Propriétés des réductions (quasi-)linéaires

. d_i := (b₁, . . . , b_i, a_i+1, . . . , a_n), .. . d_n:= (b₁, . . . , bn).

Pour tout j ∈ {1, . . . , n}, nous avons d_j−1 ≤ d_j, et d_j−1 et d_j diffèrent potentiellement seulement sur la composante d’indice j.

Puisque [a](d₀) > [a](d_n), alors il existe un indice i ∈ {1, . . . , n} tel que [a](d_i−1) > [a](d_i). Donc a(b1, . . . , bi−1, x1, ai+1, . . . , an) ≡ ¬x₁.

Nous donnons, dans la table 6.3, quelques exemples de simulations efficaces de la négation ¬x₁ par des fonctions Booléennes non monotones, en ce sens que les termes obtenus sont linéaires en x₁.

6.2.3 Propriétés des réductions (quasi-)linéaires

Dans cette section, nous montrons que ces réductions impliquent le préordre , ce qui nous permettra par la suite d’ordonner des ensembles de termes et des NFSs suivant .

Proposition 123. Pour tous ensembles de termes A et B, A w B implique A  B ; autrement dit, w ⊆ .

6.2. Efficacité des systèmes de formes normales Démonstration. Étant donnés des ensembles de termes A = T (a¬) (ou T (a)) et B = T (b¬)) (ou (T (b)) tels que A w B, il existe un terme linéaire t ∈ T (b) tel que a(x₁, . . . , x_{ar (a)}) ≡ t. Puis, nous pouvons convertir tout terme s de A en un terme équivalent de B en remplaçant chaque occurrence de a par t ; plus précisément, en remplaçant chaque sous-terme de la forme

a(s₁, . . . , s_{ar (a)}) par

t{s1/x1, . . . , s_{ar (a)}/x_{ar (a)}}.

Puisque t est linéaire, la taille du terme de B obtenu est |t| · |s|, c’est-à-dire un multiple constant de |s|.

Exemple 124. Nous avons la propriété M w M₅ car m(x, y, z) ≡ m5(0, 1, x, y, z). Par exemple, grâce à cette équivalence, nous pouvons convertir le terme

t₁ := m(m(x, y, z), u, v) en

t2:= m5(0, 1, m5(0, 1, x, y, z), u, v).

De plus, |t₁| = |t₂|. D’après la Proposition 123, il en résulte que M  M₅. 

Proposition 125. Si A = T (a¬) (ou T (a)) et B = T (b¬) (ou T (b)) sont deux ensembles de termes tels que A w_∀ B et t₁, . . . , t_ar(a) sont des termes qui satisfont les conditions d’une réduction universelle quasi-linéaire de A vers B, alors pour tout f ∈ [A], nous avons

C_B(f ) ≤ nk(C_A(f ))^q+ 1

où n := ar (b), k := max_i{|t_i|_b}, et q := max_i,j{|t_i|_xj}. Par conséquent, w_∀⊆ .

Démonstration. Soient A et B deux ensembles de termes qui sont tels que A w_∀ B. Autrement dit, par définition,

∀i, ∃t_i ∈ T (b), α(x1, . . . , x_{ar (a)}) ≡ t_i et |t_i|_xi = 1.

Afin de démontrer que A  B, nous donnons un procédé récursif efficace pour convertir un terme de A en un terme de B qui lui est équivalent. Puis, nous démontrons que la taille du terme une fois converti est polynomiale en la taille du terme original de A.

