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1 \ifx\endpart\undefined
2 \input macros.tex
3 \fi
4
5 \chapter{Advanced MST Algorithms}
6
7 \section{Minor-closed graph classes}\id{minorclosed}%
8
9 The contractive algorithm given in section~\ref{contalg} has been found to perform
10 well on planar graphs, but in the general case its time complexity was not linear.
11 Can we find any broader class of graphs where the algorithm is still efficient?
12 The right context turns out to be the minor-closed graph classes, which are
13 closed under contractions and have bounded density.
14
15 \defn\id{minordef}%
16 A~graph~$H$ is a \df{minor} of a~graph~$G$ (written as $H\minorof G$) iff it can be obtained
17 from a~subgraph of~$G$ by a sequence of simple graph contractions (see \ref{simpcont}).
18
19 \defn
20 A~class~$\cal C$ of graphs is \df{minor-closed}, when for every $G\in\cal C$ and
21 its every minor~$H$, the graph~$H$ lies in~$\cal C$ as well. A~class~$\cal C$ is called
22 \df{non-trivial} if at least one graph lies in~$\cal C$ and at least one lies outside~$\cal C$.
23
24 \example
25 Non-trivial minor-closed classes include:
26 \itemize\ibull
27 \:planar graphs,
28 \:graphs embeddable in any fixed surface (i.e., graphs of bounded genus),
29 \:graphs embeddable in~${\bb R}^3$ without knots or without interlocking cycles,
30 \:graphs of bounded tree-width or path-width.
31 \endlist
32
33 \para
34 Many of the nice structural properties of planar graphs extend to
35 minor-closed classes, too (see \cite{diestel:gt} for a~nice overview
36 of this theory). The most important property is probably the characterization
37 of such classes by forbidden minors.
38
39 \defn
40 For a~class~$\cal H$ of graphs we define $\Forb({\cal H})$ as the class
41 of graphs which do not contain any of the graphs in~$\cal H$ as a~minor.
42 We will call $\cal H$ the set of \df{forbidden (or excluded) minors} for this class.
43
44 \obs
45 For every~${\cal H}\ne\emptyset$, the class $\Forb({\cal H})$ is non-trivial
46 and closed on minors. This works in the opposite direction as well: for every
47 minor-closed class~$\cal C$ there is a~class $\cal H$ such that ${\cal C}=\Forb({\cal H})$.
48 One such~$\cal H$ is the complement of~$\cal C$, but smaller sets can be found, too.
49 For example, the planar graphs exclude exactly $K_5$ and~$K_{3,3}$ --- this follows
50 from the Kuratowski's theorem (the theorem uses forbidden subdivisions, but while
51 in general this is not the same as forbidden minors, it is for $K_5$ and $K_{3,3}$).
52 The celebrated theorem by Robertson and Seymour guarantees that we can always find
53 a~finite set of forbidden minors.
54
55 \thmn{Excluded minors, Robertson \& Seymour \cite{rs:wagner}}
56 For every non-trivial minor-closed graph class~$\cal C$ there exists
57 a~finite set~$\cal H$ of graphs such that ${\cal C}=\Forb({\cal H})$.
58
59 \proof
60 This theorem has been proven in the series of papers on graph minors
61 culminating with~\cite{rs:wagner}. See this paper and follow the references
62 to the previous articles in the series.
63 \qed
64
65 \para
66 We will make use of another important property --- the bounded density of minor-closed
67 classes. The connection between minors and density dates back to Mader in the 1960's
68 and it can be proven without use of the Robertson-Seymour theorem.
69
70 \defn\id{density}%
71 Let $\cal C$ be a class of graphs. We define its \df{edge density} $\varrho(\cal C)$
72 to be the infimum of all~$\varrho$'s such that $m(G) \le \varrho\cdot n(G)$
73 holds for every $G\in\cal C$.
74
75 \thmn{Mader \cite{mader:dens}}
76 For every $k\in{\bb N}$ there exists $h(k)\in{\bb R}$ such that every graph
77 with average degree at least~$h(k)$ contains a~subdivision of~$K_{k}$ as a~subgraph.
78
79 \proofsketch
80 (See Lemma 3.5.1 in \cite{diestel:gt} for a~complete proof in English.)
