असंयुक्त हैं। संवेष्टन का आकार है <math>|\mathcal{C}|</math>. सम्मुच्चय संवेष्टन [[निर्णय समस्या]] में, इनपुट एक जोड़ी है <math>(\mathcal{U},\mathcal{S})</math> और एक पूर्णांक <math>k</math>; सवाल यह है कि क्या
आकार का एक सम्मुच्चय संवेष्टन है <math>k</math> या अधिक। सम्मुच्चय संवेष्टन [[अनुकूलन समस्या]] में, इनपुट एक जोड़ी है <math>(\mathcal{U},\mathcal{S})</math>, और कार्य एक सम्मुच्चय संवेष्टन ढूंढना है जो सबसे अधिक सम्मुच्चय का उपयोग करता है।


समस्या स्पष्ट रूप से एन[[पी (जटिलता)]] में है, क्योंकि दिए गए के उपसमुच्चय, हम आसानी से सत्यापित कर सकते हैं कि वे पी (जटिलता) में जोड़ीदार असंयुक्त हैं।
समस्या स्पष्ट रूप से NP में है, दिए गए t उपसमुच्चय के बाद से, हम आसानी से सत्यापित कर सकते हैं कि वे बहुपद समय में जोड़ीदार हैं।


समस्या की अनुकूलन समस्या, 'अधिकतम सम्मुच्चय संवेष्टन', सूची में जोड़ीदार असंयुक्त सम्मुच्चय की अधिकतम संख्या के लिए पूछती है। यह एक अधिकतमकरण समस्या है जिसे संवेष्टन समस्याओं के वर्ग से संबंधित एक [[पूर्णांक रैखिक कार्यक्रम]] के रूप में स्वाभाविक रूप से तैयार किया जा सकता है।
समस्या की अनुकूलन समस्या, 'अधिकतम सम्मुच्चय संवेष्टन', सूची में जोड़ीदार असंयुक्त सम्मुच्चय की अधिकतम संख्या के लिए पूछती है। यह एक अधिकतमकरण समस्या है जिसे संवेष्टन समस्याओं के वर्ग से संबंधित एक [[पूर्णांक रैखिक कार्यक्रम]] के रूप में स्वाभाविक रूप से तैयार किया जा सकता है।
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| (उपसमुच्चय की कुल संख्या को अधिकतम करें)
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| <math>\sum_{S\colon e \in S} x_S \leqslant 1 </math>
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| for all <math>e\in \mathcal U</math>
| for all <math>e\in \mathcal U</math>
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== जटिलता ==
== जटिलता ==


सम्मुच्चय संवेष्टन समस्या न केवल एनपी-पूर्ण है, बल्कि इसका अनुकूलन संस्करण (सामान्य अधिकतम सम्मुच्चय संवेष्टन समस्या) को अधिकतम क्लिक समस्या के रूप में अनुमानित करना मुश्किल साबित हुआ है; विशेष रूप से, इसे किसी स्थिर कारक के भीतर अनुमानित नहीं किया जा सकता है।<ref>{{citation
सम्मुच्चय संवेष्टन समस्या न केवल NP-पूर्ण है, बल्कि इसका अनुकूलन संस्करण (सामान्य अधिकतम सम्मुच्चय संवेष्टन समस्या) को अधिकतम क्लिक समस्या के रूप में अनुमानित करना कठिन सिद्ध हुआ है; विशेष रूप से, इसे किसी स्थिर कारक के भीतर अनुमानित नहीं किया जा सकता है।<ref>{{citation
  | last1 = Hazan | first1 = Elad
  | last1 = Hazan | first1 = Elad
  | last2 = Safra | first2 = Shmuel
  | last2 = Safra | first2 = Shmuel
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  | year = 2006| citeseerx = 10.1.1.352.5754
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  | s2cid = 1858087
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  }}. See in particular p.&nbsp;21: "Maximum clique (and therefore also maximum independent set and maximum set packing) cannot be approximated to within <math>O(n^{1-\epsilon})</math> unless NP &sub; ZPP."</ref> सबसे अच्छा ज्ञात एल्गोरिथम इसके एक कारक के भीतर इसका अनुमान लगाता है <math>O(\sqrt{|U|})</math>.<ref>{{cite conference
  }}. See in particular p.&nbsp;21: "Maximum clique (and therefore also maximum independent set and maximum set packing) cannot be approximated to within <math>O(n^{1-\epsilon})</math> unless NP &sub; ZPP."</ref> सबसे अच्छी ज्ञात कलन विधि इसके एक कारक <math>O(\sqrt{|U|})</math> के भीतर इसका अनुमान लगाती है। <ref>{{cite conference
| last1 = Halldórsson | first1 = Magnus M.
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}}</ref> वेटेड वेरिएंट को भी अनुमानित किया जा सकता है।<ref>{{cite conference
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| last = Halldórsson | first = Magnus M.
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== एक बंधे हुए आकार के साथ संवेष्टन सम्मुच्चय ==
== संकुल आकार के साथ संवेष्टन सम्मुच्चय ==
समस्या का एक संस्करण है जो अधिक ट्रैक्टेबल है। किसी भी धनात्मक पूर्णांक k≥3 को देखते हुए, 'k-सम्मुच्चय संवेष्टन समस्या' सम्मुच्चय संवेष्टन का एक प्रकार है जिसमें प्रत्येक सम्मुच्चय में अधिकतम k तत्व होते हैं।
समस्या का एक संस्करण है जो अधिक सुविधाजनक है। किसी भी धनात्मक पूर्णांक k≥3 को देखते हुए, ''''k-सम्मुच्चय संवेष्टन समस्या'''<nowiki/>' सम्मुच्चय संवेष्टन का एक प्रकार है जिसमें प्रत्येक सम्मुच्चय में अधिकतम k तत्व होते हैं।


