เอ็นพี (ความซับซ้อน)

ในทฤษฎีความซับซ้อนในการคำนวณ กลุ่มปัญหา เอ็นพี (NP: Non-deterministic Polynomial time) สามารถนิยามได้สองวิธี ซึ่งเราสามารถพิสูจน์ได้ไม่ยากนักว่านิยามทั้งสองแบบนี้สมมูลกัน

 เอ็นพี เป็นเซตของปัญหาการตัดสินใจที่สามารถหาคำตอบได้ด้วยเครื่องจักรทัวริงเชิงไม่กำหนด (non-deterministic Turing machine) ภายในเวลาที่เป็นฟังก์ชันพหุนามกับขนาดของอินพุต 
 เอ็นพี เป็นเซตของปัญหาการตัดสินใจที่สามารถตรวจคำตอบได้ภายในเวลาที่เป็นฟังก์ชันพหุนามกับขนาดของอินพุต ด้วย เครื่องจักรทัวริงเชิงกำหนด (deterministic Turing machine)

คำว่า "ตรวจคำตอบ" ในที่นี้มีความหมายค่อนข้างจะคลุมเครือ ซึ่งรายละเอียดในส่วนนี้จะถูกอธิบายในไม่ช้า

 บทนำ 
เอ็นพี เป็นคลาสของปัญหาที่ใหญ่มาก ประกอบด้วยปัญหาสำคัญมากมาย (รวมทั้งปัญหาทั้งหมดที่อยู่ในพีด้วย) ปัญหาบางอย่างในเอ็นพีค่อนข้างเป็นนามธรรมที่ดูเหมือนกับว่าจะไม่มีประโยชน์อะไรเลยในชีวิตจริง แต่ปัญหาส่วนใหญ่ที่ถูกนำมาใช้อย่างมากในงานอุตสาหกรรมและการคำนวณต่าง ๆ ก็เป็นปัญหาในกลุ่มเอ็นพีเช่นกัน ตัวอย่างเช่น ปัญหาการออกแบบเครือข่ายเพื่อให้ราคาถูกที่สุด ปัญหาการหาเส้นทางเดินครบรอบที่ประหยัดที่สุด ปัญหาการแบ่งและจัดลำดับการทำงานสำหรับคอมพิวเตอร์ ฯลฯ

 นิยามของเอ็นพี (แบบเป็นทางการ) 
นิยามแบบเป็นทางการของเอ็นพีมีสองแบบ 

 นิยามแบบแรก -- เครื่องจักรทัวริงเชิงไม่กำหนด 

เราจะกล่าวว่าปัญหาการตัดสินใจ  อยู่ภายในเอ็นพี เมื่อ เราสามารถหาเครื่องจักรทัวริงเชิงไม่กำหนด M ที่มีคุณสมบัติดังต่อไปนี้ 
 M ทำงานจบภายในจำนวนเสตปที่เป็นฟังก์ชันพหุนามกับขนาดของอินพุต 
 ถ้า x เป็นตัวอย่างของปัญหาที่ตอบว่า "ใช่" จะมีอย่างน้อย 1 เส้นทางการคำนวณ (computation path) ของ M(x) ที่ให้คำตอบว่า "ใช่" 
 ถ้า x เป็นตัวอย่างของปัญหาที่ตอบว่า "ไม่ใช่" ทุกเส้นทางการคำนวณของ M(x) จะให้คำตอบว่าไม่ใช่ 

ลองมาดูตัวอย่างกันสักสองสามตัวอย่าง

เริ่มจากปัญหาที่เข้าใจได้ง่าย พิจารณาปัญหา "จำนวน x เป็นจำนวนประกอบหรือไม่?" ปัญหานี้จะตอบว่า "ใช่" ถ้าจำนวนที่กำหนดให้เป็นจำนวนประกอบ สำหรับปัญหานี้เราสามารถออกแบบเครื่องจักรทัวริงเชิงไม่กำหนดให้ทำงานดังต่อไปนี้

     M(x)  
     เลือกจำนวน y ที่มีค่ามากกว่า 2 แต่น้อยกว่า x มา 1 จำนวน 
          ถ้า y หาร x ลงตัว ตอบว่า "ใช่" 
     ตอบว่า "ไม่ใช่"

