Mines Informatique MP 2010

Thème de l'épreuve Le problème de la satisfiabilité logique
Principaux outils utilisés logique propositionnelle, programmation impérative
Mots clefs logique, satisfiabilité, forme normale conjonctive

Corrigé

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Épreuve d'informatique 2010 A 2010 INFO. MP ÉCOLE NATIONALE DES PONTS ET CHAUSSÉES, ÉCOLES NATIONALES SUPÉRIEURES DE L'AÉRONAUTIQUE ET DE L'ESPACE, DE TECHNIQUES AVANCÉES, DES TÉLÉCOMMUNICATIONS, DES MINES DE PARIS, DES MINES DE SAINT-ÉTIENNE, DES MINES DE NANCY, DES TÉLÉCOMMUNICATIONS DE BRETAGNE, ÉCOLE POLYTECHNIQUE (FILIÈRE TSI) CONCOURS D'ADMISSION 2010 ÉPREUVE D'INFORMATIQUE Filière MP Durée de l'épreuve : 3 heures. L'usage de calculettes est autorisé. L'utilisation d'un ordinateur est interdite. Sujet mis à disposition des concours : ENSAE ParisTech, TELECOM SudParis (ex INT), TPE-EIVP L'énoncé de cette épreuve comporte 11 pages. Les candidats sont priés de mentionner de façon apparente sur la première page de la copie : INFORMATIQUE - MP Recommandations aux candidats · Si, au cours de l'épreuve, un candidat repère ce qui lui semble être une erreur d'énoncé, il le signale sur sa copie et poursuit sa composition en expliquant les raisons des initiatives qu'il est amené à prendre. · Tout résultat fourni dans l'énoncé peut être utilisé pour les questions ultérieures même s'il n'a pas été démontré. · Il ne faut pas hésiter à formuler les commentaires qui semblent pertinents même lorsque l'énoncé ne le demande pas explicitement. Composition de l'épreuve L'épreuve comporte un seul problème Page 1 sur 11 Épreuve d'informatique 2010 Le problème de la satisfiabilité logique Préliminaire concernant la programmation : il faudra écrire des fonctions ou des procédures à l'aide d'un langage de programmation qui pourra être soit Caml, soit Pascal, tout autre langage étant exclu. Indiquer en début de problème le langage de programmation choisi ; il est interdit de modifier ce choix au cours de l'épreuve. Certaines questions du problème sont formulées différemment selon le langage de programmation ; cela est indiqué chaque fois que nécessaire. Par ailleurs, pour écrire une fonction ou une procédure en langage de programmation, le candidat pourra définir des fonctions ou des procédures auxiliaires qu'il explicitera ou faire appel à d'autres fonctions ou procédures définies dans les questions précédentes. Dans l'énoncé du problème, un même identificateur écrit dans deux polices de caractères différentes désigne la même entité, mais du point de vue mathématique pour la police écrite en italique (par exemple : F) et du point de vue informatique pour celle écrite en romain (par exemple : F). On appelle variable booléenne une variable qui ne peut prendre que les valeurs 0 (synonyme de faux) ou 1 (synonyme de vrai). Si x est une variable booléenne, on appelle complémenté de x et on note x la négation de x : x vaut 1 si x vaut 0 et x vaut 0 si x vaut 1. On appelle littéral une variable booléenne ou son complémenté. Pour un littéral = x , où x est une variable booléenne, on définit le complémenté de comme étant égal à x. On a ainsi défini le complémenté de tout littéral. On représente la disjonction (« ou » logique ) par le symbole et la conjonction (« et » logique) par le symbole . On appelle clause une disjonction de littéraux et longueur d'une clause le nombre des littéraux qui composent cette clause. La longueur d'une clause doit être toujours au moins égale à 1. On appelle formule logique sous forme normale conjonctive une conjonction de clauses ; chacune de ces clauses est dite appartenir à la formule logique. Dans tout le problème, quand on utilisera l'expression formule logique, il s'agira d'une formule logique sous forme normale conjonctive. On ne suppose pas que toutes les clauses d'une formule logique sont distinctes. Dans tout le problème, les littéraux d'une même clause sont différents et une clause ne contient pas à la fois une variable et le complémenté de celle-ci : si une clause contient le littéral , elle ne contient pas une deuxième fois et elle ne contient pas . Dans les algorithmes qui seront à écrire, on fera en sorte que cette propriété soit toujours vérifiée. En conséquence, la longueur d'une clause d'une formule logique n'est jamais supérieure au nombre total de variables de la formule logique considérée. On appelle valuation des variables d'une formule logique une application de l'ensemble de ces variables dans l'ensemble {0, 1}. Une clause vaut 1 si au moins un de ses littéraux vaut 1 et 0 sinon. Une clause est dite satisfaite par une valuation des variables si elle vaut 1 pour