जब k = 1, समस्या तुच्छ है। जब k = 2, समस्या एक [[अधिकतम कार्डिनैलिटी मिलान]] खोजने के बराबर होती है, जिसे बहुपद समय में हल किया जा सकता है।
जब k = 1, समस्या तुच्छ है। जब k = 2, समस्या एक [[अधिकतम कार्डिनैलिटी मिलान|अधिकतम गणनांक मिलान]] खोजने के बराबर होती है, जिसे बहुपद समय में हल किया जा सकता है।


किसी भी k≥3 के लिए, समस्या एनपी-हार्ड है, क्योंकि यह [[3-आयामी मिलान]] से अधिक सामान्य है। हालाँकि, [[निरंतर-कारक सन्निकटन एल्गोरिदम]] हैं:
किसी भी k≥3 के लिए, समस्या NP-कठोर है, क्योंकि यह [[3-आयामी मिलान]] से अधिक सामान्य है। हालाँकि, [[निरंतर-कारक सन्निकटन एल्गोरिदम|निरंतर-कारक सन्निकटन कलन विधि]] हैं:


* साइगन<ref>{{Cite journal |last=Cygan |first=Marek |date=October 2013 |title=Improved Approximation for 3-Dimensional Matching via Bounded Pathwidth Local Search |url=https://ieeexplore.ieee.org/document/6686187 |journal=2013 IEEE 54th Annual Symposium on Foundations of Computer Science |pages=509–518 |doi=10.1109/FOCS.2013.61|arxiv=1304.1424 |isbn=978-0-7695-5135-7 |s2cid=14160646 }}</ref> एक एल्गोरिथ्म प्रस्तुत किया है, जो किसी भी ε>0 के लिए, एक (k+1+ε)/3 सन्निकटन प्राप्त करता है। रन-टाइम सम्मुच्चय और तत्वों की संख्या में बहुपद है, लेकिन 1/ε में दोगुना-घातीय है।
* साइगन ने <ref>{{Cite journal |last=Cygan |first=Marek |date=October 2013 |title=Improved Approximation for 3-Dimensional Matching via Bounded Pathwidth Local Search |url=https://ieeexplore.ieee.org/document/6686187 |journal=2013 IEEE 54th Annual Symposium on Foundations of Computer Science |pages=509–518 |doi=10.1109/FOCS.2013.61|arxiv=1304.1424 |isbn=978-0-7695-5135-7 |s2cid=14160646 }}</ref> एक कलन विधि प्रस्तुत करी, जो किसी भी ε>0 के लिए, एक (k+1+ε)/3 सन्निकटन प्राप्त करता है। कार्यावधि सम्मुच्चय और तत्वों की संख्या में बहुपद है, लेकिन 1/ε में दोगुना-घातीय है।
* फ्यूरर और यू<ref>{{Cite journal |last1=Fürer |first1=Martin |last2=Yu |first2=Huiwen |date=2014 |editor-last=Fouilhoux |editor-first=Pierre |editor2-last=Gouveia |editor2-first=Luis Eduardo Neves |editor3-last=Mahjoub |editor3-first=A. Ridha |editor4-last=Paschos |editor4-first=Vangelis T. |title=स्थानीय सुधारों द्वारा $$k$$-सेट पैकिंग समस्या का अनुमान लगाना|url=https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-319-09174-7_35 |journal=Combinatorial Optimization |series=Lecture Notes in Computer Science |volume=8596 |language=en |location=Cham |publisher=Springer International Publishing |pages=408–420 |doi=10.1007/978-3-319-09174-7_35 |isbn=978-3-319-09174-7|s2cid=15815885 }}</ref> एक एल्गोरिदम प्रस्तुत किया जो समान सन्निकटन प्राप्त करता है, लेकिन 1/ε में रन-टाइम सिंगल-एक्सपोनेंशियल के साथ।
* फ्यूरर और यू ने <ref>{{Cite journal |last1=Fürer |first1=Martin |last2=Yu |first2=Huiwen |date=2014 |editor-last=Fouilhoux |editor-first=Pierre |editor2-last=Gouveia |editor2-first=Luis Eduardo Neves |editor3-last=Mahjoub |editor3-first=A. Ridha |editor4-last=Paschos |editor4-first=Vangelis T. |title=स्थानीय सुधारों द्वारा $$k$$-सेट पैकिंग समस्या का अनुमान लगाना|url=https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-319-09174-7_35 |journal=Combinatorial Optimization |series=Lecture Notes in Computer Science |volume=8596 |language=en |location=Cham |publisher=Springer International Publishing |pages=408–420 |doi=10.1007/978-3-319-09174-7_35 |isbn=978-3-319-09174-7|s2cid=15815885 }}</ref> एक कलन विधि करी जो 1/ε में कार्यावधि एकधा-घातांकी के साथ समान सन्निकटन प्राप्त करता है।