พิจารณาการทำงานของเครื่องจักรทัวริงในสองกรณี กรณีแรก ถ้า x เป็นจำนวนประกอบ จะมีทางเป็นไปได้ว่าจำนวน y ที่ M เลือกจะหาร x ลงตัว กรณีที่สอง ถ้า x ไม่ใช่จำนวนประกอบ ไม่ว่า M จะเลือกจำนวนใดมาก็ตาม คำตอบที่ได้จะเป็น "ไม่ใช่" เสมอ จากการมีอยู่ของ M ดังกล่าว เราสามารถสรุปได้ว่าปัญหานี้อยู่ในเอ็นพี

ถัดมา พิจารณา ปัญหาความสอดคล้องแบบบูล เราสามารถออกแบบเครื่องจักรทัวริงเชิงไม่กำหนดดังต่อไปนี้ โดยเครื่องจักร M จะรับนิพจน์  มา แล้วตัดสินว่านิพจน์นี้สามารถแทนค่า  เพื่อทำให้นิพจน์เป็นจริงได้หรือไม่


     for i :=1 to n 
        เลือกค่า  จาก (true, false) 
     แทนค่าที่เลือกทั้งหมดลงใน  แล้วตอบว่า "ใช่" ถ้า  เป็นจริง ถ้าไม่งั้นแล้วให้ตอบ "ไม่ใช่"

 นิยามแบบที่สอง -- การตรวจคำตอบ 

เราจะกล่าวว่าปัญหาการตัดสินใจ  อยู่ภายในเอ็นพี เมื่อ เราสามารถหาเครื่องจักรทัวริงเชิงกำหนด V ที่มีคุณสมบัติดังต่อไปนี้ (V เป็นตัวแทนของ verifier) 
 V ทำงานจบภายในเวลาที่เป็นฟังก์ชันพหุนามกับขนาดของอินพุต
 ถ้า x เป็นตัวอย่างของปัญหาที่ตอบว่า "ใช่" จะมีบทพิสูจน์ w ที่ทำให้ V(x,w) ตอบว่า "ใช่" 
 ถ้า x เป็นตัวอย่างของปัญหาที่ตอบว่า "ไม่ใช่" ไม่ว่าบทพิสูจน์ w จะเป็นอะไรก็ตาม V(x,w) จะตอบว่า "ไม่ใช่" 
 บทพิสูจน์ w มีขนาดเป็นฟังก์ชันพหุนามกับขนาดของอินพุต 
หมายเหตุ: w มีชื่อเรียกหลายแบบ  ที่นิยมเรียกกันก็คือ พยาน (witness) , บทพิสูจน์ (proof) , และ certificate 

ลองมาดูตัวอย่างเดียวกันแต่ใช้นิยามของเอ็นพีแบบที่สองในการพิสูจน์ดูบ้าง เริ่มจากปัญหาจำนวนประกอบก่อน เราสามารถออกแบบ V ได้ดังนี้

     V(x,w)  
     ถ้า w หาร x ลงตัว ตอบว่า "ใช่" 
     ตอบว่า "ไม่ใช่"

สังเกตว่าถ้า x เป็นจำนวนประกอบ จะมีบทพิสูจน์ w (ซึ่งในที่นี้ บทพิสูจน์ก็คือจำนวนที่หารจำนวนประกอบ x ลงตัว) ที่ทำให้ V ตอบว่า "ใช่" แต่ในทางกลับกันหาก x เป็นจำนวนเฉพาะ จะไม่มีบทพิสูจน์ใดที่ทำให้ V ตอบว่า "ใช่" 

ลองมาดูตัวอย่างของ ปัญหาความสอดคล้องแบบบูล อีกครั้ง เราสามารถออกแบบ V ได้โดย


     ถ้า w ไม่อยู่ในรูปแบบของ  ตอบว่า "ไม่ใช่" 
     แทนค่า  แล้วตอบว่า "ใช่" ถ้า  เป็นจริง ถ้าไม่งั้นแล้วให้ตอบ "ไม่ใช่"

