Published January 1, 2023 | Version v1
Publication Open

Local Search for Solving Satisfiability of Polynomial Formulas

  • 1. Peking University

Description

Abstract Satisfiability Modulo the Theory of Nonlinear Real Arithmetic, SMT(NRA) for short, concerns the satisfiability of polynomial formulas , which are quantifier-free Boolean combinations of polynomial equations and inequalities with integer coefficients and real variables. In this paper, we propose a local search algorithm for a special subclass of SMT(NRA), where all constraints are strict inequalities. An important fact is that, given a polynomial formula with n variables, the zero level set of the polynomials in the formula decomposes the n -dimensional real space into finitely many components (cells) and every polynomial has constant sign in each cell. The key point of our algorithm is a new operation based on real root isolation, called cell-jump , which updates the current assignment along a given direction such that the assignment can 'jump' from one cell to another. One cell-jump may adjust the values of several variables while traditional local search operations, such as flip for SAT and critical move for SMT(LIA), only change that of one variable. We also design a two-level operation selection to balance the success rate and efficiency. Furthermore, our algorithm can be easily generalized to a wider subclass of SMT(NRA) where polynomial equations linear with respect to some variable are allowed. Experiments show the algorithm is competitive with state-of-the-art SMT solvers, and performs particularly well on those formulas with high-degree polynomials.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تتعلق نظرية الحساب الحقيقي غير الخطي (SMT)، باختصار، بقابلية إرضاء الصيغ متعددة الحدود، وهي مجموعات منطقية خالية من المقياس الكمي من المعادلات متعددة الحدود والمتباينات مع معاملات الأعداد الصحيحة والمتغيرات الحقيقية. في هذه الورقة، نقترح خوارزمية بحث محلية لفئة فرعية خاصة من SMT(NRA)، حيث تكون جميع القيود عبارة عن تفاوتات صارمة. حقيقة مهمة هي أنه، بالنظر إلى صيغة متعددة الحدود مع متغيرات n، فإن مجموعة المستوى الصفري من متعددو الحدود في الصيغة تحلل الفضاء الحقيقي n - dimensional إلى العديد من المكونات (الخلايا) وكل متعدد حدود له علامة ثابتة في كل خلية. النقطة الرئيسية في خوارزميتنا هي عملية جديدة تعتمد على عزل الجذر الحقيقي، تسمى القفز الخلوي، والتي تقوم بتحديث المهمة الحالية على طول اتجاه معين بحيث يمكن للمهمة "القفز" من خلية إلى أخرى. قد تقوم قفزة خلية واحدة بضبط قيم العديد من المتغيرات في حين أن عمليات البحث المحلية التقليدية، مثل الوجه لـ SAT والحركة الحرجة لـ SMT(LIA)، لا تغير سوى متغير واحد. نقوم أيضًا بتصميم اختيار عملية من مستويين لتحقيق التوازن بين معدل النجاح والكفاءة. علاوة على ذلك، يمكن تعميم خوارزميتنا بسهولة على فئة فرعية أوسع من SMT(NRA) حيث يُسمح بمعادلات متعددة الحدود الخطية فيما يتعلق ببعض المتغيرات. تُظهر التجارب أن الخوارزمية قادرة على المنافسة مع أحدث أجهزة حل SMT، وتعمل بشكل جيد بشكل خاص على تلك الصيغ ذات متعددات الحدود عالية الدرجة.

Translated Description (French)