cette valuation. Une formule logique vaut 1 si toutes ses clauses valent 1 et 0 sinon. Une formule logique est dite satisfaite par une valuation des variables si elle vaut 1 pour cette valuation. Une formule logique est dite satisfiable s'il existe une valuation de ses variables qui la satisfait. Si une formule logique est satisfiable, on appelle alors solution de cette formule logique toute valuation des variables qui la satisfait. Par exemple, la formule logique : (x y z) ( x z) ( y z ) est satisfiable et elle est satisfaite par la solution x = 1, y = 0 et z = 1. Page 2 sur 11 Épreuve d'informatique 2010 Comme pour une variable booléenne, la valeur 0 est synonyme de faux et la valeur 1 est synonyme de vrai pour un littéral, une clause ou une formule logique. Une formule logique qui n'aurait aucune clause est dite vide et considérée comme toujours satisfaite. Étant donnée une formule logique F, on note dans ce problème max(F) le nombre maximum de clauses de F pouvant être satisfaites par une même valuation ; en notant m le nombre de clauses de F, on remarque que F est satisfiable si et seulement si max(F) = m. Première partie : introduction Pour les deux premières questions de ce problème, on considère trois personnes nommées X, Y et Z et on s'intéresse au fait qu'elles portent ou non un chapeau. On considère les propositions suivantes : a) au moins une des personnes porte un chapeau ; b) au moins une des personnes ne porte pas de chapeau ; c) si X porte un chapeau, ni Y ni Z n'en portent ; d) si Y porte un chapeau, au moins une personne parmi X ou Z en porte un. On définit des variables booléennes x, y et z qui valent 1 si, respectivement, X, Y et Z portent un chapeau et 0 sinon. 1 ­ Exprimer chacune des propositions a), b), c) et d) comme une formule logique (on rappelle que l'expression « formule logique » signifie « formule logique sous forme normale conjonctive ») exprimée avec les variables x, y et z. 2 ­ Écrire une formule logique exprimant le fait que les propositions a), b), c) et d) doivent être satisfaites simultanément. Indiquer si cette formule logique est satisfiable ou non et, si elle est satisfiable, donner l'ensemble des solutions pour cette formule logique. On prouvera la réponse. On considère maintenant la formule logique F1 dépendant de quatre variables x, y, z et t : F1 = (x y z) ( x z t ) (x y z ) (x y t ) ( x z t ) ( x t) (x y z). 3 ­ Indiquer si F1 est satisfiable ou non et, si elle est satisfiable, donner l'ensemble des solutions de F1. On prouvera la réponse. On considère une formule logique F définie sur n variables booléennes et dont toutes les clauses sont de longueur 3 ; on dit alors qu'il s'agit d'une instance de 3-SAT ; on note m le nombre de clauses dont F est la conjonction. 4 ­ Déterminer une instance F2 de 3-SAT non satisfiable et possédant exactement 8 clauses ; indiquer max(F2) en justifiant la réponse. On considère une instance F de 3-SAT définie sur n variables booléennes. On note V l'ensemble des 2n valuations des variables de F. Soit val une valuation des n variables ; si C Page 3 sur 11 Épreuve d'informatique 2010 est une clause, on note (C , val ) la valeur de C pour la valuation val ; on note ( F , val ) le nombre de clauses de F qui valent 1 pour la valuation val. On a : ( F , val ) = (C , val ) C , clause de F et max(F) = max (F , val ) . val V 5 ­ On considère une clause C de F ; indiquer en fonction de n la valeur de la somme : (C , val ) . valV 6 ­ En considérant la somme (C , val ) , indiquer en fonction de m un C , clause de F val V minorant de max(F). 7 ­ Donner le nombre minimum de clauses d'une instance de 3-SAT non satisfiable. Indications pour la programmation, à lire avec attention On va désormais numéroter à partir de 1 les variables booléennes d'une formule logique. Ainsi, si les variables sont x, y et z, on associe à x le numéro 1, à y le numéro 2 et à z le numéro 3. Par ailleurs, on numérote le complémenté d'une variable avec l'opposé du numéro associé à celle-ci ; ainsi, avec l'exemple ci-dessus, au littéral x , on associe le numéro ­1, au littéral y , on associe le numéro ­2, au littéral z , on associe le numéro ­3. Pour alléger les explications, on identifie désormais un littéral avec son numéro. Le mot tableau utilisé plus bas est synonyme de ce qu'on appelle vecteur en Caml. Pour coder une valuation d'un ensemble de n variables booléennes, on utilise un tableau d'au moins n + 1 entiers indicé à partir de 0 ; pour i compris entre 1 et n, la case d'indice i donne la valeur de la variable de numéro i (valeur qui vaut soit 0, soit 1, ou éventuellement une valeur quelconque si la valeur de la variable correspondante