== एक सीमित डिग्री के साथ संवेष्टन सम्मुच्चय ==
== एक सीमित घात के साथ संवेष्टन सम्मुच्चय ==
एक अन्य अधिक सुगम संस्करण में, यदि उपसमुच्चय के k से अधिक में कोई तत्व नहीं होता है, तो उत्तर को k के कारक के भीतर अनुमानित किया जा सकता है। भारित संस्करण के लिए भी यही सच है।
एक अन्य अधिक सुगम संस्करण में, यदि उपसमुच्चय के k से अधिक में कोई तत्व नहीं होता है, तो उत्तर को k के कारक के भीतर अनुमानित किया जा सकता है। भारित संस्करण के लिए भी यही सच है।


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[[हाइपरग्राफ मिलान]] सम्मुच्चय संवेष्टन के समतुल्य है: सम्मुच्चय हाइपरएज के अनुरूप होते हैं।
[[हाइपरग्राफ मिलान]] सम्मुच्चय संवेष्टन के समतुल्य है: सम्मुच्चय हाइपरएज के अनुरूप होते हैं।


स्वतंत्र सम्मुच्चय (ग्राफ़ सिद्धांत) समस्या भी सम्मुच्चय संवेष्टन के समतुल्य है - उनके बीच एक-से-एक बहुपद-समय की कमी है:
स्वतंत्र सम्मुच्चय (आरेख सिद्धांत) समस्या भी सम्मुच्चय संवेष्टन के समतुल्य है - उनके बीच एक-से-एक बहुपद-समय की कमी है:
* एक संग्रह पर एक सम्मुच्चय संवेष्टन समस्या को देखते हुए <math>\mathcal{S}</math>, एक ग्राफ बनाएं जहां प्रत्येक सम्मुच्चय के लिए <math>S \in \mathcal{S}</math> एक शिखर है <math>v_S</math>, और बीच में एक किनारा है <math>v_S</math> और <math>v_T</math> आईएफएफ <math>S \cap T \neq \varnothing</math>. जनरेट किए गए ग्राफ़ में कोने का हर स्वतंत्र सम्मुच्चय एक सम्मुच्चय संवेष्टन से मेल खाता है <math>\mathcal{S}</math>.
* संग्रह पर एक सम्मुच्चय संवेष्टन समस्या <math>\mathcal{S}</math> को देखते हुए, एक लेखाचित्र बनाएं जहां प्रत्येक सम्मुच्चय <math>S \in \mathcal{S}</math> के लिए  एक शिखर <math>v_S</math> है, और बीच में एक किनारा <math>v_S</math> और <math>v_T</math> आईएफएफ <math>S \cap T \neq \varnothing</math> है। उत्पन्न किए गए आरेख में कोने का हर स्वतंत्र सम्मुच्चय एक सम्मुच्चय संवेष्टन <math>\mathcal{S}</math> से मेल खाता है।
* एक ग्राफ पर एक स्वतंत्र वर्टेक्स सम्मुच्चय समस्या दी गई है <math>G(V,E)</math>, सम्मुच्चय का एक संग्रह बनाएँ जहाँ प्रत्येक शीर्ष के लिए <math>v</math> एक सम्मुच्चय है <math>S_v</math> सभी किनारों से सटे हुए <math>v</math>. जेनरेट किए गए संग्रह में प्रत्येक सम्मुच्चय संवेष्टन एक स्वतंत्र वर्टेक्स सम्मुच्चय से मेल खाती है <math>G(V,E)</math>.
* एक लेखाचित्र पर एक स्वतंत्र कोणबिंदु सम्मुच्चय समस्या <math>G(V,E)</math> दी गई है, सम्मुच्चय का एक संग्रह बनाएँ जहाँ प्रत्येक शीर्ष <math>v</math> के लिए <math>v</math> से सटे सभी किनारों से युक्त एक सम्मुच्चय <math>S_v</math> है। उत्पन्न किए गए संग्रह में प्रत्येक सम्मुच्चय संवेष्टन एक स्वतंत्र कोणबिंदु सम्मुच्चय <math>G(V,E)</math> से मेल खाती है।


