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  1. P vs NP 문제 풀기
  2. 2. P vs NP의 현재까지의 증명 노력들
  3. 2-3 주요 접근

증명 복잡도 — 짧은 증명이 없는 항진식을 찾아서

Cook 과 Reckhow 는 NP ≠ coNP 가 「어떤 증명 체계에도 짧은 증명이 없는 항진식이 있다」와 같은 말임을 보였다. 분해 체계에서는 Haken 이 지수 하한을 증명했지만, 교과서의 명제 논리 체계인 프레게 체계부터는 하한이 알려져 있지 않다.

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Cook 과 Reckhow 는 NP ≠ coNP 가 「어떤 증명 체계에도 짧은 증명이 없는 항진식이 있다」와 같은 말임을 보였다. 이 글은 그 틀과, 분해 체계의 지수 하한에서 하한이 알려지지 않은 프레게 체계까지 증명 체계들의 현황을 살펴본다.

NP 대 coNP 를 증명의 길이로

논리식이 만족 가능하다는 것은 짧게 증명할 수 있다. 식을 참으로 만드는 값을 하나 보여 주면 된다. 그렇다면 논리식이 항진식(tautology), 곧 변수에 무엇을 넣어도 참인 식이라는 것도 언제나 짧게 증명할 수 있을까? 이것이 NP 대 coNP 문제다.

Cook 과 Reckhow 는 1979년 논문에서 이 물음에 정확한 틀을 주었다.

항진식의 집합 TAUT 에 대한 증명 체계(proof system)란 다항 시간에 계산되는 함수 f 로서 그 치역이 정확히 TAUT 인 것이다. f(x) = y 이면 x 를 y 의 증명이라 부른다. 증명이 옳은지를 다항 시간에 검사할 수 있다는 것만 요구하는 아주 넓은 정의다.

모든 항진식 y 가 길이가 |y| 의 다항식 이하인 증명을 가지면 그 체계를 다항식 유계(polynomially bounded)라 한다.

증명된 정리 NP 가 여집합에 대해 닫혀 있다(NP = coNP) ⇔ TAUT 에 다항식 유계인 증명 체계가 있다.

Cook, Reckhow 1979

따라서 NP ≠ coNP 는 「어떤 증명 체계를 가져와도 짧은 증명이 없는 항진식들이 있다」와 같은 말이다. P = NP 이면 NP = coNP 이므로, NP ≠ coNP 를 증명하면 P ≠ NP 도 따라 나온다.

「어떤 증명 체계」의 범위는 넓다. 분해나 프레게 같은 논리 체계만이 아니라, 집합론 ZFC 안에서의 증명을 그대로 쓰는 것도 하나의 증명 체계다. 그러니 이 명제는 수학의 어떤 방법을 동원해도 짧게 증명할 수 없는 항진식이 있다는 뜻이 된다.

여기서 연구 계획이 나온다. 모든 증명 체계를 한꺼번에 다루기는 어려우니, 약한 체계부터 차례로 「이 체계에는 짧은 증명이 없는 항진식이 있다」를 증명해 올라간다. 체계의 강약은 한 체계의 증명을 다른 체계의 증명으로 다항 시간에 옮길 수 있는가로 견준다. 두 사람은 통상의 체계들이 다항식 유계가 아닐 것이라고 추측했다.

분해 체계의 지수 하한

가장 잘 이해된 체계는 분해(resolution)다. 식이 만족 불가능함을 보이는 체계로, 두 절 (x ∨ A) 와 (¬x ∨ B) 에서 새 절 (A ∨ B) 를 끌어내는 규칙 하나만 쓴다. 빈 절이 나오면 원래 식은 만족 불가능하다.

작은 예: 분해 규칙 따라가기

세 절 (x), (¬x ∨ y), (¬y) 를 모두 참으로 만들 수 없음을 보이자.

  1. (x) 와 (¬x ∨ y) 에서 x 를 지워 새 절 (y) 를 얻는다.
  2. (y) 와 (¬y) 에서 y 를 지우면 빈 절이 나온다.
  3. 빈 절이 나왔으므로 원래 식은 만족 불가능하다.

