Complexity measures through the lens of two-player games and signatures of the hypercube

Abstract

Les mesures complexes à travers le prisme des jeux à deux joueurs et des signatures de l'hypercube Les mesures de complexité des fonctions booléennes capturent divers aspects de la difficulté du calcul d'une fonction et leur étude consiste à trouver des connexions entre différentes mesures de complexité. Dans la première partie de cette thèse, nous introduisons et étudions la complexité de jeux de certificats, une mesure de complexité basée sur la probabilité de gagner un jeu dans lequel deux joueurs reçoivent des entrées avec des valeurs de fonctions différentes et doivent produire un indice i pour lequel leurs entrées diffèrent, sans communiquer. Nous donnons des bornes supérieures et inférieures pour les stratégies à base de pièces privées, de pièces publiques, d'intrication partagée et de non-signalisation, et nous prouvons quelques résultats de séparations. D'une part, nous montrons que la complexité dans le cas des pièces publiques est majorée par les complexités de requête aléatoire et de certificat. D'autre part, nous montrons qu'elle est minorée par la complexité fractionnelle de certificat, ce qui en fait un bon candidat pour trouver des bornes inférieures fortes sur la complexité de requête aléatoire. La complexité dans le cas des pièces privées est minorée par la complexité de requête aléatoire à erreur nulle. Nous utilisons la non-signalisation, une notion d'information quantique, pour minorer par n la complexité de jeux de certificats quantiques de la fonction OR, dont la complexité de requête quantique est de Θ(√n), puis nous montrons que ce "goulot d'étranglement de non-signalisation" s'applique à toutes les fonctions à sensibilité, à sensibilité de bloc ou à sensibilité de bloc fractionnaire élevée. Nous considérons également la version mono-bit des jeux de certificats, où les entrées des deux joueurs sont restreints à une distance de Hamming de 1. Nous prouvons que la version mono-bit de la complexité de jeux de certificats avec aléa partagé est égale à la sensibilité à un facteur constant près, ce qui donne une nouvelle caractérisation de la sensibilité. D'autre part, la version mono-bit de la complexité de jeux de certificats avec aléa privé est égale à λ2, où λ est la sensibilité spectrale. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous revisitons la célèbre preuve de la conjecture de la sensibilité par Hao Huang. En utilisant des techniques spectrales, Huang a prouvé que tout sous-graphe de l'hypercube Hn de dimension n induit sur plus de la moitié des sommets a un degré maximal d'au moins √n. Combiné avec des travaux antérieurs, ce résultat a complété une preuve de la conjecture de la sensibilité. Nous en donnons une preuve alternative en utilisant seulement la dépendance linéaire des vecteurs associés aux sommets de l'hypercube. Notre approche permet de mieux comprendre les propriétés structurelles du sous-graphe induit, en plus du plus grand degré. En particulier, nous prouvons que dans tout sous-graphe induit de Hn avec plus de la moitié du nombre de sommets, il existe deux sommets, l'un de parité impaire et l'autre de parité paire, chacun ayant au moins n sommets à une distance au plus égale à 2. Comme application, nous montrons que pour toute fonction booléenne f, le degré polynomial est majoré par le produit de la sensibilité 0 et de la sensibilité 1, s0(f)s1(f), une affirmation strictement plus forte qui implique le théorème de Huang. Nous obtenons également des relations structurelles pour les sous-graphes induits à distance 3. Un ingrédient clé de la preuve de Huang était des hypercubes signés avec la propriété que chaque cycle de longueur 4 est affecté d'un signe négatif. Nous examinons en détail cette signature et donnons une signature quasi-optimale qui utilise le nombre minimum de bords négatifs tout en garantissant que chaque cycle de longueur 4 est négatif. Ce problème s'avère être lié à l'un des problèmes d'Erdös sur le plus grand sous-graphe de l'hypercube exempt de 4-cycles.