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Búsqueda de algoritmos eficientes: teoría y práctica

La búsqueda de algoritmos eficientes para la resolución de ecuaciones polinomiales, al menos desde un punto de vista teórico, conoció un especial desarrollo en los últimos años, gracias a los sucesivos trabajos de Grigoriev, Vorobjov, Chistov [7, 15], Canny [6], Renegar [28] y de nuestro propio grupo, entre otros, lográndose exhibir una larga lista de problemas que pueden ser resueltos en tiempo simplemente exponencial y espacio (memoria) polinomial. Tal como se evidencia en [17], es altamente improbable una mejora sustancial en este comportamiento.

Sin duda una de las razones más relevantes de esta imposibilidad (o al menos de la imposibilidad de obtener algoritmos eficientes en la práctica) es la representación de los datos (en nuestro caso polinomios en varias variables); resulta evidente que la codificación de estos datos en su ``forma densa" (como vector de coeficientes), si bien natural desde el punto de vista matemático, conduce a una imposibililidad práctica inobjetable. Es por ello que a nuestro juicio, solo un cambio en la codificación podía permitir mejoras sustanciales.

Teniendo en cuenta que las estructuras ``magras" (polinomios que involucren ``pocos" monomios) siempre se revelaron muy inestables en teoría de eliminación, se consideró la posibilidad de tratar los polinomios por medio de ``straight-line programs", donde cada polinomio se representa por medio de un programa que lo evalúa (en particular las entradas de un algoritmo en este modelo son también algoritmos). Obviamente, para obtener resultados relevantes con esta codificación eran necesarios nuevos procedimientos, mejor adaptados. En este sentido, la introducción de la teoría de dualidad juega un rol central, así también como la existencia de herramientas informáticas adecuadas (p.ej. [18]).

Se comenzó con estructuras de datos mixtas, es decir, polinomios de entrada dados en forma densa, mientras que los resultados se codifican por medio de programas de evaluación. Tal es el caso de [10], [11], [9] y [27] en donde se demuestra la existencia de algoritmos polinomiales en el tamaño de la entrada (en este caso necesariamente exponencial en el número de variables, a causa de la codificación densa). En estos trabajos se tratan respectivamente, el cálculo de la dimensión de una variedad algebraica, el cálculo de los polinomios que intervienen en el Teorema de ceros de Hilbert (consistencia de un sistema de ecuaciones) y la eliminación de cuantificadores sobre cuerpos algebraicamente cerrados.

En el caso en que los datos de entrada también estén dados con programas de evaluación, agregando ideas cercanas al método de Newton (a fin de simplificar los straight-line programs que aparecen) se ha avanzado hasta la obtención de algoritmos polinomiales en tiempo y espacio que resuelven sistemas de dimensión cero (ver [12, 14]), siendo los parámetros involucrados: la longitud del programa que evalúa los datos, el número de variables, el máximo de los grados de los polinomios del input y el grado del sistema tex2html_wrap_inline326 definido como se mencionó más arriba.

También para el caso de los números reales, se ha obtenido un algoritmo polinomial en tiempo y espacio, similar a los anteriores, que encuentra puntos en las componentes conexas de una hipersuperficie regular compacta (ver [3]). Este es el primer resultado en ese sentido sobre tex2html_wrap_inline228 .

Otro hecho poco considerado hasta el momento desde el punto de vista teórico en el estudio de la complejidad de los algoritmos de eliminación era el referido a la complejidad ``bit", es decir no solo el control de la cantidad de operaciones en los anillos de base, sino también con estimación adecuada del costo real que estas operaciones producen. Este aspecto es tratado en [13].

Para finalizar estas consideraciones sobre algoritmos polinomiales de eliminación, unas pocas palabras acerca de la implantación. Creemos que las cotas de complejidad obtenidas, a pesar de que en los casos ``peores" sigue resultando idéntica a la de los algoritmos conocidos (allí\ tex2html_wrap_inline326 coincide con tex2html_wrap_inline330 y nuestros algoritmos polinomiales en tex2html_wrap_inline326 devienen exponenciales en n), en muchos otros casos pueden dar lugar a algoritmos prácticos efectivos, como lo demuestran varios ejemplos realizados en este último tiempo (ver [32]). A tal efecto, en un trabajo conjunto entre investigadores de las Universidades de Buenos Aires, San Luis, Cantabria (España), Alcalá (España) y la Escuela Politécnica (Palaiseau, Francia) reunido bajo la sigla TERA, se están llevando a cabo las tareas de preparación de una biblioteca de programas que permita el ataque de problemas concretos de eliminación algebro-diferencial. (ver el informe [19]). En esta dirección también pueden mencionarse los algoritmos desarrollados en [25] y la implementación presentada en [16], donde se trata con algoritmos que funcionen con un consumo escaso de memoria.

Entre otras tareas afines realizadas dentro del grupo se deben mencionar también el estudio del cálculo del radical de ideales polinomiales: en este sentido se obtuvieron algoritmos simplemente exponenciales bien paralelizables que calculan radicales de ideales geométricamente Cohen-Macaulay dados por sucesiones regulares (ver [2]). Se trata de la primer familia de ideales de dimensiones arbitrarias para las que se que tienen algoritmos subexponenciales (hasta ahora solo era conocido el resultado para dimensión no mayor a 1).

Finalmente mencionaremos otra aplicación del modelo mediante cálculos de evaluación, esta vez en el campo de la integración formal (ver [24]).


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Klemens Haegele
Tue Feb 25 10:57:06 MET 1997