1985년 Haken 은 비둘기집 원리(n+1 마리의 비둘기를 n 개의 집에 한 마리씩만 넣을 수는 없다)를 나타내는 식들은 분해 증명이 지수적으로 길 수밖에 없음을 보였다. Aaronson 의 풀이로는, 분해는 「이 비둘기를 여기에, 저 비둘기를 저기에」 하는 국소적 추론만 할 수 있고 비둘기의 수를 세는 추론을 하지 못한다. 뒤에 Ben-Sasson 과 Wigderson 은 「짧은 증명은 좁다」는 원리로 이 증명을 훨씬 단순하게 만들었다.

이 결과는 알고리즘에도 뜻이 있다. 널리 쓰이는 DPLL 계열 만족 가능성 알고리즘이 만족 불가능한 식을 처리한 과정은 분해 증명으로 읽을 수 있다. 그래서 이런 알고리즘은 비둘기집 식에서 지수 시간이 걸린다.

더 강한 체계에서는

증명 체계별로 알려진 것
증명 체계알려진 것
분해비둘기집 원리에 지수 하한 (Haken, 1985)
깊이가 제한된 프레게 체계비둘기집 원리에 초다항 하한 (Ajtai, 1988), 뒤에 지수 하한으로 강화
절단 평면(cutting planes)지수 하한 (Pudlák, 1997)
프레게(Frege) 체계: 교과서의 명제 논리비자명한 하한이 없다. 비둘기집 원리는 다항 크기 증명을 가진다 (Buss, 1987)
확장 프레게 체계: 식에 줄임 기호를 허용하한이 없다
증명 체계들의 현황. 아래 칸에 하한이 증명된 체계로 분해(비둘기집 원리에 지수 하한), 깊이가 제한된 프레게(초다항, 뒤에 지수 하한), 절단 평면(지수 하한)이 있다. 점선 위 칸에는 하한이 없는 프레게 체계와, 식에 줄임 기호를 허용한 확장 프레게 체계가 있다. 분해에서 프레게로 가는 화살표에는 프레게가 지수적으로 강하다고 적혀 있다. 맨 위에는 NP ≠ coNP 가 요구하는 모든 증명 체계가 있다.
증명 체계의 사다리 — 화살표는 이 글에 적힌 관계만 그렸다. 점선 아래는 하한이 증명된 체계, 위는 하한이 없는 체계다.

Buss 의 결과는 비둘기집 원리가 프레게 체계에서는 어려운 예가 아니라는 뜻이다. 프레게 체계는 분해보다 지수적으로 강하고, 이 체계의 하한을 얻으려면 다른 종류의 어려운 항진식이 있어야 한다.

회로 하한과의 닮음도 눈에 띈다. 깊이가 제한된 프레게 체계의 하한은 AC⁰ 하한에 쓰인 무작위 제한법으로 얻었다. 그리고 회로 쪽과 마찬가지로 그 너머에서는 진전이 멈춰 있다. 프레게 체계에 대한 비자명한 하한은 오랜 미해결 문제다.

이 길의 위치

  • 프레게 체계의 하한이 나오더라도 P ≠ NP 에는 못 미친다고 Fortnow 는 짚는다. 임의의 증명 체계에 대해 보여야 하기 때문이다.
  • NP ≠ coNP 는 P ≠ NP 보다 강한 명제다. Aaronson 은 회로 크기의 하한이 대응하는 증명 복잡도 하한보다 「다소 쉬운」 편이라고 본다.
  • 알려진 형식적 장벽은 없다. 다만 자연 증명과 이어지는 결과가 있다. Razborov 는 유계 산술(bounded arithmetic)의 어떤 체계에서는 일반 회로에 대한 초다항 하한의 증명이 모두 자연 증명으로 바뀜을 보였다.
  • 다른 모든 체계만큼 효율적인 「최적의 증명 체계」가 있는지도 미해결이다.

출처

출처·이용 조건: 직접 작성

참고문헌 12

  • 접근원문 확인
    The relative efficiency of propositional proof systemsStephen A. Cook, Robert A. Reckhow · 1979The Journal of Symbolic Logic 44(1), 36–50쪽 (1979) · 예비판 「On the lengths of proofs in the propositional calculus」, STOC 1974, 135–148쪽

    명제 증명 체계를 일반적으로 정의하고 증명 길이의 문제를 NP 대 coNP 문제와 이은 논문이다. 모든 항진식에 다항 길이의 증명을 주는 증명 체계가 있는 것과 NP = coNP 가 같은 말임을 보여 증명 복잡도라는 분야의 틀을 세웠다. 증명 복잡도 접근을 공부하려는 독자의 출발점이다. Cook 의 누리집에 있는 공개본으로 연결한다.

