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Topological graph computations.
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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{lovasz:minors} for a~nice survey
36 of this theory and \cite{diestel:gt} for some of the deeper results).
37 The most important property is probably the characterization
38 of such classes in terms of their forbidden minors.
39
40 \defn
41 For a~class~$\cal H$ of graphs we define $\Forb({\cal H})$ as the class
42 of graphs that do not contain any of the graphs in~$\cal H$ as a~minor.
43 We will call $\cal H$ the set of \df{forbidden (or excluded) minors} for this class.
44 We will often abbreviate $\Forb(\{M_1,\ldots,M_n\})$ to $\Forb(M_1,\ldots,M_n)$.
45
46 \obs
47 For every~${\cal H}\ne\emptyset$, the class $\Forb({\cal H})$ is non-trivial
48 and closed on minors. This works in the opposite direction as well: for every
49 minor-closed class~$\cal C$ there is a~class $\cal H$ such that ${\cal C}=\Forb({\cal H})$.
50 One such~$\cal H$ is the complement of~$\cal C$, but smaller ones can be found, too.
51 For example, the planar graphs can be equivalently described as the class $\Forb(K_5, K_{3,3})$
52 --- this follows from the Kuratowski's theorem (the theorem speaks of forbidden
53 subdivisions, but while in general this is not the same as forbidden minors, it
54 is for $K_5$ and $K_{3,3}$). The celebrated theorem by Robertson and Seymour
55 guarantees that we can always find a~finite set of forbidden minors.
56
57 \thmn{Excluded minors, Robertson \& Seymour \cite{rs:wagner}}
58 For every non-trivial minor-closed graph class~$\cal C$ there exists
59 a~finite set~$\cal H$ of graphs such that ${\cal C}=\Forb({\cal H})$.
60
61 \proof
62 This theorem has been proven in a~long series of papers on graph minors
63 culminating with~\cite{rs:wagner}. See this paper and follow the references
64 to the previous articles in the series.
65 \qed
66
67 \para
68 For analysis of the contractive algorithm,
69 we will make use of another important property --- the bounded density of
70 minor-closed classes. The connection between minors and density dates back to
71 Mader in the 1960's and it can be proven without use of the Robertson-Seymour
72 theorem.
73
74 \defn\id{density}%
75 Let $\cal C$ be a class of graphs. We define its \df{edge density} $\varrho(\cal C)$
76 to be the infimum of all~$\varrho$'s such that $m(G) \le \varrho\cdot n(G)$
77 holds for every $G\in\cal C$.
78
79 \thmn{Mader \cite{mader:dens}}
80 For every $k\in{\bb N}$ there exists $h(k)\in{\bb R}$ such that every graph
81 of average degree at least~$h(k)$ contains a~subdivision of~$K_{k}$ as a~subgraph.
82
83 \proofsketch
84 (See Lemma 3.5.1 in \cite{diestel:gt} for a~complete proof in English.)
85
86 Let us fix~$k$ and prove by induction on~$m$ that every graph of average
87 degree at least~$2^m$ contains a~subdivision of some graph with $k$~vertices
88 and ${k\choose 2}\ge m\ge k$~edges. For $m={k\choose 2}$ the theorem follows
89 as the only graph with~$k$ vertices and~$k\choose 2$ edges is~$K_k$.
90
91 The base case $m=k$: Let us observe that when the average degree
92 is~$a$, removing any vertex of degree less than~$a/2$ does not decrease the
93 average degree. A~graph with $a\ge 2^k$ therefore has a~subgraph
94 with minimum degree $\delta\ge a/2=2^{k-1}$. Such subgraph contains
95 a~cycle on more than~$\delta$ vertices, in other words a~subdivision of
96 the cycle~$C_k$.
97
98 Induction step: Let~$G$ be a~graph with average degree at least~$2^m$ and
99 assume that the theorem already holds for $m-1$. Without loss of generality,
100 $G$~is connected. Consider a~maximal set $U\subseteq V$ such that the subgraph $G[U]$
101 induced by~$U$ is connected and the graph $G.U$ ($G$~with $U$~contracted to
102 a~single vertex) has average degree at least~$2^m$ (such~$U$ exists, because
103 $G=G.U$ whenever $\vert U\vert=1$). Now consider the subgraph~$H$ induced
104 in~$G$ by the neighbors of~$U$. Every $v\in V(H)$ must have $\deg_H(v) \ge 2^{m-1}$,
105 as otherwise we can add this vertex to~$U$, contradicting its
106 maximality. By the induction hypothesis, $H$ contains a~subdivision of some
107 graph~$R$ with $r$~vertices and $m-1$ edges. Any two non-adjacent vertices
108 of~$R$ can be connected in the subdivision by a~path lying entirely in~$G[U]$,
109 which reveals a~subdivision of a~graph with $m$~edges. \qed
110
111 \thmn{Density of minor-closed classes, Mader~\cite{mader:dens}}
112 Every non-trivial minor-closed class of graphs has finite edge density.
113
114 \proof
115 Let~$\cal C$ be any such class, $X$~its smallest excluded minor and $x=n(X)$.
116 As $H\minorof K_x$, the class $\cal C$ entirely lies in ${\cal C}'=\Forb(K_x)$, so
117 $\varrho({\cal C}) \le \varrho({\cal C}')$ and therefore it suffices to prove the
118 theorem for classes excluding a~single complete graph~$K_x$.
119
120 We will show that $\varrho({\cal C})\le 2h(x)$, where $h$~is the function
121 from the previous theorem. If any $G\in{\cal C}$ had more than $2h(x)\cdot n(G)$
122 edges, its average degree would be at least~$h(x)$, so by the previous theorem
123 $G$~would contain a~subdivision of~$K_x$ and hence $K_x$ as a~minor.
124 \qed
125
126 \rem
127 Minor-closed classes share many other interesting properties, as shown for
128 example by Theorem 6.1 of \cite{nesetril:minors}.
129
130 \thmn{MST on minor-closed classes \cite{mm:mst}}\id{mstmcc}%
131 For any fixed non-trivial minor-closed class~$\cal C$ of graphs, the Contractive Bor\o{u}vka's
132 algorithm (\ref{contbor}) finds the MST of any graph of this class in time
133 $\O(n)$. (The constant hidden in the~$\O$ depends on the class.)
