New algorithm cracks graph problem
A puzzle that has long flummoxed computers and the scientists who program them has suddenly become far more manageable.A new algorithm efficiently solves the graph isomorphism problem, computer scientist László Babai announced November 10 at a Combinatorics and Theoretical Computer Science seminar at the University of Chicago. The problem requires determining whether two separate sets of interconnected points, known as graphs, are linked in the same way even if the graphs look very different. In practice, existing algorithms can do the job in reasonable time, but it was possible that extremely complex graphs would make the problem intractable. Not anymore.“My first thought was that this was a joke. I checked the month to make sure it wasn’t April,” says Ryan Williams, a Stanford University computer scientist. “It’s a huge jump in our understanding of the problem.” He says the discovery is potentially the most important theoretical computer science advance in more than a decade.Babai’s algorithm still needs to be vetted, but his expertise gives colleagues confidence in the result: He was grappling with the problem even before he made it the topic of his 1984 doctoral thesis. While the problem may seem abstract, it’s a prominent example of a strange class of puzzles that computers have trouble solving despite being able to quickly verify a solution if one is provided. The result could also reverberate beyond computer science, such as allowing chemists to determine whether complex molecules have the same bonding structure.
Same but different
In math terminology, “graph” is a fancy word for a network, the kind of diagram that depicts, for instance, a web of friends on Facebook or the spread of a disease. Each point, or node, is like a ping-pong ball that’s indistinguishable from any other ball and connects to one or more balls with string. With such a setup it’s easy to make two initially identical graphs look very different by shifting the balls around (see diagram). The graph isomorphism problem requires a computer to examine two graphs that may look very different and determine whether all the balls share the same connections. Graphs that share this relationship are isomorphic.Computers generally have little trouble determining if graphs are isomorphic. But for even the best algorithms, there is a worst-case scenario in which the solving time grows nearly exponentially as the number of nodes increases.Babai claims that he has developed an algorithm that evaluates even the trickiest graphs in what’s called quasipolynomial time, which computer scientists consider reasonable. “We weren’t even close to quasipolynomial,” Williams says. The solving time still increases along with the number of nodes, but it does so much more gradually.Babai declined an interview, saying he wants to confirm that his results survive several rounds of grilling from colleagues. It’s unusual for a mathematician to announce such a major result before submitting a written proof, says Neil Immerman, a theoretical computer scientist at the University of Massachusetts Amherst. But “Babai is very smart and reliable and one of the top world experts on the graph isomorphism problem,” Immerman says. “So I am sure that he has proved what he has announced.”Jeremy Kun, a theoretical computer scientist at the University of Illinois at Chicago, warns that “it’s going to take a while for everyone to sort through the details.” But he came away impressed after attending the packed seminar. “Most of the proof seems like very, very hard work rather than a flash of insight,” he says. The advance could help researchers sort out a big mystery regarding whether every problem that can be easily verified can also be easily solved (SN Online: 9/9/10). Until Babai’s result, computers could quickly check if a solution showing that two graphs are isomorphic is correct, but they couldn’t necessarily solve the problem from scratch efficiently.Some easily checkable problems are also quickly solvable; they belong to a category called P, for polynomial time. Others are classified as NP-complete (NP stands for nondeterministic polynomial time) and are the hardest to crack. The traveling salesman problem (SN Online: 2/20/12) is among the NP-complete puzzles. Graph isomorphism falls in between. Williams says that Babai’s discovery could improve understanding of the boundary zone between P and NP-complete, a region that includes problems such as factoring large integers, which is used for Internet security.
Nuevas grietas algoritmo problema gráfico
https://www.sciencenews.org/article/new-algorithm-cracks-graph-problem
Un rompecabezas que tiene computadoras largo desconcertado a los científicos y que los programa se ha convertido de repente mucho más manejable.
Un nuevo algoritmo resuelve eficazmente el problema de isomorfismo gráfico, informático László Babai anunciado el 10 de noviembre en una Combinatoria y teórico seminario Ciencias de la Computación en la Universidad de Chicago.El problema requiere la determinación de si dos conjuntos separados de puntos interconectados, conocidos como gráficos, están vinculados en la misma manera, incluso si los gráficos se ven muy diferentes. En la práctica, los algoritmos existentes pueden hacer el trabajo en un tiempo razonable, pero era posible que muy gráficas complejas haría que el problema insoluble. No más.