81
82 Let us fix~$k$ and prove by induction on~$m$ that every graph with average
83 degree $a\ge 2^m$ contains a~subdivision of some graph with $k$~vertices
84 and ${k\choose 2}\ge m\ge k$~edges. For $m={k\choose 2}$ the theorem follows
85 as the only graph with~$k$ vertices and~$k\choose 2$ edges is~$K_k$.
86
87 The base case $m=k$: Let us observe that when the average degree
88 is~$a$, removing any vertex of degree less than~$a/2$ does not decrease the
89 average degree. A~graph with $a\ge 2^k$ therefore has a~subgraph
90 with minimum degree $\delta\ge a/2=2^{k-1}$. Such subgraph contains
91 a~cycle on more than~$\delta$ vertices, in other words a~subdivision of
92 the cycle~$C_k$.
93
94 Induction step: Let~$G$ be a~graph with average degree at least~$2^m$ and
95 assume that the theorem already holds for $m-1$. Without loss of generality,
96 $G$~is connected. Consider a~maximal set $U\subseteq V$ such that $G[U]$ is connected
97 and the graph $G.U$ ($G$~with $U$~contracted to a~single vertex) has average
98 degree at least~$2^m$ (such~$U$ exists, because $G=G.U$ whenever $\vert U\vert=1$).
99 Now consider the subgraph~$H$ induced in~$G$ by the
100 neighbors of~$U$. Every $v\in V(H)$ must have degree at least~$2^{m-1}$
101 (otherwise we can add this vertex to~$U$, contradicting its maximality), so by
102 the induction hypothesis $H$ contains a~subdivision of some graph~$R$ with
103 $r$~vertices and $m-1$ edges. Any two non-adjacent vertices of~$R$ can be
104 connected in the subdivision by a~path lying entirely in~$G[U]$, which reveals
105 a~subdivision of a~graph on $m$~vertices. \qed
106
107 \thmn{Density of minor-closed classes, Mader~\cite{mader:dens}}
108 Every non-trivial minor-closed class of graphs has finite edge density.
109
110 \proof
111 Let~$\cal C$ be any such class, $X$~its smallest excluded minor and $x=n(X)$.
112 As $H\minorof K_x$, the class $\cal C$ entirely lies in ${\cal C}'=\Forb(\{K_x\})$, so
113 $\varrho({\cal C}) \le \varrho({\cal C}')$ and therefore it suffices to prove the
114 theorem for classes excluding a~single complete graph~$K_x$.
115
116 We will show that $\varrho({\cal C})\le 2h(x)$, where $h$~is the function
117 from the previous theorem. If any $G\in{\cal C}$ had more than $2h(x)\cdot n(G)$
118 edges, its average degree would be at least~$h(x)$, so by the previous theorem
119 $G$~would contain a~subdivision of~$K_x$ and therefore $K_x$ as a~minor.
120 \qed
121
122 \rem
123 See also Theorem 6.1 in \cite{nesetril:minors}, which also lists some other equivalent conditions.
124
125 \thmn{MST on minor-closed classes \cite{mm:mst}}\id{mstmcc}%
126 For any fixed non-trivial minor-closed class~$\cal C$ of graphs, Algorithm \ref{contbor} finds
127 the MST of any graph in this class in time $\O(n)$. (The constant hidden in the~$\O$
128 depends on the class.)
129
130 \proof
131 Following the proof for planar graphs (\ref{planarbor}), we denote the graph considered
132 by the algorithm at the beginning of the $i$-th iteration by~$G_i$ and its number of vertices
133 and edges by $n_i$ and $m_i$ respectively. Again the $i$-th phase runs in time $\O(m_i)$
134 and $n_i \le n/2^i$, so it remains to show a linear bound for the $m_i$'s.
135
136 Since each $G_i$ is produced from~$G_{i-1}$ by a sequence of edge contractions,
137 all $G_i$'s are minors of~$G$.\foot{Technically, these are multigraph contractions,
138 but followed by flattening, so they are equivalent to contractions on simple graphs.}
139 So they also belong to~$\cal C$ and by the previous theorem $m_i\le \varrho({\cal C})\cdot n_i$.
140 \qed
141
142 \rem\id{nobatch}%
143 The contractive algorithm uses ``batch processing'' to perform many contractions
144 in a single step. It is also possible to perform contractions one edge at a~time,
145 batching only the flattenings. A~contraction of an edge~$uv$ can be done
146 in time~$\O(\deg(u))$ by removing all edges incident with~$u$ and inserting them back
147 with $u$ replaced by~$v$. Therefore we need to find a lot of vertices with small
148 degrees. The following lemma shows that this is always the case in minor-closed
149 classes.