จะเห็นว่าในปัญหานี้บทพิสูจน์ของเราก็คือค่าของตัวแปรที่ทำให้นิพจน์เป็นจริงนั่นเอง 

 การสมมูลกันของนิยาม 

เนื้อหาในส่วนนี้จะกล่าวถึงแนวคิดของบทพิสูจน์ว่าทำไมนิยามทั้งสองแบบนี้จึงสมมูลกันได้ การพิสูจน์แยกออกเป็นสองส่วนในส่วนแรกต้องพิสูจน์ว่าหากเซ็ต A ถูกจัดว่าเป็นเอ็นพีตามนิยามแบบแรกแล้ว A จะต้องเป็นเอ็นพีตามนิยามแบบที่สองด้วย และในส่วนที่สองเราต้องพิสูจน์ในกรณีกลับกัน

นิยามแบบแรก  นิยามแบบที่สอง

สมมติว่าปัญหา A มีเครื่องจักรทัวริงเชิงไม่กำหนด M ที่ใช้เวลาการคำนวณเป็นฟังก์ชันพหุนามกับขนาดของอินพุต เราสามารถสร้างเครื่องจักรทัวริงเชิงกำหนด V ที่ simulate M โดยพิจารณาบทพิสูจน์ที่จะตรวจสอบคือบิตสตริงที่บ่งบอกถึงทางเลือกของ M และ V จะตอบ "ใช่" หากท้ายสุดแล้วสตริงที่บ่งบอกทางเลือกทำให้  M ทำงานจบในสถานะที่ตอบ "ใช่" เราลองมาวิเคราะห์การทำงานของ V กันดู  
 หาก x เป็นตัวอย่างของปัญหาที่ตอบ "ใช่" บทพิสูจน์ที่เป็นทางเลือกที่ทำให้ A ตอบรับจะผ่านการตรวจสอบของ V 
 หาก x เป็นตัวอย่างของปัญหาที่ตอบ "ไม่ใช่" จะไม่มีบทพิสูจน์ใดที่ผ่านการตรวจสอบของ V ได้  

มีรายละเอียดปลีกย่อยที่ต้องจัดการอีกหน่อยคือ M อาจจะมีจำนวนทางเลือกมากกว่าสองในการเลือกแต่ละครั้ง ทำให้ไม่สามารถใช้บิตสตริงในการกำหนดทางเลือกได้ กรณีนี้สามารถแก้ได้ง่ายโดยการแปลง M ไปเป็น  โดยที่ทุกครั้งที่  ใช้สมบัติการเลือกของเครื่องจักรทัวริงเชิงไม่กำหนด ทางเลือกของ  จะมีเพียงสองเท่านั้น

นิยามแบบที่สอง  นิยามแบบแรก

สมมติว่าปัญหา A เป็นเอ็นพีตามนิยามแบบที่สอง นั่นก็คือมีเครื่องจักรทัวริงเชิงกำหนด V ที่ทำหน้าที่ในการตรวจสอบตามนิยาม เราสามารถสร้างเครื่องจักรทัวริงเชิงไม่กำหนด M ที่รับอินพุต x ที่สอดคล้องกับนิยามแบบแรกโดยการให้ M ใช้ความสามารถของเครื่องจักรทัวริงเชิงไม่กำหนดในการเลือกบทพิสูจน์ w สำหรับ V หลังจากนั้น M simulate การทำงานของ V(x,w) และ M ตอบรับเมื่อ V(x,w) ให้คำตอบว่า "ใช่" เราสามารถวิเคราะห์เป็นสองกรณีได้ในวิธีเดียวกันกับบทพิสูจน์ในส่วนแรก

 ทำไมบางปัญหาในเอ็นพีจึงยาก 

เนื่องจากว่าปัญหาที่อยู่ในกลุ่มนี้หลายอย่างมีประโยชน์เป็นอย่างมากในการแก้ปัญหาในชีวิตจริง นักวิจัยหลายคนจึงพยายามที่จะหาขั้นตอนวิธีที่มีประสิทธิภาพ (ทำงานในเวลาที่เป็นพหุนามกับขนาดของอินพุต) ในการแก้ปัญหาเหล่านี้ แต่ว่า จนกระทั่งปัจจุบัน ปํญหาหลายอย่างยังไม่สามารถหาขั้นตอนวิธีที่มีประสิทธิภาพได้ 