यह एक द्विदिश पीटीएएस कमी भी है, और यह दर्शाता है कि दो समस्याओं का अनुमान लगाना समान रूप से कठिन है।
यह एक द्विदिश पीटीएएस कमी भी है, और यह दर्शाता है कि दो समस्याओं का अनुमान लगाना समान रूप से कठिन है।


विशेष मामले में जब प्रत्येक सम्मुच्चय में अधिकांश k तत्व (k-सम्मुच्चय संवेष्टन समस्या) होते हैं, तो प्रतिच्छेदन ग्राफ (k+1)[[पंजा मुक्त ग्राफ]]|क्लॉ-फ़्री होता है। ऐसा इसलिए है, क्योंकि यदि कोई समुच्चय कुछ k+1 समुच्चयों को काटता है, तो इनमें से कम से कम दो समुच्चय प्रतिच्छेद करते हैं, इसलिए (k+1)-पंजा नहीं हो सकता। तो पंजा मुक्त रेखांकन में अधिकतम स्वतंत्र सम्मुच्चय<ref>{{Cite journal |last=Neuwohner |first=Meike |date=2021-06-07 |title=डी-क्लॉ मुक्त रेखांकन में अधिकतम वजन स्वतंत्र सेट समस्या के लिए एक बेहतर सन्निकटन एल्गोरिथम|arxiv=2106.03545 }}</ref> अधिकतम के-सम्मुच्चय संवेष्टन के सामान्यीकरण के रूप में देखा जा सकता है।
विशेष स्तिथि में जब प्रत्येक सम्मुच्चय में अधिकांश k तत्व (k-सम्मुच्चय संवेष्टन समस्या) होते हैं, तो प्रतिच्छेदन लेखाचित्र (k+1) क्लॉ-मुक्त होता है। ऐसा इसलिए है, क्योंकि यदि कोई समुच्चय कुछ k+1 समुच्चयों को काटता है, तो इनमें से कम से कम दो समुच्चय प्रतिच्छेद करते हैं, इसलिए (k+1)-क्लॉ नहीं हो सकता। तो क्लॉ मुक्त रेखांकन में अधिकतम स्वतंत्र सम्मुच्चय <ref>{{Cite journal |last=Neuwohner |first=Meike |date=2021-06-07 |title=डी-क्लॉ मुक्त रेखांकन में अधिकतम वजन स्वतंत्र सेट समस्या के लिए एक बेहतर सन्निकटन एल्गोरिथम|arxiv=2106.03545 }}</ref> अधिकतम k-सम्मुच्चय संवेष्टन के सामान्यीकरण के रूप में देखा जा सकता है।


=== विशेष मामले ===
=== विशेष स्तिथि ===
मिलान (ग्राफ सिद्धांत) सम्मुच्चय संवेष्टन का एक विशेष मामला है जिसमें सभी सेटों का आकार 2 होता है (सम्मुच्चय किनारों के अनुरूप होते हैं)। इस विशेष मामले में, बहुपद समय में अधिकतम आकार का मिलान पाया जा सकता है।
मिलान (लेखाचित्र सिद्धांत) सम्मुच्चय संवेष्टन की एक विशेष स्तिथि है जिसमें सभी सम्मुच्चयों का आकार 2 होता है (सम्मुच्चय किनारों के अनुरूप होते हैं)। इस विशेष स्तिथि में, बहुपद समय में अधिकतम आकार का मिलान पाया जा सकता है।