n'est pas spécifiée). La case d'indice 0 n'est pour l'instant pas utilisée. Pour coder une clause de longueur p, on utilise un tableau d'au moins p + 1 entiers indicé à partir de 0 ; pour i compris entre 1 et p, la case d'indice i contient le numéro du littéral qui se trouve en position i dans la clause. La case d'indice 0 de ce tableau indique la longueur de la clause. Ainsi, si les variables sont x, y, z et t, numérotées respectivement par 1, 2, 3 et 4, la clause (x t y) est codé par un tableau représenté ci-dessous : Indice Numéro 0 3 1 1 2 ­4 3 2 Pour coder une formule logique, on utilise un tableau de tableaux d'entiers indicés par (i, j) où les indices i et j sont supérieurs ou égaux à 0 ; pour i supérieur ou égal à 1, la ligne d'indice i décrit la ie clause de la formule logique. On utilise deux cases de la ligne d'indice 0 : la case d'indice (0, 0) contient le nombre de clauses de la formule logique et la case d'indice (0, 1) contient le nombre total de variables. Ainsi, la formule logique : F3 = (x y z t) ( x z ) (x t y) est codée par le tableau ci-dessous. Dans ce tableau, les cases contenant des pointillés existent ou non ; si elles existent, leurs valeurs n'ont pas d'importance : Page 4 sur 11 Épreuve d'informatique 2010 j i 0 1 2 3 0 1 2 3 4 3 4 2 3 4 1 ­1 1 ... ­2 ­3 ­4 ... 3 ... 2 ... 4 ... ... Indications pour Caml En Caml, la formule logique F3 peut être définie comme ci-dessous par le vecteur de vecteurs F3 : let F3 = [|[|3;4|];[|4;1;-2;3;4|];[|2;-1;-3|];[|3;1;-4;2|]|];; Soit F un vecteur de vecteurs définissant une formule logique F et soient i et j deux entiers compris entre 1 et F.(0).(0) ; le vecteur F.(i)définit la ie clause de F ; dans un calcul de complexité, on considérera l'instruction F.(i) <- F.(j) comme une seule opération élémentaire. Fin des indications pour Caml Indications pour Pascal On définit les constantes et les types ci-dessous : CONST MAX_VAR = 10; MAX_CLAUSES = 100; type Valuation = array [0 .. MAX_VAR] of Integer; type Clause = array [0 .. MAX_VAR] of Integer; type Formule = array [0 .. MAX_CLAUSES] of Clause; La constante MAX_VAR indique le nombre maximum de variables d'une formule logique. La constante MAX_CLAUSES indique le nombre maximum de clauses d'une formule logique. Dans ce problème, on ne se préoccupera pas d'un éventuel débordement de ces tableaux. La formule logique F3 peut être codée avec une variable F3 de type Formule par : F3[0][0]:=3; F3[0][1]:=4; F3[1][0]:=4; F3[1][1]:=1; F3[1][2]:=-2; F3[1][3]:=3; F3[1][4]:=4; F3[2][0]:=2; F3[2][1]:=-1; F3[2][2]:=-3; F3[3][0]:=3; F3[3][1]:=1; F3[3][2]:=-4; F3[3][3]:=2; Soit F un tableau de type Formule définissant une formule logique F et soient i et j deux entiers compris entre 1 et F[0][0] ; le tableau F[i] définit la ie clause de F ; dans un calcul de complexité, on considérera l'instruction F[i] := F[j] comme une seule opération élémentaire. Fin des indications pour Pascal Page 5 sur 11 Épreuve d'informatique 2010 Deuxième partie : satisfiabilité, méthode exacte 8 ­ La fonction valeur_clause. Caml : Écrire en Caml une fonction valeur_clause telle que, si C est un vecteur d'entiers codant une clause C et si val est un vecteur codant une valuation val d'un ensemble de variables contenant les variables de C, alors valeur_clause C val donne la valeur de C (c'est-à-dire 0 ou 1) pour la valuation val. Indiquer la complexité de la fonction valeur_clause. Pascal : Écrire en Pascal une fonction valeur_clause telle que, si C, de type Clause, code une clause C et si val, de type Valuation, code une valuation val d'un ensemble de variables contenant les variables de C, alors valeur_clause(C, val) donne la valeur de la clause C (c'est-à-dire 0 ou 1) pour la valuation val. Indiquer la complexité de la fonction valeur_clause. 9 ­ La fonction satisfait_formule. Caml : Écrire en Caml une fonction satisfait_formule telle que, si F est un vecteur de vecteurs d'entiers codant une formule logique F et si val est un vecteur codant une valuation val de l'ensemble des variables de F, alors satisfait_formule F val vaut true si val satisfait F et false sinon. Indiquer la complexité de la fonction satisfait_formule. Pascal : Écrire en Pascal une fonction satisfait_formule telle que, si F, de type Formule, code une formule logique F et si val, de type Valuation, code une valuation val de l'ensemble des variables de F, alors satisfait_formule(F, val) vaut true si val satisfait F et false sinon. Indiquer la complexité de la fonction satisfait_formule. 