The task of computing homomorphisms between two finite relational structures $\mathcal{A}$ and $\mathcal{B}$ is a well-studied question with numerous applications. Since the set $\operatorname{Hom}(\mathcal{A},\mathcal{B})$ of all homomorphisms may be very large having a method of representing it in a succinct way, especially one which enables us to perform efficient enumeration and counting, could be extremely useful. One simple yet powerful way of doing so is to decompose $\operatorname{Hom}(\mathcal{A},\mathcal{B})$ using union and Cartesian product. Such data structures, called d-representations, have been introduced by Olteanu and Zavodny in the context of database theory. Their results also imply that if the treewidth of the left-hand side structure $\mathcal{A}$ is bounded, then a d-representation of polynomial size can be found in polynomial time. We show that for structures of bounded arity this is optimal: if the treewidth is unbounded then there are instances where the size of any d-representation is superpolynomial. Along the way we develop tools for proving lower bounds on the size of d-representations, in particular we define a notion of reduction suitable for this context and prove an almost tight lower bound on the size of d-representations of all $k$-cliques in a graph.


翻译:计算两个有限关系结构 $\mathcal{A}$ 和 $\mathcal{B}$ 之间的同态是一个被广泛研究的问题,具有众多应用。由于所有同态构成的集合 $\operatorname{Hom}(\mathcal{A},\mathcal{B})$ 可能非常庞大,因此拥有一种能够简洁表示该集合的方法(尤其是支持高效枚举和计数的方法)将极具价值。一种简单而强大的实现方式是利用并运算和笛卡尔积来分解 $\operatorname{Hom}(\mathcal{A},\mathcal{B})$。这类数据结构被称为 d-表示,由 Olteanu 和 Zavodny 在数据库理论背景下提出。他们的研究还表明,若左侧结构 $\mathcal{A}$ 的树宽有界,则可在多项式时间内找到规模为多项式大小的 d-表示。我们证明,在有界元数结构下这是最优的:若树宽无界,则存在实例使得任何 d-表示的规模均为超多项式。在此过程中,我们开发了用于证明 d-表示规模下界的方法,特别地,定义了适用于该上下文的归约概念,并证明了图中所有 $k$-团结构的 d-表示规模的近乎紧致下界。

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