3-आयामी मिलान एक विशेष मामला है जिसमें सभी सेटों का आकार 3 होता है, और इसके अलावा, तत्वों को 3 रंगों में विभाजित किया जाता है और प्रत्येक सम्मुच्चय में प्रत्येक रंग का एक तत्व होता है। यह विशेष मामला अभी भी एनपी-हार्ड है, हालांकि इसमें सामान्य मामले की तुलना में बेहतर स्थिर-कारक सन्निकटन एल्गोरिदम हैं।
3-आयामी मिलान एक विशेष स्तिथि है जिसमें सभी सम्मुच्चयों का आकार 3 होता है, और इसके अतिरिक्त, तत्वों को 3 रंगों में विभाजित किया जाता है और प्रत्येक सम्मुच्चय में प्रत्येक रंग का एक तत्व होता है। यह विशेष स्तिथि अभी भी NP-ठोस है, हालांकि इसमें सामान्य स्तिथि की तुलना में बेहतर स्थिर-कारक सन्निकटन कलन विधि हैं।


=== अन्य संबंधित समस्याएं ===
=== अन्य संबंधित समस्याएं ===


[[ कवर समस्या सेट करें | कवर समस्या सम्मुच्चय करें]] में हमें एक परिवार दिया जाता है <math>\mathcal{S}</math> एक ब्रह्मांड के सबसेट की <math>\mathcal{U}</math>, और लक्ष्य यह निर्धारित करना है कि क्या हम k सम्मुच्चय चुन सकते हैं जिसमें एक साथ सभी तत्व शामिल हैं <math>\mathcal{U}</math>. ये सम्मुच्चय ओवरलैप हो सकते हैं। अनुकूलन संस्करण ऐसे सेटों की न्यूनतम संख्या पाता है। अधिकतम सम्मुच्चय संवेष्टन में हर संभव तत्व को शामिल करने की आवश्यकता नहीं है।
[[ कवर समस्या सेट करें |सम्मुच्चय आवरण समस्या]] में, हमें ब्रह्मांड <math>\mathcal{U}</math> के उपसमुच्चय का एक वर्ग <math>\mathcal{S}</math> दिया गया है, और लक्ष्य यह निर्धारित करना है कि क्या हम k सम्मुच्चय चुन सकते हैं जिसमें एक साथ सभी तत्व <math>\mathcal{U}</math> सम्मिलित हैं। ये सम्मुच्चय अतिछादित हो सकते हैं। अनुकूलन संस्करण ऐसे सम्मुच्चयों की न्यूनतम संख्या पाता है। अधिकतम सम्मुच्चय संवेष्टन में हर संभव तत्व को सम्मिलित करने की आवश्यकता नहीं है।


सटीक कवर समस्या में, का हर तत्व <math>\mathcal{U}</math> ठीक एक उपसमुच्चय में समाहित होना चाहिए। इस तरह के एक सटीक कवर को खोजना एक एनपी-पूर्ण समस्या है, विशेष मामले में भी जिसमें सभी सेटों का आकार 3 है (इस विशेष मामले को 'सटीक 3 कवर' या 'X3C' कहा जाता है)। हालाँकि, यदि हम S के प्रत्येक तत्व के लिए एक [[सिंगलटन सेट|सिंगलटन सम्मुच्चय]] बनाते हैं और इन्हें सूची में जोड़ते हैं, तो परिणामी समस्या सम्मुच्चय संवेष्टन जितनी आसान होती है।
यथार्थ आवरण समस्या में, <math>\mathcal{U}</math> का हर तत्व ठीक एक उपसमुच्चय में समाहित होना चाहिए। इस तरह के एक यथार्थ आवरण को खोजना एक NP-पूर्ण समस्या है, विशेष स्तिथि में भी जिसमें सभी सम्मुच्चयों का आकार 3 है (इस विशेष स्तिथि को 'यथार्थ 3 आवरण' या 'X3C' कहा जाता है)। हालाँकि, यदि हम S के प्रत्येक तत्व के लिए एक [[सिंगलटन सेट|एकल सम्मुच्चय]] बनाते हैं और इन्हें सूची में जोड़ते हैं, तो परिणामी समस्या सम्मुच्चय संवेष्टन जितनी आसान होती है।