Il nous faut distinguer les cas où B = T (b¬) et où B = T (b). Tout d’abord, nous considérons le cas où B = T (b¬). Soit s un terme de A. Nous rappelons qu’étant donnée une suite de n entiers (r_i)n

i=1, argmax_i(r_i) est le plus petit entier j tel que pour tout i ∈ {1, . . . , n}, r_j ≥ r_i. Nous désignons par

convA→B(s)

le terme de B, équivalent à s, défini de manière inductive comme suit. — Si s est une variable ou une constante, alors convA→B(s) := s ; — si s = ¬t, alors convA→B(s) := s ;

— si s = a(s₁, . . . , s_{ar (a)}), alors

convA→B(s) := t<sub>`</sub>{convA→B(s<sub>1</sub>)/x<sub>1</sub>, . . . , convA→B(s<sub>ar (a)</sub>)/x<sub>ar (a)</sub>}, avec ` := argmax_i(|convA→B(s_i)|).

L’idée sous-jacente à ce procédé de conversion récursive est de repérer le sous-terme de taille maximale parmi ceux qui ont déjà été convertis afin de ne pas le répéter. Comme nous allons le voir, cette précaution est suffisante pour assurer une conversion efficace, c’est-à-dire sans explosion exponentielle de la taille du terme converti. Le fait que convA→B(s) ≡ s est assuré par la stabilité des interprétations par substitution.

Soit k := max_i{|t_i|_b} et q := max_i,j{|t_i|_xj}. Soit un terme s de A qui représente une fonc-tion Booléenne f . Nous allons montrer, par inducfonc-tion sur la structure des termes de A, que |convA→B(s)| ≤ k|s|^q.

— Supposons que s soit un littéral ou une constante. Alors, |convA→B(s)| = 0 = |s| = k|s|^q. — Supposons que

s = α(s₁, s₂, . . . , s_{ar (a)})

tel que s_i∈ T (a) pour tout i. Nous rappelons que ` est défini par ` = argmax_i(|convA→B(s_i)|). Par conséquent,

|convA→B(s)| = |t_{`</sub>{convA→B(s<sub>i</sub>)/x<sub>i</sub>}| = |t<sub>`}|_b+

ar (a) X j=1 |t<sub>`</sub>|<sub>xj</sub>|convA→B(s<sub>j</sub>)| ≤ k + q ar (a) X j=1, j6=`

|convA→B(s_j)| + |convA→B(s_`)|

≤ k + |convA→B(s₁)| + q

ar (a)

X

j=2

|convA→B(s_j)|.

L’avant-dernière inégalité provient du fait que |t_{`</sub>|<sub>x`} = 1, |t_i|_xj ≤ q, et |t_`|_b ≤ k. La dernière inégalité provient du fait que

|convA→B(s₁)| ≤ |convA→B(s<sub>`</sub>)| par définition de `, et donc que

q|convA→B(s₁)| + |convA→B(s_{`</sub>)| ≤ |convA→B(s<sub>1</sub>)| + q|convA→B(s<sub>`})|. Supposons à présent sans perte de généralité que

|s₁| ≥ |s₂| ≥ · · · ≥ |s_n−1| ≥ |s_{ar (a)}|. Alors, |convA→B(s)| ≤ k(1 + |s₁|^q+ q ar (a) X i=2

|s_i|^q) par hypothèse d’induction ≤ k(1 + |s₁| + |s₂| + · · · + |s_{ar (a)}|)q= k|s|^q.

La dernière inégalité provient du fait que |s_i+1|q≤ |s_i+1|q−1|s_i|.

Soit f ∈ [A] ⊆ [B] et soit s un terme de taille minimale dans A qui représente f . Alors, C_A(f ) = |s|.

6.2. Efficacité des systèmes de formes normales De plus,

C_B(f ) ≤ |convA→B(s)|. Puisque

|convA→B(s)| ≤ k|s|^q, nous avons donc :

C_B(f ) ≤ |convA→B(s)| ≤ k|s|^q = k(C_A(f ))^q. Par conséquent, A  B.