Abstract Satisfiability Modulo the Theory of Nonlinear Real Arithmetic, SMT(NRA) en abrégé, concerne la satisfiabilité des formules polynomiales, qui sont des combinaisons booléennes sans quantificateur d'équations polynomiales et d'inégalités avec des coefficients entiers et des variables réelles. Dans cet article, nous proposons un algorithme de recherche locale pour une sous-classe spéciale de SMT(NRA), où toutes les contraintes sont des inégalités strictes. Un fait important est que, étant donné une formule polynomiale avec n variables, l'ensemble de niveau zéro des polynômes dans la formule décompose l'espace réel à n dimensions en un nombre fini de composants (cellules) et chaque polynôme a un signe constant dans chaque cellule. Le point clé de notre algorithme est une nouvelle opération basée sur l'isolement réel de la racine, appelée saut de cellule, qui met à jour l'affectation actuelle dans une direction donnée afin que l'affectation puisse « sauter » d'une cellule à l'autre. Un saut de cellule peut ajuster les valeurs de plusieurs variables tandis que les opérations de recherche locales traditionnelles, telles que le basculement pour SAT et le mouvement critique pour SMT(LIA), ne modifient que celle d'une variable. Nous concevons également une sélection d'opérations à deux niveaux pour équilibrer le taux de réussite et l'efficacité. En outre, notre algorithme peut être facilement généralisé à une sous-classe plus large de SMT(NRA) où des équations polynomiales linéaires par rapport à une certaine variable sont autorisées. Les expériences montrent que l'algorithme est compétitif avec les solveurs SMT de pointe et qu'il fonctionne particulièrement bien sur les formules avec des polynômes de haut degré.

Translated Description (Spanish)

Abstract Satisfiability Modulo the Theory of Nonlinear Real Arithmetic, SMT(NRA) para abreviar, se refiere a la satisfactibilidad de las fórmulas polinómicas, que son combinaciones booleanas sin cuantificadores de ecuaciones polinómicas y desigualdades con coeficientes enteros y variables reales. En este documento, proponemos un algoritmo de búsqueda local para una subclase especial de SMT(NRA), donde todas las restricciones son desigualdades estrictas. Un hecho importante es que, dada una fórmula polinómica con n variables, el conjunto de nivel cero de los polinomios en la fórmula descompone el espacio real n-dimensional en un número finito de componentes (celdas) y cada polinomio tiene un signo constante en cada celda. El punto clave de nuestro algoritmo es una nueva operación basada en el aislamiento de raíz real, llamada salto de celda, que actualiza la asignación actual a lo largo de una dirección determinada de modo que la asignación pueda "saltar" de una celda a otra. Un salto de celda puede ajustar los valores de varias variables, mientras que las operaciones de búsqueda local tradicionales, como Flip para SAT y Critical Move para SMT(LIA), solo cambian el de una variable. También diseñamos una selección de operación de dos niveles para equilibrar la tasa de éxito y la eficiencia. Además, nuestro algoritmo se puede generalizar fácilmente a una subclase más amplia de SMT(NRA) donde se permiten ecuaciones polinómicas lineales con respecto a alguna variable. Los experimentos muestran que el algoritmo es competitivo con los solucionadores SMT de última generación y se desempeña particularmente bien en aquellas fórmulas con polinomios de alto grado.

Files

978-3-031-37703-7_5.pdf.pdf

Files (752.2 kB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:2405abc7f7a5ef1b6ae938981cc680ba
752.2 kB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
البحث المحلي عن حل إشباع الصيغ متعددة الحدود
Translated title (French)
Recherche locale pour résoudre la satisfaction des formules polynomiales
Translated title (Spanish)
Búsqueda local para resolver la satisfactibilidad de las fórmulas polinómicas

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4384573545
DOI
10.1007/978-3-031-37703-7_5

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
China

References

  • https://openalex.org/W1128447031
  • https://openalex.org/W1480909796
  • https://openalex.org/W1491144250
  • https://openalex.org/W1491532135
  • https://openalex.org/W1493060511
  • https://openalex.org/W1565449944
  • https://openalex.org/W1601158010
  • https://openalex.org/W167199924
  • https://openalex.org/W1748968569
  • https://openalex.org/W2007074311
  • https://openalex.org/W2010429995
  • https://openalex.org/W2021431116
  • https://openalex.org/W2031948211
  • https://openalex.org/W2040951317
  • https://openalex.org/W2097153130
  • https://openalex.org/W221832247
  • https://openalex.org/W2238963713
  • https://openalex.org/W2495572426
  • https://openalex.org/W2730414357
  • https://openalex.org/W2889414920
  • https://openalex.org/W2912640545
  • https://openalex.org/W3010680447
  • https://openalex.org/W4225922019
  • https://openalex.org/W4229917934
  • https://openalex.org/W4236605548
  • https://openalex.org/W4289874371
  • https://openalex.org/W4298290503
  • https://openalex.org/W4322505713
  • https://openalex.org/W70797468