We study pseudo-polynomial time algorithms for the fundamental \emph{0-1 Knapsack} problem. In terms of $n$ and $w_{\max}$, previous algorithms for 0-1 Knapsack have cubic time complexities: $O(n^2w_{\max})$ (Bellman 1957), $O(nw_{\max}^2)$ (Kellerer and Pferschy 2004), and $O(n + w_{\max}^3)$ (Polak, Rohwedder, and W\k{e}grzycki 2021). On the other hand, fine-grained complexity only rules out $O((n+w_{\max})^{2-\delta})$ running time, and it is an important question in this area whether $\tilde O(n+w_{\max}^2)$ time is achievable. Our main result makes significant progress towards solving this question: - The 0-1 Knapsack problem has a deterministic algorithm in $\tilde O(n + w_{\max}^{2.5})$ time. Our techniques also apply to the easier \emph{Subset Sum} problem: - The Subset Sum problem has a randomized algorithm in $\tilde O(n + w_{\max}^{1.5})$ time. This improves (and simplifies) the previous $\tilde O(n + w_{\max}^{5/3})$-time algorithm by Polak, Rohwedder, and W\k{e}grzycki (2021) (based on Galil and Margalit (1991), and Bringmann and Wellnitz (2021)). Similar to recent works on Knapsack (and integer programs in general), our algorithms also utilize the \emph{proximity} between optimal integral solutions and fractional solutions. Our new ideas are as follows: - Previous works used an $O(w_{\max})$ proximity bound in the $\ell_1$-norm. As our main conceptual contribution, we use an additive-combinatorial theorem by Erd\H{o}s and S\'{a}rk\"{o}zy (1990) to derive an $\ell_0$-proximity bound of $\tilde O(\sqrt{w_{\max}})$. - Then, the main technical component of our Knapsack result is a dynamic programming algorithm that exploits both $\ell_0$- and $\ell_1$-proximity. It is based on a vast extension of the ``witness propagation'' method, originally designed by Deng, Mao, and Zhong (2023) for the easier \emph{unbounded} setting only.


翻译:我们研究经典\emph{0-1背包}问题的伪多项式时间算法。在参数$n$和$w_{\max}$下,已有0-1背包算法的时间复杂度均为三次:$O(n^2w_{\max})$(Bellman 1957)、$O(nw_{\max}^2)$(Kellerer和Pferschy 2004)以及$O(n + w_{\max}^3)$(Polak、Rohwedder和W\k{e}grzycki 2021)。另一方面,精细复杂度仅排除了$O((n+w_{\max})^{2-\delta})$的运行时间,因此在该领域中一个关键问题是能否实现$\tilde O(n+w_{\max}^2)$时间。我们的主要结果在解决该问题上取得了显著进展: - 0-1背包问题存在一个确定性算法,运行时间为$\tilde O(n + w_{\max}^{2.5})$。 我们的技术同样适用于更简单的\emph{子集和}问题: - 子集和问题存在一个随机化算法,运行时间为$\tilde O(n + w_{\max}^{1.5})$。 这改进了(并简化了)Polak、Rohwedder和W\k{e}grzycki(2021)先前提出的$\tilde O(n + w_{\max}^{5/3})$时间算法(基于Galil和Margalit(1991)以及Bringmann和Wellnitz(2021)的工作)。与近期关于背包问题(以及一般整数规划问题)的研究类似,我们的算法也利用了最优整数解与分数解之间的\emph{邻近性}。我们的新思路如下: - 先前的研究在$\ell_1$-范数下使用了$O(w_{\max})$的邻近界。作为我们的主要概念性贡献,我们利用Erd\H{o}s和S\'{a}rk\"{o}zy(1990)的加性组合定理,推导出一个$\tilde O(\sqrt{w_{\max}})$的$\ell_0$-邻近界。 - 随后,我们背包问题结果的主要技术组成部分是一个同时利用$\ell_0$-和$\ell_1$-邻近性的动态规划算法。该算法基于对“见证传播”方法的大幅扩展,该方法最初由Deng、Mao和Zhong(2023)为更简单的\emph{无界}情形设计。

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
Single-Shot Object Detection with Enriched Semantics
统计学习与视觉计算组
14+阅读 · 2018年8月29日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年9月29日
On Learning with LAD
Arxiv
0+阅读 · 2023年9月28日
Arxiv
0+阅读 · 2023年9月28日
Arxiv
0+阅读 · 2023年9月27日
VIP会员
最新内容
《多域战场上反制小型无人机系统》150页
专知会员服务
14+阅读 · 今天7:47
战场人工智能:增强陆地作战能力的发现与要求
专知会员服务
3+阅读 · 今天7:37
以人工智能为中心的指挥控制
专知会员服务
3+阅读 · 今天7:14
《基于深度强化学习的反无人机技术研究》178页
专知会员服务
13+阅读 · 6月10日
“史诗怒火”行动与“AI中心战”模式的浮现
专知会员服务
14+阅读 · 6月10日
【CVPR2026教程】扩散模型的解析理解
专知会员服务
6+阅读 · 6月10日
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
Single-Shot Object Detection with Enriched Semantics
统计学习与视觉计算组
14+阅读 · 2018年8月29日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员