Nous considérons à présent le cas où B = T (b). Si A = T (a), alors la conversion de A vers B décrite ci-haut fonctionne sans plus de modification, et nous avons la même borne supérieure polynomiale pour la taille du terme converti. Si A = T (a¬), alors nous avons besoin de gérer les négations qui peuvent apparaître dans un terme s ∈ T (a¬). Dans le cas où B = T (b), [b] n’est nécessairement pas monotone. Donc, d’après le Lemme 122, il existe un terme unaire linéaire t ∈ T (b) tel que |t|b = 1 et t ≡ ¬x₁. Soit

s⁰:= convA→T (b¬)(s)

la conversion de s en un terme équivalent de T (b¬) en suivant le procédé décrit ci-haut, et soit s⁰⁰ le terme obtenu à partir de s⁰ en y remplaçant tous les sous-termes de la forme ¬u par t{u/x1}. Alors, s⁰⁰ ∈ T (b) et s⁰⁰≡ s. Si s est un terme de taille minimale dans A qui représente une fonction f , alors il n’y a aucune négation itérée dans s, et le nombre de négations dans s⁰ est au plus de (n − 1)|s⁰| + 1, où n := ar (b). Puisque chaque négation de s0 est remplacée par un terme (t) qui ne contient qu’une seule occurence de b, alors

C_B(f ) ≤ |s⁰⁰| ≤ |s⁰| + (n − 1)|s⁰| + 1 = n|s⁰| + 1 ≤ nk|s|q+ 1 = nk(C_A(f ))^q+ 1. Ainsi, dans ce cas aussi, A  B.

Exemple 126. Examinons le connecteur m. Nous avons les équivalences suivantes :

m(x, y, z) ≡ (y ↑ z) ↑ (x ↑ ((y ↑ 1) ↑ (z ↑ 1))), m(x, y, z) ≡ (x ↑ z) ↑ (y ↑ ((x ↑ 1) ↑ (z ↑ 1))), m(x, y, z) ≡ (y ↑ x) ↑ (z ↑ ((y ↑ 1) ↑ (x ↑ 1))).

Puisque chaque équivalence est linéaire en une variable (respectivement x, y, et z), alors M w_∀S.

D’après la proposition125, nous déduisons que M  S. 

Si un des connecteurs est une fonction symétrique, nous pouvons également traiter le cas des réductions quasi-linéaires existentielles.

Proposition 127. Soient deux ensembles de termes stratifiés A = T (a¬) et B = T (b¬). Si A w∃B et si [a] est une fonction symétrique, alors A w∀B ; par conséquent, A  B.

Démonstration. La symétrie de [a] nous permet de produire une réduction quasi-linéaire univer-selle à partir de la réduction A w_∃B. Il suffit ensuite d’appliquer la proposition 125.

Exemple 128. L’algorithme de conversion utilisé dans la preuve de la proposition123peut être implémenté et effectivement utilisé pour convertir des formules. Nous illustrons ici la propriété M₅ w M, que nous démontrons formellement ci-après dans la proposition 133.

Toutes les formules médianes de M₅ de taille inférieure à 13 sont générées, puis converties suivant l’algorithme décrit précédemment en une formule de M, grâce à l’équivalence

m₅(x₁, x₂, x₃, x₄, x₅) ≡ m(m(m(x2, x₃, x₄), x₄, x₅), m(x2, x₃, x₅), x₁) dont nous donnons une démonstration dans l’exemple61.

Dans la figure 6.4, nous avons représenté par des carrés rouges, pour chaque taille de for-mule de M₅, la taille des formules de M après conversion. En reprenant les notations de la proposition123, a = m₅, b = m, n = ar (b) = 3, k = max i {|t_i|_b} = 4, q = max i,j {|t_i|_xj} = 2,

où les t_i sont les termes de M obtenus en permutant les variables de la partie droite de l’équi-valence ci-dessus. Nous avons donc également représenté par des ronds bleus le polynôme

X 7→ nkX^q+ 1 = 12X²+ 1

qui illustre la majoration polynomiale de la taille des formules converties.

Notons que ces formules converties ne sont pas nécessairement minimales, et que la

majora-tion obtenue n’est pas optimale.