กลุ่มของปัญหาที่สำคัญเป็นอย่างมากในกลุ่มของเอ็นพีก็คือ เอ็นพีบริบูรณ์ ซึ่งมักจะถูกเรียกว่าเป็นกลุ่มของปํญหาที่ยากที่สุดในเอ็นพี เนื่องมาจากว่า การแก้ปัญหาเอ็นพีบริบูรณ์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ส่งผลให้เราสามารถแก้ปัญหาทั้งหมดในกลุ่มของเอ็นพีได้อย่างมีประสิทธิภาพด้วย ในปัจจุบัน หากปัญหาใดถูกจัดอยู่ในกลุ่ม เอ็นพีบริบูรณ์ นักวิจัยจะเลิกล้มความคิดที่จะหาคำตอบของปํญหานั้น (อย่างมีประสิทธิภาพ) ทันที  โดยมักเปลี่ยนเป้าหมายไปที่การหาขั้นตอนวิธีแบบประมาณแทน

เราจะมาดูตัวอย่างของปัญหาปัญหาหนึ่งที่มีความก้าวหน้าอย่างสม่ำเสมอในเชิงของการหาอัลกอริธึมที่มีประสิทธิภาพสำหรับปัญหานั้น ปัญหานี้ก็คือปัญหา "จำนวนเฉพาะ (PRIME) " ซึ่งปัญหานี้ก็คือ 

กำหนดจำนวนจำนวนหนึ่งมาให้ในรูปแบบของเลขฐานสอง ให้ตัดสินว่าจำนวนนี้เป็นจำนวนเฉพาะหรือไม่ 

 เราสามารถเห็นได้ชัดเจนว่าปัญหานี้อยู่ใน โค-เอ็นพี เนื่องจากว่าหากว่าจำนวนที่รับมาเป็นจำนวนประกอบ เราสามารถใช้ความสามารถของเครื่องจักรทัวริงเชิงไม่กำหนดในการเลือกหาตัวประกอบจำนวนนั้น และตรวจสอบได้อย่างรวดเร็ว 

 การพิสูจน์ว่าปัญหานี้อยู่ใน เอ็นพี สามารถทำได้โดยการให้เครื่องจักรทัวริงเชิงไม่กำหนดเลือกหา generator ของกรุ๊ป ที่ประกอบด้วยจำนวนตั้งแต่ 1 ถึง n และตรวจสอบได้ในเวลารวดเร็ว และเนื่องมาจากว่าในกรณีที่ n ไม่เป็นจำนวนเฉพาะ เราจะไม่สามารถหา generator ได้ ปัญหานี้จึงอยู่ในเอ็นพี 

 ถัดมา ปัญหานี้ถูกพิสูจน์ว่าอยู่ใน อาร์พี และ โค-อาร์พี และอัลกอริธึมที่นำมาใช้ในการตรวจสอบถูกนำไปเป็นตัวอย่างของขั้นตอนวิธีแบบสุ่มในชั้นเรียน วิชาขั้นตอนวิธี เนื่องมาจากความง่าย และยังทำให้เห็นถึงความสามารถของการสุ่มที่ช่วยทำให้แก้ปัญหาที่ยากได้ง่ายขึ้น 

 ในปี 2545 ปัญหานี้ถูกพิสูจน์ว่าอยู่ใน พี เป็นการปิดปัญหานี้ลงอย่างสมบูรณ์

จะเห็นว่าการจัดปัญหานี้เข้าไปใน โค-เอ็นพี ค่อนข้างจะง่ายและชัดเจน แต่หลังจากนั้นนักวิจัยต้องใช้ความพยายามอย่างมากในการจัดปัญหานี้เข้าไปใน เอ็นพี อาร์พี และ พี ตามลำดับ

 นิยามแบบอื่นๆของเอ็นพี 
ลองมอง เอ็นพี ในรูปแบบของ ระบบการพิสูจน์เชิงโต้ตอบ (Interactive Proof System) ที่ประกอบด้วย คนพิสูจน์ (Prover) และคนตรวจสอบ (verifier) และมองว่าคนตรวจสอบต้องการที่จะตรวจสอบว่าตัวอย่างของปัญหาที่ให้มาเป็นตัวอย่างที่ตอบ "ใช่" ในนิยามแบบนี้ เอ็นพีก็คือระบบที่มีคนตรวจสอบที่มีคุณสมบัติดังต่อไปนี้

