Mathematical Logic Seminar

Why is solving the P vs NP problem so damn hard?

Sala 6.2.33, Ciências ULisboa (com transmissão via Zoom)

Por Bruno Loff (Universidade do Porto).

I will give a board-and-chalk-and-informal-talk presentation about the difficulty of proving lower-bounds in computational complexity. 

The P vs NP problem is one of the most famous unsolved problems in mathematics. One may phrase the P vs NP question in various equivalent ways. One way, which is not completely equivalent, but almost, is the following ("P/poly vs NP problem"). Does there exist a small Boolean circuit which solves the CLIQUE problem? I.e., does there exist a poly(N)-size Boolean circuit which, when given as input the NxN adjacency matrix of an undirected graph, decides whether the graph has a clique of size N/2?

Complexity theorists, me included, believe that the answer is no. We believe that there exists a super-polynomial "lower-bound" on the complexity of CLIQUE. Many people have tried proving such a lower-bound, and so far all have failed. But why? Why is the problem so difficult?

In the late 1980s, Alexander Razborov proved that there exist no poly(N)-size "monotone" circuits for solving CLIQUE. Namely, if we forbid the Boolean circuit from doing negations, so they can only do ORs and ANDs, then polysize circuits cannot solve the CLIQUE problem. He (and many others) then tried to prove the same result for ordinary circuits (with negation gates). And he failed (and they all failed, too). But along the way he (and many others) proved many different lower-bounds. Lower-bounds for simpler kinds of circuits (e.g. constant-depth), lower-bounds for communication protocols (a different but related computational model), and lower-bounds for other models. Razborov proved these lower-bounds, and he also thought long and hard about why lower-bounds against Boolean circuits were so difficult to prove.

In 1994, Razborov and Stephen Rudich presented their paper, "natural proofs", which had a very reasonable explanation for why circuit lower-bounds were difficult to prove. They showed, remarkably, that every single lower-bound proof that was known at the time had a certain "logical structure" (or could be made to have such a structure by small changes to the argument). This logical structure made the proof very simple and natural, and they called proofs with such a structure "natural proofs". Then they showed that super-polynomial lower-bounds on CLIQUE cannot be shown using natural proofs, unless certain cryptographic primitives, such as factoring, are unsecure. This is a kind of informal independence result. (Based on the natural proofs result, Razborov also later proved formal independence results, showing that P vs NP is independent of certain weak systems of arithmetic, but I do now know the details of those.)

In one fell swoop, Razborov and Rudich ruled out every single lower-bound technique known at the time, saying: these techniques are not enough to solve the P vs NP problem (unless cryptography is insecure). To a very large extent this barrier still applies today, as almost all the lower-bound proofs that we know are natural proofs, i.e., they have the very same logical structure as the proofs known since the 1980s.

In this seminar, I will explain what is a "natural proof", and why it is reasonable to expect that no natural proof can solve the P vs NP problem. Only a few words will be said about some of my research and how it connects to this topic.


Zoom | Meeting ID: 837 8989 1971

16h00
CMAFcIO - Centro de Matemática, Aplicações Fundamentais e Investigação Operacional
Imagem do evento - título, local e data do evento

Investigação Ecológica ao Serviço da Conservação

Durante este dia, acesso gratuito ao Museu, ao Jardim Botânico de Lisboa e ao Jardim Botânico Tropical.

Seminário no âmbito do Mestrado em Bioestatística, por Sandra Rodrigues (Bioinsight e CEAUL).

Queres explorar diferentes áreas da Matemática de forma descontraída?

Seminário do Centro de Física Teórica e Computacional, por James Kennedy (Departamento de Matemática, Faculdade de Ciências, Universidade de Lisboa, Portugal).

IDL Lecture, por John Clinton (ETHZ).

Representação futurista de sistema de produção agrícola

Conferência Anual do Colégio F3 e da Rede Agro da Universidade de Lisboa.

Título/data/local do evento e representação do cérebro humano

A iniciativa reúne estudantes e investigadores que apresentam e discutem trabalhos de investigação em curso, e novas propostas e ideias nas áreas da mente, cérebro e cognição.

Seminário de Lógica Matemática, por Maria Beatrice Buonaguidi (King's College London).

O curso, a decorrer de 26 a 29 de novembro, destina-se a fornecer competências a quem pretende trabalhar com modelos experimentais ou com vertebrados selvagens.

Título/data/local do evento, logótipos DGES/ULisboa e fotografia de pormenor de docente a corrigir testes

O workshop visa identificar estratégias práticas que promovem a eficácia do estudo perante o aproximar de períodos avaliativos.

Join us for a discussion on the challenges and opportunities of developing and implementing sustainable marine spatial planning (MSP) and management around the globe. With international experts from Brazil, USA, Spain and Portugal as guest speakers!

Seminário Doutoral II (Doutoramento em Biologia - Especialidade em Ecologia), por Celso José Miguel Paulo.

Seminário em Biologia Humana e Ambiente, por Paula Alexandra Lopes (Faculdade de Medicina Veterinária - FMV - Universidade de Lisboa; Centre for Interdisciplinary Research in Animal Health - CIISA).

Seminário do Departamento de Física de Ciências ULisboa, por João Lin Yun (Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço, FCUL).

Fotografia de árvores com cores outonais e bancos de jardim

Estudantes de pós-graduação em Matemática de CIÊNCIAS falam, de forma descontraída e informal, sobre o seu trabalho.

Seminário Doutoral II (Doutoramento em História e Filosofia das Ciências), por André Gonçalo Azevedo Pedro.

This workshop aims to explore crucial issues raised by contemporary computational models and methods in AI. The focus will be on fostering discussions about the epistemological, ontological, and formal considerations, as well as the societal implications of AI systems.

Título/data/local do evento e logótipos de Ciências ULisboa e do GAPsi

Palestra promovida pelo GAPSI - Gabinete de Apoio Psicológico de Ciências ULisboa.

Título/data/local do evento e três fotografias relacionadas com a permacultura

Permacultura? Não é uma pseudociência esotérica? Uma utopia sem fundamento científico? Para desmistificar estas e outras ideias, o permacultor certificado Tiago Silva (SmartLeap) guiar-te-á pelos caminhos desta prática multidisciplinar, fundada em sólidas bases empíricas.

Título/data/local do evento e logótipos da FCT, PRR e ULisboa

O programa incluirá uma mesa-redonda e a apresentação do Programa ERC-Portugal, enquanto instrumento de apoio à comunidade científica nos vários ciclos da participação nacional nos concursos do ERC.

Título do evento, logótipos da ULisboa/DGES e fotografia de peças de xadrez

Sentes-te perdido/a em relação ao teu futuro académico/profissional? Ainda não sabes qual a melhor área a seguir ou como definir a tua carreira? Este workshop é para ti!

Logótipos de Ciências ULisboa/GAPsi e calendarização das palestras

Uma conversa sobre ti, alguém amigo ou apenas acerca de ansiedade.

Título da iniciativa, logótipos das entidades envolvidas e fotografias de dois jovens

Voa alto com o teu talento no Talent Bootcamp em CIÊNCIAS.

Logótipo do concurso

As candidaturas à 21.ª edição decorrem até 06 de dezembro.

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