    확인:저자 공개본을 열어 §1(명제 1.1·1.4, 정의 1.3·1.5)을 읽음.
  • 부분 결과서지만 확인
    The intractability of resolutionArmin Haken · 1985Theoretical Computer Science 39, 297–308쪽 (1985)

    비둘기집 원리를 resolution 으로 증명하려면 지수 길이가 필요함을 보인 논문이다. resolution 증명 체계에 대한 지수 하한의 원전으로, 증명 복잡도의 대표 결과다. resolution 에 바탕을 둔 SAT 풀이 프로그램의 한계를 이해하려는 독자에게도 뜻이 있다. 게시자(Elsevier) 페이지로 연결된다.

    확인:게시자 누리집이 자동 접속을 막아 원문을 열지 못함. 서지는 Crossref 의 DOI 등록 기록으로, 내용은 Aaronson 2017 정리 46 과 Fortnow 2009 §4.3 으로 확인.
  • 부분 결과서지만 확인
    Short Proofs Are Narrow — Resolution Made SimpleE. Ben-Sasson, A. Wigderson · 2001Journal of the ACM 48(2), 149–169쪽 (2001) · 학회 발표 STOC 1999, 517–526쪽

    「짧은 증명은 좁다」는 원리로 분해 체계의 하한 증명을 단순하게 만든 논문이다. Haken 의 지수 하한 증명을 훨씬 단순하게 만든 논문으로, 2-3 의 증명 복잡도 글이 인용한다. ACM 디지털 도서관으로 연결된다.

    확인:원문은 확인하지 못함. 서지는 DOI 등록 기록으로, 내용은 Aaronson 2017 §6.2.1 의 각주로 확인.
  • 부분 결과서지만 확인
    Polynomial Size Proofs of the Propositional Pigeonhole PrincipleS. R. Buss · 1987Journal of Symbolic Logic 52(4), 916–927쪽 (1987)

    비둘기집 원리가 프레게 체계에서는 다항 크기 증명을 가짐을 보인 논문이다. 비둘기집 원리가 프레게 체계에서는 어려운 예가 아니라는 뜻으로, 2-3 의 증명 복잡도 글이 체계별 하한 표에서 인용한다.

    확인:학술지 페이지의 초록까지 확인. 본문을 읽었다는 기록은 없음.
  • 부분 결과서지만 확인
    The Complexity of the Pigeonhole PrincipleM. Ajtai · 1988FOCS 1988 (29th Annual Symposium on Foundations of Computer Science), 346–355쪽 · 학술지 게재 Combinatorica 14(4), 417–433쪽 (1994)

    깊이가 제한된 프레게 체계에서 비둘기집 원리의 증명에 초다항 하한을 보인 논문이다. 분해 다음 단계의 증명 체계에 대한 하한으로, 뒤에 지수 하한으로 강화되었다. 2-3 의 증명 복잡도 글이 체계별 하한 표에서 인용한다.

    확인:원문은 확인하지 못함. 서지는 DOI 등록 기록으로, 내용은 영어 위키백과 「Proof complexity」 문서로 확인.
  • 부분 결과서지만 확인
    Lower Bounds for Resolution and Cutting Plane Proofs and Monotone ComputationsP. Pudlák · 1997Journal of Symbolic Logic 62(3), 981–998쪽 (1997)

    절단 평면 증명 체계에 대한 지수 하한을 증명한 논문이다. 2-3 의 증명 복잡도 글이 체계별 하한 표에서 인용한다.

