Models of bounded arithmetic

Abstract

We study mutual relations of various versions of the pigeonhole principle over bounded arithmetic theory T1 2 (R). The main two variants are the ordinary ontoPHPn+1 n (R), formalizing that R is not the graph of a bijective function from [n + 1] into [n], and its weak version, WPHP2m m (S), formalizing that S is not the graph of an injective function from [2m] into [m]. It is known that: T2 2 (R) proves WPHP2m m (R) (with m universally quantified) and, in fact, also WPHP2m m (S) for all relations S that are □p 1(R) (= polynomial-time definable from R) (J. Paris, A. J. Wilkie and A. R. Woods (1988)), neither I∃1(R) nor T1 2 (R) prove WPHP2m m (R), (J. Paris and A. J. Wilkie (1985) and J. Krajicek (1992)), full T2(R) does not prove ontoPHPn+1 n (R), (M. Ajtai (1988), J. Krajicek, P. Pudlak and A. R. Woods (1991), T. Pitassi, P. Beame and R. Impagliazzo (1993)). We generalize the method of J. Paris and A. J. Wilkie (1985) to show that theory T1 2 (R) plus ∀m WPHP2m m (□p 1(R)) does not prove ontoPHPn+1 n (R). This does follow from results mentioned above but such a combined proof involves complex probabilistic combinatorics which is difficult to modify for other principles. On the other hand our method is more elementary and thus better amenable to other principles. We demonstrate this by proving a...

Práce zkoumá vzájemné vztahy různých verzí zásuvkového principu (tež princip hol- ubníku) nad teorií omezené aritmetiky T1 2 (R). Základní dvě varianty jsou obyčejný PHPn+1 n (R), formalizující že R není grafem injektivní funkce z [n + 1] do [n], a jeho slabší verze, WPHP2m m (S), formalizující že S není grafem injektivní funkce z [2m] do [m]. Je známo, že teorie T1 2 (R) nedokazuje PHPn+1 n (R). Práce zobecňuje známe metody a ukazuje, že teorie T1 2 (R) plus ∀mWPHP2m m (□p 1(R)) nedokazuje PHPn+1 n (R) (kde □p 1(R) označuje relace polynomiálně definovatelné z R). Plyne to z jíž známých faktů, náš důkaz je ale elementárnější a umožňuje nám dokázat částečný výsledek směrem k otevřenému problému, který zmínil M. Ajtai (1990). 1