150
151 \lemman{Low-degree vertices}\id{lowdeg}%
152 Let $\cal C$ be a graph class with density~$\varrho$ and $G\in\cal C$ a~graph
153 with $n$~vertices. Then at least $n/2$ vertices of~$G$ have degree at most~$4\varrho$.
154
155 \proof
156 Assume the contrary: Let there be at least $n/2$ vertices with degree
157 greater than~$4\varrho$.  Then $\sum_v \deg(v) > n/2
158 \cdot 4\varrho = 2\varrho n$, which is in contradiction with the number
159 of edges being at most $\varrho n$.
160 \qed
161
162 \rem
163 The proof can be also viewed
164 probabilistically: let $X$ be the degree of a vertex of~$G$ chosen uniformly at
165 random. Then ${\bb E}X \le 2\varrho$, hence by the Markov's inequality
166 ${\rm Pr}[X > 4\varrho] < 1/2$, so for at least $n/2$ vertices~$v$ we have
167 $\deg(v)\le 4\varrho$.
168
169 \algn{Local Bor\o{u}vka's Algorithm \cite{mm:mst}}%
170 \algo
171 \algin A~graph~$G$ with an edge comparison oracle and a~parameter~$t\in{\bb N}$.
172 \:$T\=\emptyset$.
173 \:$\ell(e)\=e$ for all edges~$e$.
174 \:While $n(G)>1$:
175 \::While there exists a~vertex~$v$ such that $\deg(v)\le t$:
176 \:::Select the lightest edge~$e$ incident with~$v$.
177 \:::Contract~$G$ along~$e$.
178 \:::$T\=T + \ell(e)$.
179 \::Flatten $G$, removing parallel edges and loops.
180 \algout Minimum spanning tree~$T$.
181 \endalgo
182
183 \thm
184 When $\cal C$ is a minor-closed class of graphs with density~$\varrho$, the
185 Local Bor\o{u}vka's Algorithm with the parameter~$t$ set to~$4\varrho$ 
186 finds the MST of any graph from this class in time $\O(n)$. (The constant
187 in the~$\O$ depends on~the class.)
188
189 \proof
190 Let us denote by $G_i$, $n_i$ and $m_i$ the graph considered by the
191 algorithm at the beginning of the $i$-th iteration of the outer loop,
192 and the number of its vertices and edges respectively. As in the proof
193 of the previous algorithm (\ref{mstmcc}), we observe that all the $G_i$'s
194 are minors of the graph~$G$ given as the input.
195
196 For the choice $t=4\varrho$, the Lemma on low-degree vertices (\ref{lowdeg})
197 guarantees that at the beginning of the $i$-th iteration, at least $n_i/2$ vertices
198 have degree at most~$t$. Each selected edge removes one such vertex and
199 possibly increases the degree of another, so at least $n_i/4$ edges get selected.
200 Hence $n_i\le 3/4\cdot n_{i-1}$ and therefore $n_i\le n\cdot (3/4)^i$ and the
201 algorithm terminates after $\O(\log n)$ iterations.
202
203 Each selected edge belongs to $\mst(G)$, because it is the lightest edge of
204 the trivial cut $\delta(v)$ (see the Blue Rule in \ref{rbma}).
205 The steps 6 and~7 therefore correspond to the operation
206 described by the Lemma on contraction of MST edges (\ref{contlemma}) and when
207 the algorithm stops, $T$~is indeed the minimum spanning tree.
208
209 It remains to analyse the time complexity of the algorithm. Since $G_i\in{\cal C}$, we have
210 $m_i\le \varrho n_i \le \varrho n/2^i$.
211 We will show that the $i$-th iteration is carried out in time $\O(m_i)$.
212 Steps 5 and~6 run in time $\O(\deg(v))=\O(t)$ for each~$v$, so summed
213 over all $v$'s they take $\O(tn_i)$, which is linear for a fixed class~$\cal C$.
214 Flattening takes $\O(m_i)$, as already noted in the analysis of the Contracting
215 Bor\o{u}vka's Algorithm (see \ref{contiter}).
216
217 The whole algorithm therefore runs in time $\O(\sum_i m_i) = \O(\sum_i n/2^i) = \O(n)$.
218 \qed
219
220 \rem
221 For planar graphs, we can get a sharper version of the low-degree lemma,
222 showing that the algorithm works with $t=8$ as well (we had $t=12$ as
223 $\varrho=3$). While this does not change the asymptotic time complexity
224 of the algorithm, the constant-factor speedup can still delight the hearts of
225 its practical users.