134
135 \proof
136 Following the proof for planar graphs (\ref{planarbor}), we denote the graph considered
137 by the algorithm at the beginning of the $i$-th iteration by~$G_i$ and its number of vertices
138 and edges by $n_i$ and $m_i$ respectively. Again the $i$-th phase runs in time $\O(m_i)$
139 and $n_i \le n/2^i$, so it remains to show a linear bound for the $m_i$'s.
140
141 Since each $G_i$ is produced from~$G_{i-1}$ by a sequence of edge contractions,
142 all $G_i$'s are minors of~$G$.\foot{Technically, these are multigraph contractions,
143 but followed by flattening, so they are equivalent to contractions on simple graphs.}
144 So they also belong to~$\cal C$ and by the previous theorem $m_i\le \varrho({\cal C})\cdot n_i$.
145 \qed
146
147 \rem\id{nobatch}%
148 The contractive algorithm uses ``batch processing'' to perform many contractions
149 in a single step. It is also possible to perform contractions one edge at a~time,
150 batching only the flattenings. A~contraction of an edge~$uv$ can be done
151 in time~$\O(\deg(u))$ by removing all edges incident with~$u$ and inserting them back
152 with $u$ replaced by~$v$. Therefore we need to find a lot of vertices with small
153 degrees. The following lemma shows that this is always the case in minor-closed
154 classes.
155
156 \lemman{Low-degree vertices}\id{lowdeg}%
157 Let $\cal C$ be a graph class with density~$\varrho$ and $G\in\cal C$ a~graph
158 with $n$~vertices. Then at least $n/2$ vertices of~$G$ have degree at most~$4\varrho$.
159
160 \proof
161 Assume the contrary: Let there be at least $n/2$ vertices with degree
162 greater than~$4\varrho$.  Then $\sum_v \deg(v) > n/2
163 \cdot 4\varrho = 2\varrho n$, which is in contradiction with the number
164 of edges being at most $\varrho n$.
165 \qed
166
167 \rem
168 The proof can be also viewed
169 probabilistically: let $X$ be the degree of a vertex of~$G$ chosen uniformly at
170 random. Then $\E X \le 2\varrho$, hence by the Markov's inequality
171 ${\rm Pr}[X > 4\varrho] < 1/2$, so for at least $n/2$ vertices~$v$ we have
172 $\deg(v)\le 4\varrho$.
173
174 \algn{Local Bor\o{u}vka's Algorithm \cite{mm:mst}}%
175 \algo
176 \algin A~graph~$G$ with an edge comparison oracle and a~parameter~$t\in{\bb N}$.
177 \:$T\=\emptyset$.
178 \:$\ell(e)\=e$ for all edges~$e$.
179 \:While $n(G)>1$:
180 \::While there exists a~vertex~$v$ such that $\deg(v)\le t$:
181 \:::Select the lightest edge~$e$ incident with~$v$.
182 \:::Contract~$G$ along~$e$.
183 \:::$T\=T + \ell(e)$.
184 \::Flatten $G$, removing parallel edges and loops.
185 \algout Minimum spanning tree~$T$.
186 \endalgo
187
188 \thm
189 When $\cal C$ is a minor-closed class of graphs with density~$\varrho$, the
190 Local Bor\o{u}vka's Algorithm with the parameter~$t$ set to~$4\varrho$ 
191 finds the MST of any graph from this class in time $\O(n)$. (The constant
192 in the~$\O$ depends on~the class.)
193
194 \proof
195 Let us denote by $G_i$, $n_i$ and $m_i$ the graph considered by the
196 algorithm at the beginning of the $i$-th iteration of the outer loop,
197 and the number of its vertices and edges respectively. As in the proof
198 of the previous algorithm (\ref{mstmcc}), we observe that all the $G_i$'s
199 are minors of the graph~$G$ given as the input.
200
201 For the choice $t=4\varrho$, the Lemma on low-degree vertices (\ref{lowdeg})
202 guarantees that at the beginning of the $i$-th iteration, at least $n_i/2$ vertices
203 have degree at most~$t$. Each selected edge removes one such vertex and
204 possibly increases the degree of another, so at least $n_i/4$ edges get selected.
205 Hence $n_i\le 3/4\cdot n_{i-1}$ and therefore $n_i\le n\cdot (3/4)^i$ and the
206 algorithm terminates after $\O(\log n)$ iterations.
207
208 Each selected edge belongs to $\mst(G)$, because it is the lightest edge of
209 the trivial cut $\delta(v)$ (see the Blue Rule in \ref{rbma}).
210 The steps 6 and~7 therefore correspond to the operation
211 described by the Lemma on contraction of MST edges (\ref{contlemma}) and when
212 the algorithm stops, $T$~is indeed the minimum spanning tree.
213
214 It remains to analyse the time complexity of the algorithm. Since $G_i\in{\cal C}$, we have
215 $m_i\le \varrho n_i \le \varrho n/2^i$.
216 We will show that the $i$-th iteration is carried out in time $\O(m_i)$.
217 Steps 5 and~6 run in time $\O(\deg(v))=\O(t)$ for each~$v$, so summed
218 over all $v$'s they take $\O(tn_i)$, which is linear for a fixed class~$\cal C$.
219 Flattening takes $\O(m_i)$, as already noted in the analysis of the Contracting
220 Bor\o{u}vka's Algorithm (see \ref{contiter}).
221
222 The whole algorithm therefore runs in time $\O(\sum_i m_i) = \O(\sum_i n/2^i) = \O(n)$.
223 \qed
224
225 \rem
226 For planar graphs, we can get a sharper version of the low-degree lemma,
227 showing that the algorithm works with $t=8$ as well (we had $t=12$ as
228 $\varrho=3$). While this does not change the asymptotic time complexity
229 of the algorithm, the constant-factor speedup can still delight the hearts of
230 its practical users.
231
232 \lemman{Low-degree vertices in planar graphs}%
233 Let $G$ be a planar graph with $n$~vertices. Then at least $n/2$ vertices of~$v$
234 have degree at most~8.
235
236 \proof
237 It suffices to show that the lemma holds for triangulations (if there
238 are any edges missing, the situation can only get better) with at
239 least 3 vertices. Since $G$ is planar, $\sum_v \deg(v) < 6n$.
240 The numbers $d(v):=\deg(v)-3$ are non-negative and $\sum_v d(v) < 3n$,
241 so by the same argument as in the proof of the general lemma, for at least $n/2$
242 vertices~$v$ it holds that $d(v) < 6$, hence $\deg(v) \le 8$.