10 ­ La fonction resoudre_rec. On considère une formule logique F et un nombre k compris entre 0 et le nombre total de variables de F. Pour i compris entre 1 et k, on fixe une valeur vi égale à 0 ou 1 pour la variable i (si k vaut 0, aucune variable n'a une valeur fixée). La fonction resoudre_rec détermine s'il existe une valuation val des variables telle que · pour i compris entre 1 et k, la valeur dans val de la variable i est vi, · val satisfait F. De plus, la fonction resoudre_rec dispose d'un tableau d'entiers destiné à coder une valuation des variables ; dans le cas où la valuation cherchée existe, la fonction modifie ce tableau pour qu'il code une telle valuation et elle renvoie alors la valeur 1 ; si la valuation cherchée n'existe pas, la fonction renvoie la valeur 0 sans avoir modifié les cases d'indices compris entre 1 et k. Caml : Écrire en Caml une fonction récursive resoudre_rec telle que, · si F est un vecteur de vecteurs d'entiers codant une formule logique F, · si val est un vecteur d'entiers servant à coder une valuation, · si k est un entier compris entre 0 et le nombre de variables de F, Page 6 sur 11 Épreuve d'informatique 2010 · si le vecteur val contient soit 0, soit 1 dans les cases d'indices 1, 2, ..., k, alors resoudre_rec F val k modifie le vecteur val comme indiqué ci-dessus, en considérant que les valeurs des cases d'indices 1, 2, ..., k de ce vecteur sont les valeurs fixées v1, v2, ..., vk des variables 1, 2, ..., k ; la fonction renvoie true si la valuation cherchée existe et false sinon. Pascal : Écrire en Pascal une fonction récursive resoudre_rec telle que, · si F, de type Formule, code une formule logique F, · si val est de type Valuation, · si k est un entier compris entre 0 et le nombre de variables de F, · si le tableau val contient soit 0, soit 1 dans les cases d'indices 1, 2, ..., k, alors resoudre_rec(F, val, k) modifie le tableau val comme indiqué cidessus, en considérant que les valeurs des cases d'indices 1, 2, ..., k de ce tableau sont les valeurs fixées v1, v2, ..., vk des variables 1, 2, ..., k ; la fonction renvoie true si la valuation cherchée existe et false sinon. 11 ­ La fonction resoudre. La fonction resoudre prend en argument une formule logique F et renvoie un tableau d'entiers pouvant coder une valuation des variables de F. Si F est satisfiable, le tableau renvoyé code une solution de F et contient la valeur 1 dans la case d'indice 0 ; si F n'est pas satisfiable, le tableau contient la valeur 0 dans la case d'indice 0. Caml : Écrire en Caml une fonction resoudre telle que, si F est un vecteur de vecteurs d'entiers codant une formule logique F, alors resoudre F renvoie un vecteur d'entiers correspondant au résultat de la fonction resoudre décrite ci-dessus. Pascal : Écrire en Pascal une fonction resoudre telle que, si F, de type Formule, code une formule logique F, alors resoudre(F) renvoie un tableau de type Valuation correspondant au résultat de la fonction resoudre décrite ci-dessus. 12 ­ Évaluer la complexité de la fonction resoudre appliquée à une formule logique F en fonction du nombre n de variables de F et de la somme des longueurs des clauses de F. Troisième partie : MAX-SAT Dans cette partie, on ne s'intéresse plus à savoir si une formule logique est satisfiable mais au calcul, pour une formule logique F, de max(F). On va définir une heuristique, c'est-à-dire une méthode qui ne donne pas nécessairement la valeur de max(F) mais une valeur approchée, qu'on souhaite proche de l'optimum : on calcule une valuation en choisissant une à une les variables et leurs valeurs. Plus précisément, soit F une formule logique ; étant donnée une variable de F, on note diff(F, ) le nombre de fois où figure dans F diminué du nombre de fois où figure dans F ; l'heuristique utilise la transformation suivante : Page 7 sur 11 Épreuve d'informatique 2010 a) On calcule pour chaque variable de F le nombre diff(F, ). b) Si p est un entier relatif, on note abs(p) la valeur absolue de p. On détermine une variable 0 de F telle que, pour toute variable de F, on ait : abs(diff(F, 0)) abs(diff(F, )). c) On pose 0 = 1 si on a diff(F, 0) > 0 et 0 = 0 sinon. d) On supprime la variable 0 de F en tenant compte de la valeur choisie de façon à ne conserver que les clauses qui restent à satisfaire après le choix de la valeur de 0 ; on comptabilise le nombre de clauses satisfaites. On obtient ainsi une formule logique notée F qui est la formule transformée à partir de F. Pour exécuter l'heuristique, on transforme la formule F comme décrit ci-dessus, puis on transforme de même la formule F, puis on transforme la formule transformée à partir de F et ainsi de suite jusqu'à obtenir une formule vide. On somme au fur et à mesure les nombres de clauses satisfaites comptabilisés pendant chaque transformation ; le résultat de l'heuristique est constitué de cette somme et d'une valuation correspondant aux choix effectués pendant les transformations successives pour les valeurs des variables. 