226
227 \lemman{Low-degree vertices in planar graphs}%
228 Let $G$ be a planar graph with $n$~vertices. Then at least $n/2$ vertices of~$v$
229 have degree at most~8.
230
231 \proof
232 It suffices to show that the lemma holds for triangulations (if there
233 are any edges missing, the situation can only get better) with at
234 least 3 vertices. Since $G$ is planar, $\sum_v \deg(v) < 6n$.
235 The numbers $d(v):=\deg(v)-3$ are non-negative and $\sum_v d(v) < 3n$,
236 so by the same argument as in the proof of the general lemma, for at least $n/2$
237 vertices~$v$ it holds that $d(v) < 6$, hence $\deg(v) \le 8$.
238 \qed
239
240 \rem\id{hexa}%
241 The constant~8 in the previous lemma is the best we can have.
242 Consider a $k\times k$ triangular grid. It has $n=k^2$ vertices, $\O(k)$ of them
243 lie on the outer face and have degrees at most~6, the remaining $n-\O(k)$ interior
244 vertices have degree exactly~6. Therefore the number of faces~$f$ is $6/3\cdot n=2n$,
245 ignoring terms of order $\O(k)$. All interior triangles can be properly colored with
246 two colors, black and white. Now add a~new vertex inside each white face and connect
247 it to all three vertices on the boundary of that face. This adds $f/2 \approx n$
248 vertices of degree~3 and it increases the degrees of the original $\approx n$ interior
249 vertices to~9, therefore about a half of the vertices of the new planar graph
250 has degree~9.
251
252 \figure{hexangle.eps}{\epsfxsize}{The construction from Remark~\ref{hexa}}
253
254 \rem
255 The observation in~Theorem~\ref{mstmcc} was also made by Gustedt in~\cite{gustedt:parallel},
256 who studied a~parallel version of the contractive Bor\o{u}vka's algorithm applied
257 to minor-closed classes.
258
259 %--------------------------------------------------------------------------------
260
261 \section{Using Fibonacci heaps}
262 \id{fibonacci}
263
264 We have seen that the Jarn\'\i{}k's Algorithm \ref{jarnik} runs in $\Theta(m\log n)$ time.
265 Fredman and Tarjan have shown a~faster implementation in~\cite{ft:fibonacci}
266 using their Fibonacci heaps. In this section, we convey their results and we
267 show several interesting consequences.
268
269 The previous implementation of the algorithm used a binary heap to store all edges
270 separating the current tree~$T$ from the rest of the graph, i.e., edges of the cut~$\delta(T)$.
271 Instead of that, we will remember the vertices adjacent to~$T$ and for each such vertex~$v$ we
272 will maintain the lightest edge~$uv$ such that $u$~lies in~$T$. We will call these edges \df{active edges}
273 and keep them in a~Fibonacci heap, ordered by weight.
274
275 When we want to extend~$T$ by the lightest edge of~$\delta(T)$, it is sufficient to
276 find the lightest active edge~$uv$ and add this edge to~$T$ together with the new vertex~$v$.
277 Then we have to update the active edges as follows. The edge~$uv$ has just ceased to
278 be active. We scan all neighbors~$w$ of the vertex~$v$. When $w$~is in~$T$, no action
279 is needed. If $w$~is outside~$T$ and it was not adjacent to~$T$ (there is no active edge
280 remembered for it so far), we set the edge~$vw$ as active. Otherwise we check the existing
281 active edge for~$w$ and replace it by~$vw$ if the new edge is lighter.
282
283 The following algorithm shows how these operations translate to insertions, decreases
284 and deletions on the heap.
285
286 \algn{Active Edge Jarn\'\i{}k; Fredman and Tarjan \cite{ft:fibonacci}}\id{jarniktwo}%
287 \algo
288 \algin A~graph~$G$ with an edge comparison oracle.
289 \:$v_0\=$ an~arbitrary vertex of~$G$.
290 \:$T\=$ a tree containing just the vertex~$v_0$.
291 \:$H\=$ a~Fibonacci heap of active edges stored as pairs $(u,v)$ where $u\in T,v\not\in T$, ordered by the weights $w(uv)$, initially empty.