243 \qed
244
245 \rem\id{hexa}%
246 The constant~8 in the previous lemma is the best we can have.
247 Consider a $k\times k$ triangular grid. It has $n=k^2$ vertices, $\O(k)$ of them
248 lie on the outer face and have degrees at most~6, the remaining $n-\O(k)$ interior
249 vertices have degree exactly~6. Therefore the number of faces~$f$ is $6/3\cdot n=2n$,
250 ignoring terms of order $\O(k)$. All interior triangles can be properly colored with
251 two colors, black and white. Now add a~new vertex inside each white face and connect
252 it to all three vertices on the boundary of that face. This adds $f/2 \approx n$
253 vertices of degree~3 and it increases the degrees of the original $\approx n$ interior
254 vertices to~9, therefore about a half of the vertices of the new planar graph
255 has degree~9.
256
257 \figure{hexangle.eps}{\epsfxsize}{The construction from Remark~\ref{hexa}}
258
259 \rem
260 The observation in~Theorem~\ref{mstmcc} was also made by Gustedt in~\cite{gustedt:parallel},
261 who studied a~parallel version of the contractive Bor\o{u}vka's algorithm applied
262 to minor-closed classes.
263
264 %--------------------------------------------------------------------------------
265
266 \section{Using Fibonacci heaps}
267 \id{fibonacci}
268
269 We have seen that the Jarn\'\i{}k's Algorithm \ref{jarnik} runs in $\Theta(m\log n)$ time.
270 Fredman and Tarjan have shown a~faster implementation in~\cite{ft:fibonacci}
271 using their Fibonacci heaps. In this section, we convey their results and we
272 show several interesting consequences.
273
274 The previous implementation of the algorithm used a binary heap to store all edges
275 separating the current tree~$T$ from the rest of the graph, i.e., edges of the cut~$\delta(T)$.
276 Instead of that, we will remember the vertices adjacent to~$T$ and for each such vertex~$v$ we
277 will maintain the lightest edge~$uv$ such that $u$~lies in~$T$. We will call these edges \df{active edges}
278 and keep them in a~Fibonacci heap, ordered by weight.
279
280 When we want to extend~$T$ by the lightest edge of~$\delta(T)$, it is sufficient to
281 find the lightest active edge~$uv$ and add this edge to~$T$ together with the new vertex~$v$.
282 Then we have to update the active edges as follows. The edge~$uv$ has just ceased to
283 be active. We scan all neighbors~$w$ of the vertex~$v$. When $w$~is in~$T$, no action
284 is needed. If $w$~is outside~$T$ and it was not adjacent to~$T$ (there is no active edge
285 remembered for it so far), we set the edge~$vw$ as active. Otherwise we check the existing
286 active edge for~$w$ and replace it by~$vw$ if the new edge is lighter.
287
288 The following algorithm shows how these operations translate to insertions, decreases
289 and deletions on the heap.
290
291 \algn{Active Edge Jarn\'\i{}k; Fredman and Tarjan \cite{ft:fibonacci}}\id{jarniktwo}%
292 \algo
293 \algin A~graph~$G$ with an edge comparison oracle.
294 \:$v_0\=$ an~arbitrary vertex of~$G$.
295 \:$T\=$ a tree containing just the vertex~$v_0$.
296 \:$H\=$ 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.
297 \:$A\=$ a~mapping of vertices outside~$T$ to their active edges in the heap; initially all elements undefined.
298 \:\<Insert> all edges incident with~$v_0$ to~$H$ and update~$A$ accordingly.
299 \:While $H$ is not empty:
300 \::$(u,v)\=\<DeleteMin>(H)$.
301 \::$T\=T+uv$.
302 \::For all edges $vw$ such that $w\not\in T$:
303 \:::If there exists an~active edge~$A(w)$:
304 \::::If $vw$ is lighter than~$A(w)$, \<Decrease> $A(w)$ to~$(v,w)$ in~$H$.
305 \:::If there is no such edge, then \<Insert> $(v,w)$ to~$H$ and set~$A(w)$.
306 \algout Minimum spanning tree~$T$.
307 \endalgo
308
309 \para
310 To analyze the time complexity of this algorithm, we will use the standard
311 theorem on~complexity of the Fibonacci heap:
312
313 \thmn{Fibonacci heaps} The~Fibonacci heap performs the following operations
314 with the indicated amortized time complexities:
315 \itemize\ibull
316 \:\<Insert> (insertion of a~new element) in $\O(1)$,
317 \:\<Decrease> (decreasing value of an~existing element) in $\O(1)$,
318 \:\<Merge> (merging of two heaps into one) in $\O(1)$,
319 \:\<DeleteMin> (deletion of the minimal element) in $\O(\log n)$,
320 \:\<Delete> (deletion of an~arbitrary element) in $\O(\log n)$,
321 \endlist
322 \>where $n$ is the number of elements present in the heap at the time of
323 the operation.
324
325 \proof
326 See Fredman and Tarjan \cite{ft:fibonacci} for both the description of the Fibonacci
327 heap and the proof of this theorem.
328 \qed
329
330 \thm
331 Algorithm~\ref{jarniktwo} with the Fibonacci heap finds the MST of the input graph in time~$\O(m+n\log n)$.
332
333 \proof
334 The algorithm always stops, because every edge enters the heap~$H$ at most once.
335 As it selects exactly the same edges as the original Jarn\'\i{}k's algorithm,
336 it gives the correct answer.
337
338 The time complexity is $\O(m)$ plus the cost of the heap operations. The algorithm
339 performs at most one \<Insert> or \<Decrease> per edge and exactly one \<DeleteMin>
340 per vertex. There are at most $n$ elements in the heap at any given time,
341 thus by the previous theorem the operations take $\O(m+n\log n)$ time in total.
342 \qed
343
344 \cor
345 For graphs with edge density at least $\log n$, this algorithm runs in linear time.
346
347 \rem
348 We can consider using other kinds of heaps that have the property that inserts
349 and decreases are faster than deletes. Of course, the Fibonacci heaps are asymptotically
350 optimal (by the standard $\Omega(n\log n)$ lower bound on sorting by comparisons, see
351 for example \cite{clrs}), so the other data structures can improve only
352 multiplicative constants or offer an~easier implementation.
353
354 A~nice example is a~\df{$d$-regular heap} --- a~variant of the usual binary heap
355 in the form of a~complete $d$-regular tree. \<Insert>, \<Decrease> and other operations
356 involving bubbling the values up spend $\O(1)$ time at a~single level, so they run
357 in~$\O(\log_d n)$ time. \<Delete> and \<DeleteMin> require bubbling down, which incurs
358 comparison with all~$d$ sons at every level, so they spend $\O(d\log_d n)$.