13 ­ Appliquer l'heuristique à la formule F1 définie avant la question 3 ; détailler les différentes étapes. De façon à écrire l'heuristique en langage de programmation, on définit cinq fonctions ou procédures dans les cinq questions suivantes. 14 ­ La fonction place. Caml : Écrire en Caml une fonction place telle que, si C est un vecteur codant une clause C et si litt est un littéral, place C litt renvoie · 0 si litt ne figure pas dans C, · la position de litt dans C si litt figure dans C (valeur comprise entre 1 et le nombre de littéraux de C). Évaluer la complexité de la fonction place. Pascal : Écrire en Pascal une fonction place telle que, si C, de type Clause, code une clause C et si litt est un littéral, place(C, litt) renvoie · 0 si litt ne figure pas dans C, · la position de litt dans C si litt figure dans C (valeur comprise entre 1 et le nombre de littéraux de C). Évaluer la complexité de la fonction place. 15 ­ La fonction ou procédure supprimer_variable. Caml : Écrire en Caml une fonction supprimer_variable telle que, si C est un vecteur codant une clause C et si i est un entier compris entre 1 et le nombre de littéraux de C, alors supprimer_variable C i modifie C pour que C code la clause obtenue en supprimant de la clause C le littéral d'indice i. La complexité de cette fonction doit être de l'ordre d'une constante, et donc ne pas dépendre du nombre de littéraux de la clause C ni de la valeur de i. Pascal : Écrire en Pascal une procédure supprimer_variable telle que, si C, de type Clause, code une clause C et si i est un entier compris entre 1 et le nombre de littéraux de C, alors supprimer_variable(C, i) modifie C pour que C code la Page 8 sur 11 Épreuve d'informatique 2010 clause obtenue en supprimant de la clause C le littéral d'indice i. La complexité de cette fonction doit être de l'ordre d'une constante, et donc ne pas dépendre du nombre de littéraux de la clause C ni de la valeur de i. 16 ­ La fonction ou procédure supprimer_clause. Caml : Écrire en Caml une fonction supprimer_clause telle que, si F est un vecteur de vecteurs d'entiers codant une formule logique F et si i est un entier compris entre 1 et le nombre de clauses de F, alors supprimer_clause F i modifie F pour que F code la formule logique obtenue en supprimant la clause d'indice i. La complexité de cette fonction doit être de l'ordre d'une constante, et donc ne pas dépendre du nombre de clauses de la formule logique ni de la valeur de i. Pascal : Écrire en Pascal une procédure supprimer_clause telle que, si F, de type Formule, code une formule logique F et si i est un entier compris entre 1 et le nombre de clauses de F, alors supprimer_clause(F, i) modifie F pour que F code la formule logique obtenue en supprimant la clause d'indice i. La complexité de cette fonction doit être de l'ordre d'une constante, et donc ne pas dépendre du nombre de clauses de la formule logique ni de la valeur de i. 17 ­ La fonction calculer_diff. Caml : Écrire en Caml une fonction calculer_diff telle que, si F est un vecteur de vecteurs d'entiers codant une formule logique F, alors calculer_diff F renvoie un vecteur d'entiers donnant pour chaque variable de F la valeur de diff(F, ) décrite au-dessus de la question 13. En supposant que toutes les variables (dont le nombre figure dans la case d'indice 1 de la ligne d'indice 0 de F) figurent effectivement dans F directement ou par son complémenté, cette fonction doit avoir une complexité de l'ordre de la somme des longueurs des clauses de F. Pascal : Écrire en Pascal une fonction calculer_diff telle que, si F, de type Formule, code une formule logique F, alors calculer_diff(F) renvoie un tableau de type Valuation donnant pour chaque variable de F la valeur de diff(F, ) décrite au-dessus de la question 13. En supposant que toutes les variables (dont le nombre figure dans la case d'indice 1 de la ligne d'indice 0 de F) figurent effectivement dans F directement ou par son complémenté, cette fonction doit avoir une complexité de l'ordre de la somme des longueurs des clauses de F. 18 ­ La fonction simplifier. On s'intéresse dans cette question à une transformation automatique d'une formule logique F lorsqu'on pose qu'une variable prend la valeur v. Cette transformation est effectuée à l'aide d'une fonction nommée simplifier prenant F, et v comme arguments. Si v vaut 1, on note litt le littéral et sinon on note litt le littéral . Quand prend la valeur v, litt prend la valeur 1 et