कार्प ने मूल रूप से '[[क्लिक समस्या]]' से कमी के माध्यम से सम्मुच्चय संवेष्टन एनपी-पूर्ण दिखाया।
कार्प ने मूल रूप से '[[क्लिक समस्या]]' से कमी के माध्यम से सम्मुच्चय संवेष्टन NP-पूर्ण दिखाया।


{{See also|हाइपरग्राफ में संकुलन }}
{{See also|हाइपरग्राफ में संकुलन }}
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*[https://web.archive.org/web/20190303205438/http://pdfs.semanticscholar.org/bb99/86af2f26f7726fcef1bc684eac8239c9b853.pdf Optimizing Three-Dimensional Bin Packing]
*[https://web.archive.org/web/20190303205438/http://pdfs.semanticscholar.org/bb99/86af2f26f7726fcef1bc684eac8239c9b853.pdf Optimizing Three-Dimensional Bin Packing]


{{Packing problem}}
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[[Category:CS1 errors]]
 
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Latest revision as of 12:49, 7 November 2023

कम्प्यूटेशनल जटिलता सिद्धांत और साहचर्य में उपसमुच्चय संवेष्टन एक पारम्परिक NP-पूर्ण समस्या है, और कार्प की 21 NP-पूर्ण समस्याओं में से एक थी। मान लीजिए कि किसी के पास एक परिमित समुच्चय S है और S के उपसमुच्चय की एक सूची है। फिर, सम्मुच्चय संवेष्टन समस्या पूछती है कि सूची में कुछ k उपसमुच्चय जोड़ीदार अलग सम्मुच्चय हैं (दूसरे शब्दों में, उनमें से कोई भी तत्व साझा नहीं करता है)।

अधिक औपचारिक रूप से, एक समष्टि और उपसमुच्चय का एक वर्ग दिया गया है, संवेष्टन एक उपवर्ग है, सम्मुच्चय के ऐसे कि में सभी सम्मुच्चय जोड़े में अलग हैं। संवेष्टन का आकार है। सम्मुच्चय संवेष्टन निर्णय समस्या में, निविष्ट एक जोड़ी और एक पूर्णांक है; सवाल यह है कि क्या आकार का एक सम्मुच्चय संवेष्टन या अधिक है। सम्मुच्चय संवेष्टन अनुकूलन समस्या में, निविष्ट एक जोड़ी है, और कार्य एक सम्मुच्चय संवेष्टन ढूंढना है जो सबसे अधिक सम्मुच्चय का उपयोग करता है।

समस्या स्पष्ट रूप से NP में है, दिए गए t उपसमुच्चय के बाद से, हम आसानी से सत्यापित कर सकते हैं कि वे बहुपद समय में जोड़ीदार हैं।

समस्या की अनुकूलन समस्या, 'अधिकतम सम्मुच्चय संवेष्टन', सूची में जोड़ीदार असंयुक्त सम्मुच्चय की अधिकतम संख्या के लिए पूछती है। यह एक अधिकतमकरण समस्या है जिसे संवेष्टन समस्याओं के वर्ग से संबंधित एक पूर्णांक रैखिक कार्यक्रम के रूप में स्वाभाविक रूप से तैयार किया जा सकता है।

पूर्णांक रैखिक कार्यक्रम सूत्रीकरण

अधिकतम सम्मुच्चय संवेष्टन समस्या को निम्न पूर्णांक रैखिक कार्यक्रम के रूप में तैयार किया जा सकता है।

अधिकतम (उपसमुच्चय की कुल संख्या को अधिकतम करें)
अधीन for all (चयनित सम्मुच्चयों को जोड़ो में अलग करना होगा)
for all . (हर सम्मुच्चय या तो सम्मुच्चय संवेष्टन में है या नहीं)


जटिलता

सम्मुच्चय संवेष्टन समस्या न केवल NP-पूर्ण है, बल्कि इसका अनुकूलन संस्करण (सामान्य अधिकतम सम्मुच्चय संवेष्टन समस्या) को अधिकतम क्लिक समस्या के रूप में अनुमानित करना कठिन सिद्ध हुआ है; विशेष रूप से, इसे किसी स्थिर कारक के भीतर अनुमानित नहीं किया जा सकता है।[1] सबसे अच्छी ज्ञात कलन विधि इसके एक कारक के भीतर इसका अनुमान लगाती है। [2] भारित परिवर्त्य को भी अनुमानित किया जा सकता है।[3]