292 \:$A\=$ a~mapping of vertices outside~$T$ to their active edges in the heap; initially all elements undefined.
293 \:\<Insert> all edges incident with~$v_0$ to~$H$ and update~$A$ accordingly.
294 \:While $H$ is not empty:
295 \::$(u,v)\=\<DeleteMin>(H)$.
296 \::$T\=T+uv$.
297 \::For all edges $vw$ such that $w\not\in T$:
298 \:::If there exists an~active edge~$A(w)$:
299 \::::If $vw$ is lighter than~$A(w)$, \<Decrease> $A(w)$ to~$(v,w)$ in~$H$.
300 \:::If there is no such edge, then \<Insert> $(v,w)$ to~$H$ and set~$A(w)$.
301 \algout Minimum spanning tree~$T$.
302 \endalgo
303
304 \para
305 To analyze the time complexity of this algorithm, we will use the standard
306 theorem on~complexity of the Fibonacci heap:
307
308 \thmn{Fibonacci heaps} The~Fibonacci heap performs the following operations
309 with the indicated amortized time complexities:
310 \itemize\ibull
311 \:\<Insert> (insertion of a~new element) in $\O(1)$,
312 \:\<Decrease> (decreasing value of an~existing element) in $\O(1)$,
313 \:\<Merge> (merging of two heaps into one) in $\O(1)$,
314 \:\<DeleteMin> (deletion of the minimal element) in $\O(\log n)$,
315 \:\<Delete> (deletion of an~arbitrary element) in $\O(\log n)$,
316 \endlist
317 \>where $n$ is the number of elements present in the heap at the time of
318 the operation.
319
320 \proof
321 See Fredman and Tarjan \cite{ft:fibonacci} for both the description of the Fibonacci
322 heap and the proof of this theorem.
323 \qed
324
325 \thm
326 Algorithm~\ref{jarniktwo} with the Fibonacci heap finds the MST of the input graph in time~$\O(m+n\log n)$.
327
328 \proof
329 The algorithm always stops, because every edge enters the heap~$H$ at most once.
330 As it selects exactly the same edges as the original Jarn\'\i{}k's algorithm,
331 it gives the correct answer.
332
333 The time complexity is $\O(m)$ plus the cost of the heap operations. The algorithm
334 performs at most one \<Insert> or \<Decrease> per edge and exactly one \<DeleteMin>
335 per vertex. There are at most $n$ elements in the heap at any given time,
336 thus by the previous theorem the operations take $\O(m+n\log n)$ time in total.
337 \qed
338
339 \cor
340 For graphs with edge density at least $\log n$, this algorithm runs in linear time.
341
342 \rem
343 We can consider using other kinds of heaps which have the property that inserts
344 and decreases are faster than deletes. Of course, the Fibonacci heaps are asymptotically
345 optimal (by the standard $\Omega(n\log n)$ lower bound on sorting by comparisons, see
346 for example \cite{clrs}), so the other data structures can improve only
347 multiplicative constants or offer an~easier implementation.
348
349 A~nice example is a~\df{$d$-regular heap} --- a~variant of the usual binary heap
350 in the form of a~complete $d$-regular tree. \<Insert>, \<Decrease> and other operations
351 involving bubbling the values up spend $\O(1)$ time at a~single level, so they run
352 in~$\O(\log_d n)$ time. \<Delete> and \<DeleteMin> require bubbling down, which incurs
353 comparison with all~$d$ sons at every level, so they spend $\O(d\log_d n)$.
354 With this structure, the time complexity of the whole algorithm
355 is $\O(nd\log_d n + m\log_d n)$, which suggests setting $d=m/n$, yielding $\O(m\log_{m/n}n)$.
356 This is still linear for graphs with density at~least~$n^{1+\varepsilon}$.
357
358 Another possibility is to use the 2-3-heaps \cite{takaoka:twothree} or Trinomial
359 heaps \cite{takaoka:trinomial}. Both have the same asymptotic complexity as Fibonacci
360 heaps (the latter even in the worst case, but it does not matter here) and their
361 authors claim faster implementation.
362
363 \FIXME{Mention Thorup's Fibonacci-like heaps for integers?}
364
365 \para
366 As we already noted, the improved Jarn\'\i{}k's algorithm runs in linear time
367 for sufficiently dense graphs. In some cases, it is useful to combine it with
368 another MST algorithm, which identifies a~part of the MST edges and contracts
369 the graph to increase its density. For example, we can perform several
370 iterations of the Contractive Bor\o{u}vka's algorithm and find the rest of the
371 MST by the Active Edge Jarn\'\i{}k's algorithm.
372
373 \algn{Mixed Bor\o{u}vka-Jarn\'\i{}k}
374 \algo
375 \algin A~graph~$G$ with an edge comparison oracle.