le complémenté de litt prend la valeur 0. Les clauses contenant litt, prenant la valeur 1, sont supprimées de F. Pour chaque clause contenant le complémenté de litt, on retire ce complémenté ; si une clause était réduite au complémenté de litt, on supprime une telle clause. Les clauses qui ne contiennent ni litt ni le complémenté de litt sont inchangées. La fonction simplifier compte le nombre de clauses qui contenaient litt avant simplification et renvoie ce nombre. Page 9 sur 11 Épreuve d'informatique 2010 Caml : Écrire en Caml la fonction simplifier telle que, si F est un vecteur de vecteurs d'entiers codant une formule logique F, si alpha est un entier représentant une variable de F et si v vaut 0 ou 1, alors simplifier F alpha v transforme F pour que F code la formule logique obtenue à partir de F par la fonction simplifier et renvoie le nombre de clauses de la formule logique F initiale qui contenaient litt défini ci-dessus. Évaluer la complexité de la fonction simplifier. Pascal : Écrire en Pascal la fonction simplifier telle que, si F, de type Formule, code une formule logique F, si alpha est un entier représentant une variable de F et si v vaut 0 ou 1, alors simplifier(F, alpha, v) transforme F pour que F code la formule logique obtenue à partir de F par la fonction simplifier et renvoie le nombre de clauses de la formule logique F initiale qui contenaient litt défini ci-dessus. Évaluer la complexité de la fonction simplifier. 19 ­ La fonction heuristique. Caml : Écrire en Caml une fonction heuristique telle que, si F est un vecteur de vecteurs d'entiers codant une formule logique F, alors heuristique F renvoie un vecteur d'entiers codant la valuation des variables résultant de l'heuristique décrite au début de cette partie ; la case d'indice 0 de ce même vecteur devra contenir le nombre de clauses satisfaites par la valuation déterminée par l'heuristique. Évaluer la complexité de la fonction heuristique. Pascal : Écrire en Pascal une fonction heuristique telle que, si F, de type Formule, code une formule logique F, alors heuristique(F) renvoie un tableau de type Valuation codant la valuation des variables résultant de l'heuristique décrite au début de cette partie ; la case d'indice 0 de ce même tableau devra contenir le nombre de clauses satisfaites par la valuation déterminée par l'heuristique. Évaluer la complexité de la fonction heuristique. Quatrième partie : étude d'un cas particulier On revient au problème de la satisfiabilité. On s'intéresse dans cette partie à une formule logique dans laquelle chaque littéral apparaît au plus une fois et dans laquelle toutes les clauses sont de longueur au moins 2. On appelle dans ce problème formule logique 1-occ une telle formule logique. Par exemple, la formule logique F4 ci-dessous, ayant six variables x, y, z, t, u, v, est une formule logique 1-occ : F4 = (x y z) ( x z t) ( y v ) (u v) ( t u ) On cherche à déterminer une solution d'une formule logique 1-occ. Page 10 sur 11 Épreuve d'informatique 2010 20 ­ On considère une formule logique 1-occ qui s'écrit : F = (x l1 l2 ... lk) ( x lk + 1 lk + 2 ... lk + h) G avec k 1, h 1, où x est une variable, où l1, ... , lk + h sont des littéraux et où G est une formule logique 1-occ éventuellement vide. a) Montrer que si {l1, l2, ..., lk, lk + 1, lk + 2, ..., lk + h} contient à la fois une variable et son complémenté, alors F est satisfiable si et seulement si G est satisfiable ; on dira dans ce cas que F réduite par rapport à x donne la formule logique G. b) On suppose que {l1, l2, ..., lk, lk + 1, lk + 2, ..., lk + h} ne contient jamais à la fois une variable et son complémenté. Indiquer une formule logique 1-occ F ne contenant ni x ni x telle que F est satisfiable si et seulement si F est satisfiable. On dira dans ce cas que F réduite par rapport à x donne la formule logique F. Remarque : on rappelle que, par définition dans ce problème, une clause ne contient pas à la fois une variable et son complémenté et qu'une formule logique vide est considérée comme toujours satisfaite. 21 ­ Exemples de réduction a) On considère la formule logique (x y z) ( x z t) ( y t ) ; indiquer la formule logique obtenue en réduisant celle-ci par rapport à x. b) On considère la formule logique ( x z t) ( t u ) (z u) ; indiquer la formule logique obtenue en réduisant celle-ci par rapport à t. 22 ­ Montrer que toute formule logique 1-occ est satisfiable. 23 ­ Décrire sans utiliser le langage de programmation une fonction (ou une procédure) récursive calculer_solution · qui prend en paramètre une formule logique 1-occ F et un tableau val permettant de coder une valuation des variables ; · qui transforme le tableau val pour que, après exécution de la fonction (ou de la procédure), val contienne une solution de F. 24 ­ Appliquer la fonction (ou la procédure) calculer_solution décrite dans la question précédente à la formule F4. Détailler chaque appel récursif. Page 11 sur 11