"Mi primer pensamiento fue que se trataba de una broma. Comprobé el mes para asegurarse de que no era abril ", dice Ryan Williams, un científico de la computación de la Universidad de Stanford. "Es un gran salto en nuestra comprensión del problema."Él dice que el descubrimiento es potencialmente el más importante avance teórico de la informática en más de una década.
El algoritmo de Babai todavía necesita ser revisado, pero su experiencia le da la confianza de sus colegas en el resultado: Estaba lidiando con el problema incluso antes de que lo convirtió en el tema de su tesis doctoral 1984. Si bien el problema puede parecer abstracto, es un ejemplo destacado de una clase extraña de los rompecabezas que los ordenadores tienen problemas para resolver a pesar de ser capaz de verificar rápidamente una solución si se proporciona una. El resultado también podría repercutir más allá de la informática, tales como permitir que los químicos para determinar si las moléculas complejas tienen la misma estructura de unión.
En la terminología de matemáticas, "gráfico" es una palabra elegante para una red, el tipo de diagrama que representa, por ejemplo, una red de amigos en Facebook o la propagación de una enfermedad. Cada punto o nodo, es como una pelota de ping-pong que es indistinguible de cualquier otra bola y se conecta a una o más bolas con una cuerda.Con una configuración tal que es fácil de hacer dos gráficos inicialmente idénticas aspecto muy diferente al cambiar las bolas alrededor (ver diagrama). El problema gráfico isomorfismo requiere una computadora para examinar dos gráficos que pueden parecer muy diferentes y determinar si todas las bolas comparten las mismas conexiones. Los gráficos que comparten esta relación son isomorfos.
Computadoras generalmente tienen problemas para determinar si los gráficos son isomorfos. Pero incluso para los mejores algoritmos, hay un escenario del peor caso en el que el tiempo de resolución crece casi exponencialmente a medida que el número de nodos aumenta.
Babai afirma que ha desarrollado un algoritmo que evalúa incluso los gráficos más difíciles en lo que se llama tiempo quasipolynomial, que los informáticos consideran razonables. "No estábamos ni siquiera cerca de quasipolynomial", dice Williams. El tiempo de resolución de todavía aumenta junto con el número de nodos, pero lo hace mucho más gradualmente.
Babai declinó una entrevista, diciendo que quiere confirmar que sus resultados sobreviven varias rondas de la parrilla de los colegas. Es raro que un matemático para anunciar un resultado tan importante antes de la presentación de una prueba escrita, dice Neil Immerman, un científico de la computación teórica en la Universidad de Massachusetts Amherst. Pero "Babai es muy inteligente y fiable, y uno de los principales expertos mundiales sobre el problema gráfico isomorfismo", dice Immerman. "Así que estoy seguro de que ha demostrado lo que ha anunciado."
Jeremy Kun, un científico de la computación teórica en la Universidad de Illinois en Chicago, advierte que "se va a tomar un tiempo para todo el mundo para ordenar a través de los detalles." Pero él quedó impresionado después de asistir al seminario lleno. "La mayor parte de la prueba parece como un trabajo muy, muy duro en lugar de un destello de intuición", dice.
El avance podría ayudar a los investigadores a resolver un gran misterio sobre si todos los problemas que puede verificarse fácilmente puede también ser fácilmente resuelto (SN línea: 09.09.10). Hasta resultado de Babai, los ordenadores podrían comprobar rápidamente si una solución que muestra que dos gráficos son isomorfos es correcta, pero no pudieron resolver necesariamente el problema desde el principio de manera eficiente.
Algunos problemas fácilmente comprobables también son rápidamente solucionable; pertenecen a una categoría denominada P, por tiempo polinomial. Otros están clasificados como NP-completo (NP significa tiempo polinomial no determinista) y son los más duros de roer. El problema del viajante (SN Online:02/20/12) es uno de los enigmas NP-completos. Gráfico isomorfismo cae en el medio. Williams dice que el descubrimiento de Babai podría mejorar la comprensión de la zona límite entre P y NP-completo, una región que incluye problemas tales como factorizar números enteros grandes, que se utiliza para la seguridad en Internet.