九 章 格 数 学 · 数 学 前 沿 · V I P 专 阅

图同构问题在 P 中吗

《图论中的 50 个公开问题》 · 问题 37 专题综述

题面判定两个图同构是否存在多项式时间算法?

本页为 VIP 专阅综述:主要概念的详细介绍与主要命题的细致证明,全文见下方专阅区。

问题

图同构(GI):给定 G, H,问存在双射 φ: V(G) → V(H) 保邻接吗?Babai 2015(2017 修正)证明 GI ∈ 准多项式时间 exp((log n)O(1))——把 Luks 1983 以来的指数纪录一次性打破。GI 是否在 P 中仍开放。

主要概念

Babai 机器的三步

①族分裂:把输入图的 «关联结构» 分为 «单块»(大 Johnson 型单元)与 «均匀块»(小块的规则拼装)—— «组合结构定理»( «图的结构不能太乱» 的有限版)。②局部证书:单块用 Johnson 群的 «深度优先» 群论( «组合群论» 传统),均匀块用 «递归分裂 + 群积»。③巨集编码: «关键障碍» 是 «同构把巨集怎么搬»—— «信息论 » 技巧:设计 «判别器»,使 «错误搬法» 在多项式时间内 «露出»。

为什么 «不是 NP 完全» 的共识

GI ∈ SPP(Babai–Fortnow–... 的 «AM ∩ coAM» 超集链);若 GI NP-完全则多项式层级塌缩——多数理论家以此认为 GI 不 NP-完全。 «NP 中间 » 的候选(Ladner 定理保证存在 «假设 P≠NP»)中 GI 是结构最好的一个。

主要命题与证明

命题 1(Luks 1983 定理) 度 ≤ d 的图同构可在多项式(nO(d))时间判定。

梗概  «轨道–稳定 » 归约:逐点 «锚定»,每步把 «同构集合» 收窄为 «陪集»; «陪集交» 计算依赖 «置换群的点稳定子链»——度 ≤ d 保证 «稳定子 » 是 «小幅» 群(属于 «深度 ≤ d» 的 « состава类 » 组合群论类),其 «陪集交» 多项式可解。□

命题 2(Babai 准多项式定理骨架) GI ∈ exp((log n)O(1))。机器: «结构定理 → 分裂树深 O(log n) → 每层 «局部证书» 用 «Johnson 捆绑 » 群的 «深度优先»( «多项式 × 深度» = 准多项式)。

命题 3(AM 协议) GI ∈ AM:Arthur 随机选 φ 或 «置换», Merlin 回答 «哪边»—— «非同构 » 的交互证明( «GI 的补在 AM»)给出 «GI 不太可能 NP-完全» 的实质证据。□

进展与文献

Babai 2015/2017(Turing 讲座稿);Luks 1983(FOCS/JCSS);Helfgott–Bajpai–Dona 的 «平滑化» 与简化证明系列;Neuen–Schweitzer 的 «深度优先» 重构与实验验证;Grohe–Neuen 的 GI 专著《The Graph Isomorphism Problem》。开放核心:P 算法是否在 «分裂树深度压到 O(1)» 或 «巨集编码强化» 中出现; «GI 的低维受限版»( «树宽 ≤ w» 已线性、 «有界度» 已多项式)的 «中间参数» 全景图。

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