Extrait du corrigé obtenu par reconnaissance optique des caractères


 Mines Informatique MP 2010 -- Corrigé Ce corrigé est proposé par Benjamin Monmege (ENS Cachan), il a été relu par Vincent Danjean (Enseignant-chercheur en école d'ingénieur) et Guillaume Batog (ENS Cachan). Ce sujet d'informatique consiste en un unique problème abordant des questions de logique propositionnelle. Il se déroule en quatre parties. · La première partie, très générale, débute par l'étude classique d'un exemple de modélisation d'une situation de la vie courante via une formule de logique propositionnelle, qui est ensuite résolue. Le sujet introduit alors le problème 3-SAT et familiarise le candidat avec cette nouvelle notion. · La deuxième partie propose d'implémenter une méthode exacte de résolution du problème de satisfiabilité d'une formule logique. · La troisième partie aborde le problème MAX-SAT et propose de programmer une heuristique permettant de calculer une solution approchée. · Finalement, la quatrième partie propose l'étude d'un cas particulier dans lequel il existe un algorithme beaucoup plus simple pour résoudre la satisfiabilité. Une bonne connaissance du programme de logique propositionnelle est nécessaire pour aborder ce sujet convenablement. En outre, les fonctions et procédures attendues demandent de bien savoir manipuler les structures impératives (tableaux, boucles). Tout au long du sujet, de nombreuses questions abordent la complexité algorithmique des programmes écrits : il faut donc également savoir compter les boucles et évaluer la quantité d'opérations élémentaires dans une boucle. Les conseils du jury Malgré un bon niveau dans l'ensemble, le rapport du jury mentionne deux erreurs récurrentes au niveau des questions de programmation. Tout d'abord, « beaucoup de candidats omettent l'indentation de leurs programmes ; cela a pour conséquence de rendre la lecture de ces programmes difficile ». Ensuite, le jury constate « une utilisation abusive des exceptions et de la construction try ». Dans les sujets de concours, il est souvent inutile, et toujours à éviter, de faire usage d'exceptions : préférez-y les constructions récursives ou les boucles for et while. Indications Partie I 1 Il peut être plus facile d'exprimer dans un premier temps les propositions c) et d) à l'aide de l'opérateur d'implication =, puis de trouver une formule équivalente sous forme normale conjonctive. 2, 3 Utiliser une table de vérité pour trouver l'ensemble des solutions. 4 Remarquer qu'il y a exactement 8 valuations sur un ensemble à 3 variables : pour chaque valuation, construire une clause qui s'évalue à 0 sur celle-ci. 5 Décrire, puis compter l'ensemble des valuations qui assignent la valeur 0 à la clause C. P P 6 Inverser l'ordre de sommation et majorer (C, val). C clause de F valV 7 Remarquer que si F est une formule non satisfiable, alors max(F) 6 m - 1 et utiliser le résultat de la question 6. Partie II 8 Il peut être utile d'écrire une fonction auxiliaire qui prend en entrée une clause C, une valuation val et l'indice i de l'un des littéraux de C, et renvoie un booléen exprimant si la valeur donnée par val de ce littéral est 0 ou 1. 9 Calculer la complexité de satisfait_formule en fonction de la somme des longueurs des clauses de la formule. 12 On pourra définir une suite (uk (F, val))06k6n qui compte le nombre d'opérations élémentaires exécutées lors de l'appel à resoudre_rec F val (n-k). Partie III 15 L'ordre des littéraux dans chaque clause n'a aucune importance. 16 L'ordre des clauses dans une formule n'a, ici encore, aucune importance. 17 Initialiser un tableau pour contenir les valeurs diff (F, ), puis le mettre à jour lors du parcours de toutes les clauses de F. On utilisera un entier, qu'on pourra noter MIN_INT, inférieur à toute valeur réelle apparaissant dans diff (F, ), pour signifier qu'un littéral n'apparaît pas dans la formule F. 18 La fonction simplifier doit parcourir l'ensemble des littéraux d'une formule, c'est-à-dire les cases significatives du tableau à double entrée qui représente cette formule. Réfléchir à l'utilisation d'une boucle for ou while étant donnée l'utilisation des fonctions supprimer_clause et supprimer_litteral. Partie IV 20.a Raisonner par double implication. 