376 \:Run $\log\log n$ iterations of the Contractive Bor\o{u}vka's algorithm (\ref{contbor}),
377   getting a~MST~$T_1$.
378 \:Run the Active Edge Jarn\'\i{}k's algorithm (\ref{jarniktwo}) on the resulting
379   graph, getting a~MST~$T_2$.
380 \:Combine $T_1$ and~$T_2$ to~$T$ as in the Contraction lemma (\ref{contlemma}).
381 \algout Minimum spanning tree~$T$.
382 \endalgo
383
384 \thm
385 The Mixed Bor\o{u}vka-Jarn\'\i{}k algorithm finds the MST of the input graph in time $\O(m\log\log n)$.
386
387 \proof
388 Correctness follows from the Contraction lemma and from the proofs of correctness of the respective algorithms.
389 As~for time complexity: The first step takes $\O(m\log\log n)$ time
390 (by Lemma~\ref{contiter}) and it gradually contracts~$G$ to a~graph~$G'$ of size
391 $m'\le m$ and $n'\le n/\log n$. The second step then runs in time $\O(m'+n'\log n') = \O(m)$
392 and both trees can be combined in linear time, too.
393 \qed
394
395 \para
396 Actually, there is a~much better choice of the algorithms to combine: use the
397 Active Edge Jarn\'\i{}k's algorithm multiple times, each time stopping after a~while.
398 A~good choice of the stopping condition is to place a~limit on the size of the heap.
399 We start with an~arbitrary vertex, grow the tree as usually and once the heap gets too large,
400 we conserve the current tree and start with a~different vertex and an~empty heap. When this
401 process runs out of vertices, it has identified a~sub-forest of the MST, so we can
402 contract the graph along the edges of~this forest and iterate.
403
404 \algn{Iterated Jarn\'\i{}k; Fredman and Tarjan \cite{ft:fibonacci}}
405 \algo
406 \algin A~graph~$G$ with an edge comparison oracle.
407 \:$T\=\emptyset$. \cmt{edges of the MST}
408 \:$\ell(e)\=e$ for all edges~$e$. \cmt{edge labels as usually}
409 \:$m_0\=m$.
410 \:While $n>1$: \cmt{We will call iterations of this loop \df{phases}.}
411 \::$F\=\emptyset$. \cmt{forest built in the current phase}
412 \::$t\=2^{\lceil 2m_0/n \rceil}$. \cmt{the limit on heap size}
413 \::While there is a~vertex $v_0\not\in F$:
414 \:::Run the Active Edge Jarn\'\i{}k's algorithm (\ref{jarniktwo}) from~$v_0$, stop when:
415 \::::all vertices have been processed, or
416 \::::a~vertex of~$F$ has been added to the tree, or
417 \::::the heap has grown to more than~$t$ elements.
418 \:::Denote the resulting tree~$R$.
419 \:::$F\=F\cup R$.
420 \::$T\=T\cup \ell[F]$. \cmt{Remember MST edges found in this phase.}
421 \::Contract~$G$ along all edges of~$F$ and flatten it.
422 \algout Minimum spanning tree~$T$.
423 \endalgo
424
425 \nota
426 For analysis of the algorithm, let us denote the graph entering the $i$-th
427 phase by~$G_i$ and likewise with the other parameters. Let the trees from which
428 $F_i$~has been constructed be called $R_i^1, \ldots, R_i^{z_i}$. The
429 non-indexed $G$, $m$ and~$n$ will correspond to the graph given as~input.
430
431 \para
432 However the choice of the parameter~$t$ can seem mysterious, the following
433 lemma makes the reason clear:
434
435 \lemma\id{ijphase}%
436 The $i$-th phase of the Iterated Jarn\'\i{}k's algorithm runs in time~$\O(m)$.
437
438 \proof
439 During the phase, the heap always contains at most~$t_i$ elements, so it takes
440 time~$\O(\log t_i)=\O(m/n_i)$ to delete an~element from the heap. The trees~$R_i^j$
441 are edge-disjoint, so there are at most~$n_i$ \<DeleteMin>'s over the course of the phase.