संकुल आकार के साथ संवेष्टन सम्मुच्चय

समस्या का एक संस्करण है जो अधिक सुविधाजनक है। किसी भी धनात्मक पूर्णांक k≥3 को देखते हुए, 'k-सम्मुच्चय संवेष्टन समस्या' सम्मुच्चय संवेष्टन का एक प्रकार है जिसमें प्रत्येक सम्मुच्चय में अधिकतम k तत्व होते हैं।

जब k = 1, समस्या तुच्छ है। जब k = 2, समस्या एक अधिकतम गणनांक मिलान खोजने के बराबर होती है, जिसे बहुपद समय में हल किया जा सकता है।

किसी भी k≥3 के लिए, समस्या NP-कठोर है, क्योंकि यह 3-आयामी मिलान से अधिक सामान्य है। हालाँकि, निरंतर-कारक सन्निकटन कलन विधि हैं:

  • साइगन ने [4] एक कलन विधि प्रस्तुत करी, जो किसी भी ε>0 के लिए, एक (k+1+ε)/3 सन्निकटन प्राप्त करता है। कार्यावधि सम्मुच्चय और तत्वों की संख्या में बहुपद है, लेकिन 1/ε में दोगुना-घातीय है।
  • फ्यूरर और यू ने [5] एक कलन विधि करी जो 1/ε में कार्यावधि एकधा-घातांकी के साथ समान सन्निकटन प्राप्त करता है।

एक सीमित घात के साथ संवेष्टन सम्मुच्चय

एक अन्य अधिक सुगम संस्करण में, यदि उपसमुच्चय के k से अधिक में कोई तत्व नहीं होता है, तो उत्तर को k के कारक के भीतर अनुमानित किया जा सकता है। भारित संस्करण के लिए भी यही सच है।

संबंधित समस्याएं

समतुल्य समस्याएं

हाइपरग्राफ मिलान सम्मुच्चय संवेष्टन के समतुल्य है: सम्मुच्चय हाइपरएज के अनुरूप होते हैं।

स्वतंत्र सम्मुच्चय (आरेख सिद्धांत) समस्या भी सम्मुच्चय संवेष्टन के समतुल्य है - उनके बीच एक-से-एक बहुपद-समय की कमी है:

  • संग्रह पर एक सम्मुच्चय संवेष्टन समस्या को देखते हुए, एक लेखाचित्र बनाएं जहां प्रत्येक सम्मुच्चय के लिए एक शिखर है, और बीच में एक किनारा और आईएफएफ है। उत्पन्न किए गए आरेख में कोने का हर स्वतंत्र सम्मुच्चय एक सम्मुच्चय संवेष्टन से मेल खाता है।
  • एक लेखाचित्र पर एक स्वतंत्र कोणबिंदु सम्मुच्चय समस्या दी गई है, सम्मुच्चय का एक संग्रह बनाएँ जहाँ प्रत्येक शीर्ष के लिए से सटे सभी किनारों से युक्त एक सम्मुच्चय है। उत्पन्न किए गए संग्रह में प्रत्येक सम्मुच्चय संवेष्टन एक स्वतंत्र कोणबिंदु सम्मुच्चय से मेल खाती है।

यह एक द्विदिश पीटीएएस कमी भी है, और यह दर्शाता है कि दो समस्याओं का अनुमान लगाना समान रूप से कठिन है।

विशेष स्तिथि में जब प्रत्येक सम्मुच्चय में अधिकांश k तत्व (k-सम्मुच्चय संवेष्टन समस्या) होते हैं, तो प्रतिच्छेदन लेखाचित्र (k+1) क्लॉ-मुक्त होता है। ऐसा इसलिए है, क्योंकि यदि कोई समुच्चय कुछ k+1 समुच्चयों को काटता है, तो इनमें से कम से कम दो समुच्चय प्रतिच्छेद करते हैं, इसलिए (k+1)-क्लॉ नहीं हो सकता। तो क्लॉ मुक्त रेखांकन में अधिकतम स्वतंत्र सम्मुच्चय [6] अधिकतम k-सम्मुच्चय संवेष्टन के सामान्यीकरण के रूप में देखा जा सकता है।

विशेष स्तिथि

मिलान (लेखाचित्र सिद्धांत) सम्मुच्चय संवेष्टन की एक विशेष स्तिथि है जिसमें सभी सम्मुच्चयों का आकार 2 होता है (सम्मुच्चय किनारों के अनुरूप होते हैं)। इस विशेष स्तिथि में, बहुपद समय में अधिकतम आकार का मिलान पाया जा सकता है।

