Задача выполнимости булевых формул

Задача выполнимости булевых формул (SAT или ВЫП) — задача распознавания, важная для теории вычислительной сложности.

Экземпляром задачи SAT является булева формула, состоящая только из имен переменных, скобок и операций $\wedge$ (И), $\vee$ (ИЛИ) и $\neg$ (HE). Задача заключается в следующем: можно ли назначить всем переменным, встречающимся в формуле, значения ЛОЖЬ и ИСТИНА так, чтобы формула стала истинной.

Согласно теореме Кука, доказанной Стивеном Куком в 1971-м году, задача SAT NP-полна.

Точная формулировка

Чтобы четко сформулировать задачу распознавания, необходимо условиться об алфавите, с помощью которого задаются экземпляры языка. Этот алфавит должен быть фиксирован и конечен. В своей книге Хопкрофт, Мотвани и Ульман предлагают использовать следующий алфавит: {«$\wedge$», «$\vee$», «$\neg$», «$($», «$)$», «$x$», «$0$», «$1$»}.

При использовании такого алфавита скобки и операторы записываются естественным образом, а переменные получают следующие имена: x1, x10, x11, x100 и т. д., согласно их номерам, записанным в двоичной системе счисления.

Пусть некоторая булева формула, записанная в обычной математической нотации, имела длину $N$ символов. В ней каждое вхождение каждой переменной было описано хотя бы одним символом, следовательно, всего в данной формуле не более $N$ переменных. Значит, в предложенной выше нотации каждая переменная будет записана с помощью $O\left(\log {N}\right)$ символов. В таком случае, вся формула в новой нотации будет иметь длину $O\left(N\log {N}\right)$ символов, то есть длина строки возрастет в полиномиальное число раз.

Например, формула $a\wedge \neg (b\vee c)$ примет вид $x1\wedge \neg (x10\vee x11)$.

Вычислительная сложность

В 1971-м году в статье Стивена Кука был впервые введен термин «NP-полная задача», и задача SAT была первой задачей, для которой доказывалось это свойство.

В доказательстве теоремы Кука каждая задача из класса NP в явном виде сводится к SAT. После появления результатов Кука была доказана NP-полнота для множества других задач. При этом чаще всего для доказательства NP-полноты некоторой задачи приводится полиномиальное сведение задачи SAT к данной задаче, возможно в несколько шагов, то есть с использованием нескольких промежуточных задач.

Частные случаи задачи SAT

Интересными важными частными случаями задачи SAT являются:

• Задача выполнимости булевых формул в конъюнктивной нормальной форме (SATCNF или ВКНФ) — аналогичная задача, с наложенной на формулу условием: она должна быть записана в конъюнктивной нормальной форме. Задача ВКНФ также NP-полна.
• Задача выполнимости булевых формул в k-конъюнктивной нормальной форме (k-SAT или k-ВЫП) — задача выполнимости при условии, что формула записана в k-конъюнктивной нормальной форме. Эта задача является NP-полной при $k\geq 3$.
• Задача выполнимости булевых формул в 2-конъюнктивной нормальной форме имеет полиномиальное решение, то есть принадлежит классу P.