    확인:원문은 확인하지 못함. 서지는 DOI 등록 기록으로, 내용은 영어 위키백과 「Proof complexity」 문서로 확인.
  • 접근서지만 확인
    Propositional Proof Systems, the Consistency of First Order Theories and the Complexity of ComputationsJ. Krajíček, P. Pudlák · 1989Journal of Symbolic Logic 54(3), 1063–1079쪽 (1989)

    명제 증명 체계, 일차 이론의 무모순성, 계산 복잡도 사이의 관계를 다룬 논문이다. 다른 모든 체계만큼 효율적인 「최적의 증명 체계」가 있는가라는 미해결 문제와 관련해, 2-3 의 증명 복잡도 글이 인용한다.

    확인:원문은 확인하지 못함. 서지는 DOI 등록 기록으로, 최적 증명 체계 문제가 미해결이라는 점은 영어 위키백과 「Proof complexity」 문서로 확인.
  • 개관원문 확인
    Proof ComplexityJ. Krajíček · 2005Proceedings of the 4th European Congress of Mathematics (Stockholm 2004), European Mathematical Society, 221–231쪽 (2005)

    증명 복잡도 분야를 소개한 유럽 수학자 대회(2004) 논문집의 글이다. 2-3 의 증명 복잡도 글이 분야의 틀을 정리하는 데 썼다. 저자 누리집의 공개본으로 연결한다.

    확인:저자 공개본을 열어 머리말과 §2 를 읽음.
  • 보조 자료원문 확인
    Proof complexityWikipedia contributors · 2026영어 위키백과 (2026년 확인)

    증명 복잡도를 다룬 영어 위키백과 문서다. 2-3 의 증명 복잡도 글이 체계별 하한의 목록과 미해결 문제 서술을 확인하는 보조 자료로 썼다.

    확인:위키백과 문서를 직접 열어 「Lower bounds」 절과 미해결 문제 서술을 확인(2차 자료).
  • 장벽원문 확인
    Natural proofsAlexander A. Razborov, Steven Rudich · 1997Journal of Computer and System Sciences 55(1), 24–35쪽 (1997) · 학회 발표 STOC 1994 (Proceedings of the 26th Annual ACM Symposium on Theory of Computing), 204–213쪽

    알려진 회로 하한 증명들의 공통된 꼴을 「자연 증명」으로 정식화하고 그 한계를 보인 논문이다. 어려움에 관한 가정(강한 유사난수 생성기의 존재)이 참이라면 자연 증명으로는 일반 회로에 대한 초다항 하한을 증명할 수 없다는 둘째 장벽의 원전이다. 회로 하한 연구가 왜 막혔는지 이해하려는 독자에게 권한다. 게시자(Elsevier) 페이지로 연결된다.

    확인:저자 공개본을 열어 §2(정의), §3.1, §4(정리 4.1·4.3)를 읽음. 연결한 게시자 주소의 서지는 DOI 등록 기록으로 확인.
  • 개관원문 확인
    P =? NPScott Aaronson · 2017ECCC TR17-004 (2017년 1월 8일 공개) · 책 Open Problems in Mathematics (John Forbes Nash Jr., Michael Th. Rassias 엮음, Springer, 2016), 1–122쪽에 실린 글

    P 대 NP 문제의 의미와 알려진 결과, 장벽, 접근 전반을 120여 쪽에 정리한 개관이다. 수학·과학·공학 배경의 넓은 독자를 겨냥해, 왜 P ≠ NP 라고 믿는지, 왜 증명이 어려운지, 지난 반세기에 무엇이 진전되었는지를 저자의 관점과 함께 설명한다. 상대화·자연 증명·대수화 장벽과 GCT 까지 다루므로, 이 서비스의 2부를 한 편으로 깊이 읽고 싶은 독자에게 가장 먼저 권한다.

    확인:저자 공개본(2017년 판)을 열어 인용한 절들을 읽음.
  • 개관원문 확인
    The status of the P versus NP problemLance Fortnow · 2009Communications of the ACM 52(9), 78–86쪽 (2009)

    P 대 NP 문제의 의미와 2009년 시점의 연구 상황을 전산학 일반 독자에게 풀어 쓴 개관이다. 문제를 풀려던 시도들과 그 한계, NP-완전 문제를 현실에서 다루는 법, 양자 컴퓨터의 가능성까지 짧게 훑는다. 수식이 거의 없어 입문 독자가 처음 읽을 영어 글로 알맞다. 저자 누리집의 공개본으로 연결한다.

    확인:저자 공개본을 열어 인용한 절들을 읽음.

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