3-आयामी मिलान एक विशेष स्तिथि है जिसमें सभी सम्मुच्चयों का आकार 3 होता है, और इसके अतिरिक्त, तत्वों को 3 रंगों में विभाजित किया जाता है और प्रत्येक सम्मुच्चय में प्रत्येक रंग का एक तत्व होता है। यह विशेष स्तिथि अभी भी NP-ठोस है, हालांकि इसमें सामान्य स्तिथि की तुलना में बेहतर स्थिर-कारक सन्निकटन कलन विधि हैं।

अन्य संबंधित समस्याएं

सम्मुच्चय आवरण समस्या में, हमें ब्रह्मांड के उपसमुच्चय का एक वर्ग दिया गया है, और लक्ष्य यह निर्धारित करना है कि क्या हम k सम्मुच्चय चुन सकते हैं जिसमें एक साथ सभी तत्व सम्मिलित हैं। ये सम्मुच्चय अतिछादित हो सकते हैं। अनुकूलन संस्करण ऐसे सम्मुच्चयों की न्यूनतम संख्या पाता है। अधिकतम सम्मुच्चय संवेष्टन में हर संभव तत्व को सम्मिलित करने की आवश्यकता नहीं है।

यथार्थ आवरण समस्या में, का हर तत्व ठीक एक उपसमुच्चय में समाहित होना चाहिए। इस तरह के एक यथार्थ आवरण को खोजना एक NP-पूर्ण समस्या है, विशेष स्तिथि में भी जिसमें सभी सम्मुच्चयों का आकार 3 है (इस विशेष स्तिथि को 'यथार्थ 3 आवरण' या 'X3C' कहा जाता है)। हालाँकि, यदि हम S के प्रत्येक तत्व के लिए एक एकल सम्मुच्चय बनाते हैं और इन्हें सूची में जोड़ते हैं, तो परिणामी समस्या सम्मुच्चय संवेष्टन जितनी आसान होती है।

कार्प ने मूल रूप से 'क्लिक समस्या' से कमी के माध्यम से सम्मुच्चय संवेष्टन NP-पूर्ण दिखाया।

टिप्पणियाँ

  1. Hazan, Elad; Safra, Shmuel; Schwartz, Oded (2006), "On the complexity of approximating k-set packing", Computational Complexity, 15 (1): 20–39, CiteSeerX 10.1.1.352.5754, doi:10.1007/s00037-006-0205-6, MR 2226068, S2CID 1858087. See in particular p. 21: "Maximum clique (and therefore also maximum independent set and maximum set packing) cannot be approximated to within unless NP ⊂ ZPP."
  2. Halldórsson, Magnus M.; Kratochvíl, Jan; Telle, Jan Arne (1998). Independent sets with domination constraints. 25th International Colloquium on Automata, Languages and Programming. Lecture Notes in Computer Science. Vol. 1443. Springer-Verlag. pp. 176–185.
  3. Halldórsson, Magnus M. (1999). Approximations of weighted independent set and hereditary subset problems. 5th Annual International Conference on Computing and Combinatorics. Lecture Notes in Computer Science. Vol. 1627. Springer-Verlag. pp. 261–270.
  4. Cygan, Marek (October 2013). "Improved Approximation for 3-Dimensional Matching via Bounded Pathwidth Local Search". 2013 IEEE 54th Annual Symposium on Foundations of Computer Science: 509–518. arXiv:1304.1424. doi:10.1109/FOCS.2013.61. ISBN 978-0-7695-5135-7. S2CID 14160646.
  5. Fürer, Martin; Yu, Huiwen (2014). Fouilhoux, Pierre; Gouveia, Luis Eduardo Neves; Mahjoub, A. Ridha; Paschos, Vangelis T. (eds.). "स्थानीय सुधारों द्वारा $$k$$-सेट पैकिंग समस्या का अनुमान लगाना". Combinatorial Optimization. Lecture Notes in Computer Science (in English). Cham: Springer International Publishing. 8596: 408–420. doi:10.1007/978-3-319-09174-7_35. ISBN 978-3-319-09174-7. S2CID 15815885.
  6. Neuwohner, Meike (2021-06-07). "डी-क्लॉ मुक्त रेखांकन में अधिकतम वजन स्वतंत्र सेट समस्या के लिए एक बेहतर सन्निकटन एल्गोरिथम". arXiv:2106.03545. {{cite journal}}: Cite journal requires |journal= (help)


संदर्भ


बाहरी संबंध