359 With this structure, the time complexity of the whole algorithm
360 is $\O(nd\log_d n + m\log_d n)$, which suggests setting $d=m/n$, yielding $\O(m\log_{m/n}n)$.
361 This is still linear for graphs with density at~least~$n^{1+\varepsilon}$.
362
363 Another possibility is to use the 2-3-heaps \cite{takaoka:twothree} or Trinomial
364 heaps \cite{takaoka:trinomial}. Both have the same asymptotic complexity as Fibonacci
365 heaps (the latter even in the worst case, but it does not matter here) and their
366 authors claim faster implementation. For integer weights, we can use Thorup's priority
367 queues described in \cite{thorup:pqsssp} which have constant-time \<Insert> and \<Decrease>
368 and $\O(\log\log n)$ time \<DeleteMin>. (We will however omit the details since we will
369 show a~faster integer algorithm soon.)
370
371 \para
372 As we already noted, the improved Jarn\'\i{}k's algorithm runs in linear time
373 for sufficiently dense graphs. In some cases, it is useful to combine it with
374 another MST algorithm, which identifies a~part of the MST edges and contracts
375 the graph to increase its density. For example, we can perform several
376 iterations of the Contractive Bor\o{u}vka's algorithm and find the rest of the
377 MST by the Active Edge Jarn\'\i{}k's algorithm.
378
379 \algn{Mixed Bor\o{u}vka-Jarn\'\i{}k}
380 \algo
381 \algin A~graph~$G$ with an edge comparison oracle.
382 \:Run $\log\log n$ iterations of the Contractive Bor\o{u}vka's algorithm (\ref{contbor}),
383   getting a~MST~$T_1$.
384 \:Run the Active Edge Jarn\'\i{}k's algorithm (\ref{jarniktwo}) on the resulting
385   graph, getting a~MST~$T_2$.
386 \:Combine $T_1$ and~$T_2$ to~$T$ as in the Contraction lemma (\ref{contlemma}).
387 \algout Minimum spanning tree~$T$.
388 \endalgo
389
390 \thm
391 The Mixed Bor\o{u}vka-Jarn\'\i{}k algorithm finds the MST of the input graph in time $\O(m\log\log n)$.
392
393 \proof
394 Correctness follows from the Contraction lemma and from the proofs of correctness of the respective algorithms.
395 As~for time complexity: The first step takes $\O(m\log\log n)$ time
396 (by Lemma~\ref{contiter}) and it gradually contracts~$G$ to a~graph~$G'$ of size
397 $m'\le m$ and $n'\le n/\log n$. The second step then runs in time $\O(m'+n'\log n') = \O(m)$
398 and both trees can be combined in linear time, too.
399 \qed
400
401 \para
402 Actually, there is a~much better choice of the algorithms to combine: use the
403 Active Edge Jarn\'\i{}k's algorithm multiple times, each time stopping after a~while.
404 A~good choice of the stopping condition is to place a~limit on the size of the heap.
405 We start with an~arbitrary vertex, grow the tree as usually and once the heap gets too large,
406 we conserve the current tree and start with a~different vertex and an~empty heap. When this
407 process runs out of vertices, it has identified a~sub-forest of the MST, so we can
408 contract the graph along the edges of~this forest and iterate.
409
410 \algn{Iterated Jarn\'\i{}k; Fredman and Tarjan \cite{ft:fibonacci}}\id{itjar}%
411 \algo
412 \algin A~graph~$G$ with an edge comparison oracle.
413 \:$T\=\emptyset$. \cmt{edges of the MST}
414 \:$\ell(e)\=e$ for all edges~$e$. \cmt{edge labels as usually}
415 \:$m_0\=m$.
416 \:While $n>1$: \cmt{We will call iterations of this loop \df{phases}.}
417 \::$F\=\emptyset$. \cmt{forest built in the current phase}
418 \::$t\=2^{\lceil 2m_0/n \rceil}$. \cmt{the limit on heap size}
419 \::While there is a~vertex $v_0\not\in F$:
420 \:::Run the Active Edge Jarn\'\i{}k's algorithm (\ref{jarniktwo}) from~$v_0$, stop when:
421 \::::all vertices have been processed, or
422 \::::a~vertex of~$F$ has been added to the tree, or
423 \::::the heap has grown to more than~$t$ elements.
424 \:::Denote the resulting tree~$R$.
425 \:::$F\=F\cup R$.
426 \::$T\=T\cup \ell[F]$. \cmt{Remember MST edges found in this phase.}
427 \::Contract~$G$ along all edges of~$F$ and flatten it.
428 \algout Minimum spanning tree~$T$.
429 \endalgo
430
431 \nota
432 For analysis of the algorithm, let us denote the graph entering the $i$-th
433 phase by~$G_i$ and likewise with the other parameters. Let the trees from which
434 $F_i$~has been constructed be called $R_i^1, \ldots, R_i^{z_i}$. The
435 non-indexed $G$, $m$ and~$n$ will correspond to the graph given as~input.
436
437 \para
438 However the choice of the parameter~$t$ can seem mysterious, the following
439 lemma makes the reason clear:
440
441 \lemma\id{ijphase}%
442 The $i$-th phase of the Iterated Jarn\'\i{}k's algorithm runs in time~$\O(m)$.
443
444 \proof
445 During the phase, the heap always contains at most~$t_i$ elements, so it takes
446 time~$\O(\log t_i)=\O(m/n_i)$ to delete an~element from the heap. The trees~$R_i^j$
447 are edge-disjoint, so there are at most~$n_i$ \<DeleteMin>'s over the course of the phase.
448 Each edge is considered at most twice (once per its endpoint), so the number
449 of the other heap operations is~$\O(m_i)$. Together, it equals $\O(m_i + n_i\log t_i) = \O(m_i+m) = \O(m)$.
450 \qed
451
452 \lemma\id{ijsize}%
453 Unless the $i$-th phase is final, the forest~$F_i$ consists of at most $2m_i/t_i$ trees.
454
455 \proof
456 As every edge of~$G_i$ is incident with at most two trees of~$F_i$, it is sufficient
457 to establish that there are at least~$t_i$ edges incident with every such tree, including
458 connecting two vertices of the tree.