442 Each edge is considered at most twice (once per its endpoint), so the number
443 of the other heap operations is~$\O(m_i)$. Together, it equals $\O(m_i + n_i\log t_i) = \O(m_i+m) = \O(m)$.
444 \qed
445
446 \lemma
447 Unless the $i$-th phase is final, the forest~$F_i$ consists of at most $2m_i/t_i$ trees.
448
449 \proof
450 As every edge of~$G_i$ is incident with at most two trees of~$F_i$, it is sufficient
451 to establish that there are at least~$t_i$ edges incident with every such tree, including
452 connecting two vertices of the tree.
453
454 The forest~$F_i$ evolves by additions of the trees~$R_i^j$. Let us consider the possibilities
455 how the algorithm could have stopped growing the tree~$R_i^j$:
456 \itemize\ibull
457 \:the heap had more than~$t_i$ elements (step~10): since the each elements stored in the heap
458   corresponds to a~unique edges incident with~$R_i^j$, we have enough such edges;
459 \:the algorithm just added a~vertex of~$F_i$ to~$R_i^j$ (step~9): in this case, an~existing
460   tree of~$F_i$ is extended, so the number of edges incident with it cannot decrease;\foot{%
461   This is the place where we needed to count the interior edges as well.}
462 \:all vertices have been processed (step~8): this can happen only in the final phase.
463 \qeditem
464 \endlist
465
466 \thm\id{itjarthm}%
467 The Iterated Jarn\'\i{}k's algorithm finds the MST of the input graph in time
468 $\O(m\timesbeta(m,n))$, where $\beta(m,n):=\min\{ i: \log^{(i)}n \le m/n \}$.
469
470 \proof
471 Phases are finite and in every phase at least one edge is contracted, so the outer
472 loop is eventually terminated. The resulting subgraph~$T$ is equal to $\mst(G)$, because each $F_i$ is
473 a~subgraph of~$\mst(G_i)$ and the $F_i$'s are glued together according to the Contraction
474 lemma (\ref{contlemma}).
475
476 Let us bound the sizes of the graphs processed in the individual phases. As the vertices
477 of~$G_{i+1}$ correspond to the components of~$F_i$, by the previous lemma $n_{i+1}\le
478 2m_i/t_i$. Then $t_{i+1} = 2^{\lceil 2m/n_{i+1} \rceil} \ge 2^{2m/n_{i+1}} \ge 2^{2m/(2m_i/t_i)} = 2^{(m/m_i)\cdot t_i} \ge 2^{t_i}$,
479 therefore:
480 $$
481 \left. \vcenter{\hbox{$\displaystyle t_i \ge 2^{2^{\scriptstyle 2^{\scriptstyle\rddots^{\scriptstyle m/n}}}} $}}\;\right\}
482 \,\hbox{a~tower of~$i$ exponentials.}
483 $$
484 As soon as~$t_i\ge n$, the $i$-th phase must be final, because at that time
485 there is enough space in the heap to process the whole graph. So~there are
486 at most~$\beta(m,n)$ phases and we already know (Lemma~\ref{ijphase}) that each
487 phase runs in linear time.
488 \qed
489
490 \cor
491 The Iterated Jarn\'\i{}k's algorithm runs in time $\O(m\log^* n)$.
492
493 \proof
494 $\beta(m,n) \le \beta(1,n) = \log^* n$.
495 \qed
496
497 \cor
498 When we use the Iterated Jarn\'\i{}k's algorithm on graphs with edge density
499 at least~$\log^{(k)} n$ for some $k\in{\bb N}^+$, it runs in time~$\O(km)$.
500
501 \proof
502 If $m/n \ge \log^{(k)} n$, then $\beta(m,n)\le k$.
503 \qed
504
505 \rem
506 Gabow et al.~\cite{gabow:mst} have shown how to speed this algorithm up to~$\O(m\log\beta(m,n))$.
507 They split the adjacency lists of the vertices to small buckets, keep each bucket
508 sorted and consider only the lightest edge in each bucket until it is removed.
509 The mechanics of the algorithm is complex and there is a~lot of technical details
510 which need careful handling, so we omit the description of this algorithm.
511
512 \FIXME{Reference to Chazelle.}
513
514 \FIXME{Reference to Q-Heaps.}
515
516 %--------------------------------------------------------------------------------
517
518 %\section{Verification of minimality}
519
520
521 \endpart