 สำหรับตัวอย่างของปัญหาที่ตอบ "ใช่" คนพิสูจน์สามารถหาบทพิสูจน์ (proof, witness, or certificate) ที่คนตรวจสอบยอมรับได้ 
 สำหรับตัวอย่างของปัญหาที่ตอบ "ไม่ใช่" ไม่ว่าคนพิสูจน์จะส่งบทพิสูจน์ใดก็ตามให้กับคนตรวจสอบ คนตรวจสอบสามารถหาจุดที่ผิดพลาดในบทพิสูจน์นั้นได้เสมอ

ลองนึกถึงความยากลำบากของคนตรวจสอบบทพิสูจน์ หากต้องอ่านบทพิสูจน์ทั้งหมดทุกครั้งคงเหนื่อยไม่น้อยเพราะบทพิสูจน์ในบางครั้งอาจจะยาวมากกว่า 100 หน้า แต่ก็จำเป็นที่จะต้องอ่านอย่างละเอียดเพราะว่าไม่ต้องการให้บทพิสูจน์ผิดๆผ่านการตรวจสอบไปได้ ในที่นี้ความคิดของ ระบบการพิสูจน์ที่สามารถตรวจสอบเชิงสุ่มได้ (Probabilistically Checkable Proof) จึงเกิดขึ้น ในระบบนี้คนตรวจสอบสามารถสุ่มตรวจสอบบทพิสูจน์เป็นบางจุดได้ และแน่นอนว่ามีความเป็นไปได้ว่า บทพิสูจน์ที่ผิดๆอาจจะผ่านตาไปได้เป็นบางครั้ง แต่จุดที่สำคัญอย่างหนึ่งคือบทพิสูจน์ที่ถูกต้องจะถูกยอมรับเสมอ

ผลงานที่ยิ่งใหญ่ที่สุดอย่างหนึ่งในวิทยาการคอมพิวเตอร์เชิงทฤษฎีก็คือ "นิยามแบบใหม่ของเอ็นพี" โดยใช้ระบบการพิสูจน์ที่สามารถตรวจสอบเชิงสุ่มได้ โดยที่นิยามแบบใหม่บอกไว้ว่า เอ็นพีก็คือระบบที่มีคนตรวจสอบที่มีคุณสมบัติดังนี้

 สำหรับตัวอย่างของปัญหาที่ตอบ "ใช่" คนพิสูจน์จะหาบทพิสูจน์ที่คนตรวจสอบยอมรับได้เสมอ 
 สำหรับตัวอย่างของปัญหาที่ตอบ "ไม่ใช่" ไม่ว่าบทพิสูจน์ใดๆจะถูกส่งมา คนตรวจสอบสามารถหาจุดผิดพลาดได้ด้วยความน่าจะเป็น อย่างน้อย 

และ คนตรวจสอบใช้การสุ่มไม่เกิน  บิตและจำนวนครั้งในการอ่านบทพิสูจน์ไม่เกินค่าคงที่ค่าหนึ่ง

นิยามแบบนี้ของ เอ็นพี บอกเราว่าคนตรวจสอบสามารถสุ่มอ่านบทพิสูจน์เป็นจุดๆ (spot-check) ได้ ผลงานนี้มีประโยชน์มหาศาลในการนำไปพิสูจน์ความยากของปัญหาการประมาณ

 ตัวอย่าง 
ปัญหาที่สำคัญที่อยู่ในเอ็นพีก็คือ 
 ปัญหาสมสัณฐานของกราฟ (Graph Isomorphism) 
 ปัญหาการเดินทางของพนักงานขาย (Traveling Salesman Problem)
 ปัญหาความสอดคล้องแบบบูล (Boolean Satisfiability Problem)

 อ้างอิง 
 Complexity Zoo  
 Thomas H. Cormen, Charles E. Leiserson, Ronald L. Rivest, and Clifford Stein. Introduction to Algorithms, Second Edition. MIT Press and McGraw-Hill, 2001. ISBN 0-262-03293-7. Section 34.2: Polynomial-time verification, pp.979-983. 
  Sections 7.3-7.5 (The Class NP, NP-completeness, Additional NP-complete Problems) , pp.241-271.

อเอ็นพี (ความซับซ้อน)
อเอ็นพี (ความซับซ้อน)