459
460 The forest~$F_i$ evolves by additions of the trees~$R_i^j$. Let us consider the possibilities
461 how the algorithm could have stopped growing the tree~$R_i^j$:
462 \itemize\ibull
463 \:the heap had more than~$t_i$ elements (step~10): since the each elements stored in the heap
464   corresponds to a~unique edges incident with~$R_i^j$, we have enough such edges;
465 \:the algorithm just added a~vertex of~$F_i$ to~$R_i^j$ (step~9): in this case, an~existing
466   tree of~$F_i$ is extended, so the number of edges incident with it cannot decrease;\foot{%
467   This is the place where we needed to count the interior edges as well.}
468 \:all vertices have been processed (step~8): this can happen only in the final phase.
469 \qeditem
470 \endlist
471
472 \thm\id{itjarthm}%
473 The Iterated Jarn\'\i{}k's algorithm finds the MST of the input graph in time
474 $\O(m\timesbeta(m,n))$, where $\beta(m,n):=\min\{ i: \log^{(i)}n \le m/n \}$.
475
476 \proof
477 Phases are finite and in every phase at least one edge is contracted, so the outer
478 loop is eventually terminated. The resulting subgraph~$T$ is equal to $\mst(G)$, because each $F_i$ is
479 a~subgraph of~$\mst(G_i)$ and the $F_i$'s are glued together according to the Contraction
480 lemma (\ref{contlemma}).
481
482 Let us bound the sizes of the graphs processed in the individual phases. As the vertices
483 of~$G_{i+1}$ correspond to the components of~$F_i$, by the previous lemma $n_{i+1}\le
484 2m_i/t_i$. Then $t_{i+1} = 2^{\lceil 2m/n_{i+1} \rceil} \ge 2^{2m/n_{i+1}} \ge 2^{2m/(2m_i/t_i)} = 2^{(m/m_i)\cdot t_i} \ge 2^{t_i}$,
485 therefore:
486 $$
487 \left. \vcenter{\hbox{$\displaystyle t_i \ge 2^{2^{\scriptstyle 2^{\scriptstyle\rddots^{\scriptstyle m/n}}}} $}}\;\right\}
488 \,\hbox{a~tower of~$i$ exponentials.}
489 $$
490 As soon as~$t_i\ge n$, the $i$-th phase must be final, because at that time
491 there is enough space in the heap to process the whole graph. So~there are
492 at most~$\beta(m,n)$ phases and we already know (Lemma~\ref{ijphase}) that each
493 phase runs in linear time.
494 \qed
495
496 \cor
497 The Iterated Jarn\'\i{}k's algorithm runs in time $\O(m\log^* n)$.
498
499 \proof
500 $\beta(m,n) \le \beta(1,n) = \log^* n$.
501 \qed
502
503 \cor\id{ijdens}%
504 When we use the Iterated Jarn\'\i{}k's algorithm on graphs with edge density
505 at least~$\log^{(k)} n$ for some $k\in{\bb N}^+$, it runs in time~$\O(km)$.
506
507 \proof
508 If $m/n \ge \log^{(k)} n$, then $\beta(m,n)\le k$.
509 \qed
510
511 \obs
512 The algorithm spends most of the time in phases which have small heaps. Once the
513 heap grows to $\Omega(\log^{(k)} n)$ for any fixed~$k$, the graph gets dense enough
514 to guarantee that at most~$k$ phases remain. This means that if we are able to
515 construct a~heap of size $\Omega(\log^{(k)} n)$ with constant time per operation,
516 we can get a~linear-time algorithm for MST. This is the case when the weights are
517 integers:
518
519 \thmn{MST for graphs with integer weights, Fredman and Willard \cite{fw:transdich}}\id{intmst}%
520 MST of a~graph with integer edge weights can be found in time $\O(m)$ on the Word-RAM.
521
522 \proof
523 We will combine the Iterated Jarn\'\i{}k's algorithm with the Q-heaps from section \ref{qheaps}.
524 We modify the first pass of the algorithm to choose $t=\log n$ and use the Q-heap tree instead
525 of the Fibonacci heap. From Theorem \ref{qh} and Remark \ref{qhtreerem} we know that the
526 operations on the Q-heap tree run in constant time, so the modified first phase takes time~$\O(m)$.
527 Following the analysis of the original algorithm in the proof of Theorem \ref{itjarthm} we obtain
528 $t_2\ge 2^{t_1} = 2^{\log n} = n$, so the algorithm stops after the second phase.\foot{%
529 Alternatively, we can use the Q-heaps directly with $k=\log^{1/4}n$ and then stop
530 after the third phase.}
531 \qed
532
533 \rem
534 Gabow et al.~\cite{gabow:mst} have shown how to speed up the Iterated Jarn\'\i{}k's algorithm to~$\O(m\log\beta(m,n))$.
535 They split the adjacency lists of the vertices to small buckets, keep each bucket
536 sorted and consider only the lightest edge in each bucket until it is removed.
537 The mechanics of the algorithm is complex and there is a~lot of technical details
538 which need careful handling, so we omit the description of this algorithm.
539 A~better algorithm will be shown in Chapter \ref{optchap}.
540
541 %--------------------------------------------------------------------------------
542
543 \section{Verification of minimality}
544
545 Now we will turn our attention to a~slightly different problem: given a~spanning
546 tree, how to verify that it is minimum? We will show that this can be achieved
547 in linear time and it will serve as a~basis for a~randomized linear-time
548 MST algorithm in Section~\ref{randmst}.
549
550 MST verification has been studied by Koml\'os \cite{komlos:verify}, who has
551 proven that $\O(m)$ edge comparisons are sufficient, but his algorithm needed
552 superlinear time to find the edges to compare. Dixon, Rauch and Tarjan
553 have later shown in \cite{dixon:verify} that the overhead can be reduced
554 to linear time on the RAM using preprocessing and table lookup on small
555 subtrees. Later, King has given a~simpler algorithm in \cite{king:verifytwo}.
556
557 In this section, we will follow Koml\'os's steps and study the comparisons
558 needed, saving the actual efficient implementation for later.
559
560 \para
561 To verify that a~spanning~$T$ is minimum, it is sufficient to check that all
562 edges outside~$T$ are $T$-heavy (by Theorem \ref{mstthm}). In fact, we will be
563 able to find all $T$-light edges efficiently. For each edge $uv\in E\setminus T$,
564 we will find the heaviest edge of the tree path $T[u,v]$ and compare its weight
565 to $w(uv)$. It is therefore sufficient to solve the following problem:
566
567 \problem
568 Given a~weighted tree~$T$ and a~set of \df{query paths} $Q \subseteq \{ T[u,v] ; u,v\in V(T) \}$
569 specified by their endpoints, find the heaviest edge (\df{peak}) for every path in~$Q$.