20.b Considérer F = (1 2 . . . k k+1 k+2 . . . k+h ) G. 22 Démontrer le résultat par récurrence sur le nombre de variables qui apparaissent en même temps que leur complémenté dans la formule F. 23 Appliquer le principe de récurrence mis en oeuvre pour répondre à la question 22 afin d'en déduire une fonction récursive, puis utiliser les réductions définies dans les questions 20.a et 20.b. Pour définir la logique propositionnelle, on introduit traditionnellement deux notions : la syntaxe et la sémantique. La première décrit l'ensemble des règles d'écriture pour construire une formule. La seconde donne une signification à une formule, c'est-à-dire renvoie une valeur booléenne étant donnée une valuation des variables de la formule. Il est à noter que le sujet est légèrement flou sur cette distinction entre syntaxe et sémantique. Un théorème fondamental en logique propositionnelle est l'existence de formes normales. Par exemple, on peut définir un fragment F constitué de l'ensemble des formules sous la forme C1 · · · Cm où, pour j [[ 1 ; m ]], la formule Cj s'écrit (x1 · · · xp ¬xp+1 · · · ¬xq ), avec x1 , . . . , xq des variables. On démontre alors que pour toute formule F de la logique propositionnelle, il existe une formule G F équivalente à F, c'est-à-dire prenant la même valeur pour toutes les valuations possibles. On dit que G est mise en forme normale conjonctive. Le sujet considère uniquement les formules du fragment F . I. Introduction 1 La proposition a), exprimant qu'au moins une des personnes X, Y et Z porte un chapeau, s'énonce grâce la formule Fa = x y z : il s'agit d'une unique clause (disjonction de littéraux). De même, la proposition b) s'exprime par Fb = x y z. Les propositions c) et d) s'expriment comme des implications = : comme les formules doivent être exprimées en forme normale conjonctive, on remarque que l'implication précédente est équivalente à . Ainsi, la proposition c), qu'on peut exprimer avec une implication logique sous la forme x = (y z), ou de manière équivalente x (y z), est décrite par la formule Fc = (x y) (x z) par distributivité de la disjonction sur la conjonction. De la même manière, la proposition d) peut être décrite par la formule Fd = y x z. Fa = x y z Fb = x y z Fc = (x y) (x z) Fd = x y z 2 On traduit par une conjonction logique le fait que les quatre propositions précédentes doivent être satisfaites simultanément, c'est-à-dire par la formule suivante : F = (x y z) (x y z) (x y) (x z) (x y z) Pour décider si cette formule est satisfiable ou pas, on construit sa table de vérité : x 0 0 0 0 1 1 1 1 y 0 0 1 1 0 0 1 1 z 0 1 0 1 0 1 0 1 xyz 0 1 1 1 1 1 1 1 xyz 1 1 1 1 1 1 1 0 xy 1 1 1 1 1 1 0 0 xz 1 1 1 1 1 0 1 0 xyz 1 1 0 1 1 1 1 1 F 0 1 0 1 1 0 0 0 La formule F est satisfiable et l'ensemble de ses solutions est (x = 0, y = 0, z = 1), (x = 0, y = 1, z = 1) et (x = 1, y = 0, z = 0). On aurait pu commencer par réécrire la formule F en une formule plus simple et équivalente. En factorisant d'une part la formule x z, on obtient que la formule (x y z) (x y z) est équivalente à (x z) (y y), puis à xz puisque y y est une formule valant 0 sur tout valuation. D'autre part, on remarque que les deux formules (xy z)(xy)(xz) et (xy)(xz) sont équivalentes en raisonnant sur les valuations de (x y) (x z). Ainsi, la formule F est équivalente à F = (x z) (x y) (x z), pour laquelle on peut construire une table de vérité plus simple que la précédente. 3 Construisons à nouveau la table de vérité de la formule F1 . Pour simplifier, on numérote les clauses de la formule F1 de gauche à droite du numéro 1 au numéro 7. x y z t C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 F1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 F1 est satisfiable et possède pour une unique solution (x = 0, y = 0, z = 1, t = 0). 4 On définit la formule F2 par F2 = (x y z) (x y z) (x y z) (x y z) (x y z) (x y z) (x y z) (x y z) Par définition, F2 est une instance de 3-SAT possédant exactement 8 clauses. Elle est non satisfiable puisque pour les 8 valuations possibles sur les variables {x, y, z}, au moins une des 8 formules est invalidée : en effet, si v est une valuation, la clause Cv = x y z telle que x vaut x si v(x) = 0 et x sinon (de même pour y et z), s'évalue en 0 sur v, et fait partie des clauses de F2 . Puisque la formule F2 est non satisfiable, on sait que max(F2 ) est strictement inférieur à 8. Par ailleurs, la valuation v donnée par (x = 0, y = 0, z = 0) satisfait l'ensemble des clauses de F2 privé de la clause x y z. Ainsi, max(F2 ) = 7 5 La clause C possède trois littéraux x , y et z , respectivement sur les trois variables (distinctes) x, y et z. Observons que n > 3, sinon la seule instance F de 3-SAT est la formule vide. Soit VC l'ensemble des valuations val V falsifiant