570
571 \para
572 Finding the peaks can be burdensome if the tree~$T$ is degenerated,
573 so we will first reduce it to the same problem on a~balanced tree. We run
574 the Bor\o{u}vka's algorithm on~$T$, which certainly produces $T$ itself, and we
575 record the order in which the subtrees have been merged in another tree~$B(T)$.
576 The peak queries on~$T$ can be then easily translated to peak queries on~$B(T)$.
577
578 \defn
579 For a~weighted tree~$T$ we define its \df{Bor\o{u}vka tree} $B(T)$ as a~rooted tree which records
580 the execution of the Bor\o{u}vka's algorithm run on~$T$. The leaves of $B(T)$
581 are all the vertices of~$T$, an~internal vertex~$v$ at level~$i$ from the bottom
582 corresponds to a~component tree~$C(v)$ formed in the $i$-th phase of the algorithm. When
583 a~tree $C(v)$ selects an adjacent edge~$e$ and gets merged with some other trees to form
584 a~component $C(u)$, we add an~edge $uv$ to~$B(T)$ and set its weight to $w(e)$.
585
586 \figure{bortree.eps}{\epsfxsize}{An octipede and its Bor\o{u}vka tree}
587
588 \obs
589 As the algorithm finishes with a~single component in the last phase, the Bor\o{u}vka tree
590 is really a~tree. All its leaves are on the same level and each internal vertex has
591 at least two sons. Such trees will be called \df{complete branching trees.}
592
593 \lemma
594 For every tree~$T$ and every pair of its vertices $x,y\in V(T)$, the peak
595 of the path $T[x,y]$ has the same weight as the peak of~the path $B(T)[x,y]$.
596
597 \proof
598 Let us denote the path $T[x,y]$ by~$P$ and its heaviest edge by~$h=ab$. Similarly,
599 let us use $P'$ for $B(T)[x,y]$ and $h'$ for the heaviest edge of~$P'$.
600
601 We will first prove that~$h$ has its counterpart of the same weight in~$P'$,
602 so $w(h') \ge w(h)$. Consider the lowest vertex $u$ of~$B(T)$ such that the
603 component $C(u)$ contains both $a$ and~$b$, and consider the sons $v_a$ and $v_b$ of~$u$
604 for which $a\in C(v_a)$ and $b\in C(v_b)$. As the edge~$h$ must have been
605 selected by at least one of these components, we assume without loss of generality that
606 it was $C(v_a)$, and hence we have $w(uv_a)=w(h)$. We will show that the
607 edge~$uv_a$ lies in~$P'$, because exactly one of the endpoints of~$h$ lies
608 in~$C(v_a)$. Both endpoints cannot lie there, since it would imply that $C(v_a)$,
609 being connected, contains the whole path~$P$, including~$h$. On the other hand,
610 if $C(v_a)$ contained neither~$x$ nor~$y$, it would have to be incident with
611 another edge of~$P$ different from~$h$, so this lighter edge would be selected
612 instead of~$h$.
613
614 In the other direction: for any edge~$uv\in P'$, the tree~$C(v)$ is incident
615 with at least one edge of~$P$, so the selected edge must be lighter or equal
616 to this edge and hence also to~$h$.
617 \qed
618
619 \para
620 We will simplify the problem even further: For an~arbitrary tree~$T$, we split each
621 query path $T[x,y]$ to two half-paths $T[x,a]$ and $T[a,y]$ where~$a$ is the
622 \df{lowest common ancestor} of~$x$ and~$y$ in~$T$. It is therefore sufficient to
623 consider only paths that connect a~vertex with one of its ancestors.
624
625 When we combine the two transforms, we get:
626
627 \lemma\id{verbranch}%
628 For each tree~$T$ on $n$~vertices and a~set~$Q$ of $q$~query paths on~$T$, it is possible
629 to find a~complete branching tree~$T'$, together with a~set~$Q'$ of paths on~$T'$,
630 such that the weights of the heaviest edges of the paths in~$Q$ can be deduced from
631 the same of the paths in~$Q'$. The tree $T'$ has at most $2n$ vertices and $\O(\log n)$
632 levels. The set~$Q'$ contains at most~$2q$ paths and each of them connects a~vertex of~$T'$
633 with one of its ancestors. The construction of~$T'$ involves $\O(n)$ comparisons
634 and the transformation of the answers takes $\O(q)$ comparisons.
635
636 \proof
637 The tree~$T'$ will be the Bor\o{u}vka tree for~$T$, obtained by running the
638 contractive version of the Bor\o{u}vka's algorithm (Algorithm \ref{contbor})
639 on~$T$. The algorithm runs in linear time, for example because trees are planar
640 (Theorem \ref{planarbor}). We therefore spend $\O(n)$ comparisons in it.
641
642 As~$T'$ has~$n$ leaves and it is a~complete branching tree, it has at most~$n$ internal vertices,
643 so~$n(T')\le 2n$ as promised. Since the number of passes of the Bor\o{u}vka's
644 algorithm is $\O(\log n)$, the depth of the Bor\o{u}vka tree must be logarithmic as well.
645
646 For each query path $T[x,y]$ we find the lowest common ancestor of~$x$ and~$y$
647 and split the path by the two half-paths. This produces a~set~$Q'$ of at most~$2q$ half-paths.
648 The peak of every original query path is then the heavier of the peaks of its halves.
649 \qed
650
651 \para
652 We will now describe a~simple variant of the depth-first search which finds the
653 peaks of all query paths of the transformed problem. As we promised,
654 we will take care of the number of comparisons only, as long as all other operations
655 are well-defined and they can be performed in polynomial time.
656
657 \defn
658 For every edge~$e=uv$, we consider the set $Q_e$ of all query paths containing~$e$.
659 The vertex of a~path, which is closer to the root, will be called its \df{top,}
660 the other vertex its \df{bottom.}
661 We define arrays $T_e$ and~$P_e$ as follows: $T_e$ contains
662 the tops of the paths in~$Q_e$ in order of their increasing depth (we
663 will call them \df{active tops} and each of them will be stored exactly once). For
664 each active top~$t=T_e[i]$, we define $P_e[i]$ as the peak of the path $T[v,t]$.
665
666 \obs
667 As for every~$i$ the path $T[v,T_e[i+1]]$ is contained within $T[v,T_e[i]]$,
668 the edges of~$P_e$ must have non-increasing weights, that is $w(P_e[i+1]) \le
669 w(P_e[i])$.
670
671 \alg $\<FindPeaks>(u,p,T_p,P_p)$ --- process all queries in the subtree rooted
672 at~$u$ entered from its parent via an~edge~$p$.
673 \id{findpeaks}
674
675 \algo
676 \:Process all query paths whose bottom is~$u$ and record their peaks.
677 This is accomplished by finding the index~$i$ of each path's top in~$T_p$ and reading
678 the desired edge from~$P_p[i]$.
679
680 \:For every son~$v$ of~$u$, process the edge $e=uv$:
681
682 \::Construct the array of tops~$T_e$ for the edge~$e$: Start with~$T_p$, remove
683    the tops of the paths that do not contain~$e$ and add the vertex~$u$ itself
684    if there is a~query path which has~$u$ as its top and which has bottom somewhere
685    in the subtree rooted at~$v$.
686
687 \::Prepare the array of the peaks~$P_e$: Start with~$P_p$, remove the entries
688    corresponding to the tops that are no longer active. If $u$ became an~active
689    top, append~$e$ to the array.
690
691 \::Finish~$P_e$:
692    Since the paths leading to all active tops have been extended by the
693    edge~$e$, compare $w(e)$ with weights of the edges recorded in~$P_e$ and replace
694    those edges which are lighter by~$e$.
695    Since $P_p$ was sorted, we can use binary search
696    to locate the boundary between lighter and heavier edges in~$P_e$.
697
698 \::Recurse on~$v$: call $\<FindPeaks>(v,e,T_e,P_e)$.
699 \endalgo
700
701 \>As we need a~parent edge to start the recursion, we add an~imaginary parent
702 edge~$p_0$ of the root vertex~$r$, for which no queries are defined. We can
703 therefore start with $\<FindPeaks>(r,p_0,\emptyset,\emptyset)$.
704
705 Let us account for the comparisons:
706
707 \lemma\id{vercompares}%
708 When the procedure \<FindPeaks> is called on the transformed problem, it
709 performs $\O(n+q)$ comparisons, where $n$ is the size of the tree and
710 $q$ is the number of query paths.
711
712 \proof
713 We will calculate the number of comparisons~$c_i$ performed when processing the edges
714 going from the $(i+1)$-th to the $i$-th level of the tree.
715 The levels are numbered from the bottom, so leaves are at level~0 and the root
716 is at level $\ell\le \lceil \log_2 n\rceil$. There are $n_i\le n/2^i$ vertices
717 at the $i$-th level, so we consider exactly $n_i$ edges. To avoid taking a~logarithm
718 of zero, we define $\vert T_e\vert=1$ for $T_e=\emptyset$.
719 \def\eqalign#1{\null\,\vcenter{\openup\jot
720   \ialign{\strut\hfil$\displaystyle{##}$&$\displaystyle{{}##}$\hfil
721       \crcr#1\crcr}}\,}
722 $$\vcenter{\openup\jot\halign{\strut\hfil $\displaystyle{#}$&$\displaystyle{{}#}$\hfil&\quad#\hfil\cr
723 c_i &\le \sum_e \left( 1 + \log \vert T_e\vert \right)&(Total cost of the binary searches.)\cr
724     &\le n_i + \sum_e \log\vert T_e\vert&(We sum over $n_i$ edges.)\cr
725     &\le n_i + n_i \cdot {\sum_e \log\vert T_e\vert \over n_i}&(Consider the average of logarithms.) \cr
726     &\le n_i + n_i \cdot \log{\sum_e \vert T_e\vert \over n_i}&(Logarithm is concave.) \cr
727     &\le n_i + n_i \cdot \log{q+n\over n_i}&(Bound the number of tops by queries.) \cr
728     &= n_i \cdot \left( 1 + \log\left({q+n\over n}\cdot{n\over n_i}\right) \right)\cr
729     &= n_i + n_i\log{q+n\over n} + n_i\log{n\over n_i}.\cr
730 }}$$
731 Summing over all levels, we estimate the total number of comparisons as:
732 $$
733 c = \sum_i c_i = \left( \sum_i n_i \right) + \left( \sum_i n_i \log{q+n\over n}\right) + \left( \sum_i n_i \log{n\over n_i}\right).
734 $$
735 The first part is equal to~$n$, the second one to $n\log((q+n)/n)\le q+n$. For the third
736 one, we would like to plug in the bound $n_i \le n/2^i$, but we unfortunately have one~$n_i$
737 in the denominator. We save the situation by observing that the function $f(x)=x\log(n/x)$
738 is decreasing\foot{We can easily check the derivative: $f(x)=(x\ln n-x\ln x)/\ln 2$, so $f'(x)\cdot \ln2 =
739 \ln n - \ln x - 1$. We want $f'(x)<0$ and therefore $\ln x > \ln n - 1$, i.e., $x > n/e$.}
740 for $x > n/e$, so for $i\ge 2$ it holds that:
741 $$
742 n_i\log{n\over n_i} \le {n\over 2^i}\cdot\log{n\over n/2^i} = {n\over 2^i} \cdot i.
743 $$
744 We can therefore rewrite the third part as:
745 $$\eqalign{
746 \sum_i n_i\log{n\over n_i} &\le n_0\log{n\over n_0} + n_1\log{n\over n_1} + n\cdot\sum_{i\ge 2}{i\over 2^i} \le\cr
747 &\le n\log1 + n_1\cdot {n\over n_1} + n\cdot\O(1) = \O(n).\cr
748 }$$
749 Putting all three parts together, we conclude that:
750 $$
751 c \le n + (q+n) + \O(n) = \O(n+q). \qedmath
752 $$
753
754 \para
755 When we combine this lemma with the above reduction, we get the following theorem:
756
757 \thmn{Verification of the MST, Koml\'os \cite{komlos:verify}}\id{verify}%
758 For every weighted graph~$G$ and its spanning tree~$T$, it is sufficient to
759 perform $\O(m)$ comparisons of edge weights to determine whether~$T$ is minimum
760 and to find all $T$-light edges in~$G$.
761
762 \proof
763 We first transform the problem to finding all peaks of a~set
764 of query paths in~$T$ (these are exactly the paths covered by the edges
765 of $G\setminus T$). We use the reduction from Lemma \ref{verbranch} to get
766 an~equivalent problem with a~full branching tree and a~set of parent-descendant
767 paths. The reduction costs $\O(m+n)$ comparisons.
768 Then we run the \<FindPeaks> procedure (Algorithm \ref{findpeaks}) to find
769 the tops of all query paths. According to Lemma \ref{vercompares}, this spends another $\O(m+n)$
770 comparisons. Since we (as always) assume that~$G$ is connected, $\O(m+n)=\O(m)$.
771 \qed
772
773 \rem
774 The problem of computing path maxima or minima in a~weighted tree has several other interesting
775 applications. One of them is computing minimum cuts separating given pairs of vertices in a~given
776 weighted undirected graph~$G$. We construct a~Gomory-Hu tree~$T$ for the graph as described in \cite{gomoryhu}
777 (see also \cite{bhalgat:ght} for a~more efficient algorithm running in time
778 $\widetilde\O(mn)$ for unit-cost graphs). The crucial property of this tree is that for every two
779 vertices $u$, $v$ of the graph~$G$, the minimum-cost edge on $T[u,v]$ has the same cost
780 as the minimum cut separating $u$ and~$v$ in~$G$. Since the construction of~$T$ generally
781 takes $\Omega(n^2)$ time, we could of course invest this time in precomputing the minima for
782 all pairs of vertices. This would however require quadratic space, so we can better use
783 the method of this section which fits in $\O(n+q)$ space for $q$~queries.
784
785 \rem
786 A~dynamic version of the problem is also often considered. It calls for a~data structure
787 representing a~weighted forest with operations for modifying the structure of the forest
788 and querying minima or maxima on paths. Sleator and Tarjan have shown in \cite{sleator:trees}
789 how to do this in $\O(\log n)$ time amortized per operation, which leads to
790 an~implementation of the Dinic's maximum flow algorithm \cite{dinic:flow}
791 in time $\O(mn\log n)$.
792
793 %--------------------------------------------------------------------------------
794
795 \section{Verification in linear time}\id{verifysect}%
796
797 We have proven that $\O(m)$ edge weight comparisons suffice to verify minimality
798 of a~given spanning tree. Now we will show an~algorithm for the RAM,
799 which finds the required comparisons in linear time. We will follow the idea
800 of King from \cite{king:verify}, but as we have the power of the RAM data structures
801 from Section~\ref{bitsect} at our command, the low-level details will be easier,
802 especially the construction of vertex and edge labels.
803
804 \para
805 First of all, let us make sure that the reduction to fully branching trees
806 in Lemma \ref{verbranch} can be made run in linear time. As already noticed
807 in the proof, the Bor\o{u}vka's algorithm runs in linear time. Constructing
808 the Bor\o{u}vka tree in the process adds at most a~constant overhead to every
809 step of the algorithm.
810
811 Finding the common ancestors is not trivial, but Harel and Tarjan have shown
812 in \cite{harel:nca} that linear time is sufficient on the RAM. Several more
813 accessible algorithms have been developed since then (see the Alstrup's survey
814 paper \cite{alstrup:nca} and a~particularly elegant algorithm described by Bender
815 and Falach-Colton in \cite{bender:lca}). Any of them implies the following
816 theorem:
817
818 \thmn{Lowest common ancestors}\id{lcathm}%
819 On the RAM, it is possible to preprocess a~tree~$T$ in time $\O(n)$ and then
820 answer lowest common ancestor queries presented online in constant time.
821
822 \cor
823 The reductions in Lemma \ref{verbranch} can be performed in time $\O(m)$.
824
825 \para
826 Having the reduced problem at hand, it remains to implement the procedure \<FindPeaks>
827 of Algorithm \ref{findpeaks} efficiently. We need a~compact representation of
828 the arrays $T_e$ and~$P_e$, which will allow to reduce the overhead of the algorithm
829 to time linear will be linear in the number of comparisons performed. To achieve
830 this goal, we will encode the arrays in RAM vectors (see Section \ref{bitsect}
831 for the vector operations).
832
833 \defn
834
835 \em{Vertex identifiers:} Since all vertices processed by the procedure
836 lie on the path from the root to the current vertex~$u$, we modify the algorithm
837 to keep a~stack of these vertices in an~array. We will often refer to each vertex by its
838 index in this array, i.e., by its depth. We will call these identifiers \df{vertex
839 labels} and we note that each label requires only $\ell=\lceil \log\lceil\log n\rceil\rceil$
840 bits. As every tree edge is uniquely identified by its bottom vertex, we can
841 use the same encoding for \df{edge labels.}
842
843 \em{Slots:} As we will need several operations which are not computable
844 in constant time on the RAM, we precompute tables for these operations
845 like we did in the Q-heaps (cf.~Lemma \ref{qhprecomp}). A~table for word-sized
846 arguments would take too much time to precompute, so we will generally store
847 our data structures in \df{slots} of $s=\lceil 1/3\cdot\log n\rceil$ bits each.
848 We will show soon that it is possible to precompute a~table of any reasonable
849 function whose arguments fit in two slots.
850
851 \em{Top masks:} The array~$T_e$ will be represented by a~bit mask~$M_e$ called the \df{top mask.} For each
852 of the possible tops~$t$ (i.e., the ancestors of the current vertex), we store
853 a~single bit telling whether $t\in T_e$. Each top mask fits in $\lceil\log n\rceil$
854 bits and therefore in a~single machine word. If needed, it can be split to three slots.
855 Unions and intersections of sets of tops then translate to calling $\band$/$\bor$
856 on the top masks.
857
858 \em{Small and big lists:} The heaviest edge found so far for each top is stored
859 by the algorithm in the array~$P_e$. Instead of keeping the real array,
860 we store the labels of these edges in a~list encoded in a~bit string.
861 Depending on the size of the list, we use one of two possible encodings:
862 \df{Small lists} are stored in a~vector which fits in a~single slot, with
863 the unused fields filled by a~special constant, so that we can easily infer the
864 length of the list.
865
866 If the data do not fit in a~small list, we use a~\df{big list} instead, which
867 is stored in $\O(\log\log n)$ words, each of them containing a~slot-sized
868 vector. Unlike the small lists, we use the big lists as arrays. If a~top~$t$ of
869 depth~$d$ is active, we keep the corresponding entry of~$P_e$ in the $d$-th
870 field of the big list. Otherwise, we keep that entry unused.
871
872 We want to perform all operations on small lists in constant time,
873 but we can afford spending time $\O(\log\log n)$ on every big list. This
874 is true because whenever we use a~big list, $\vert T_e\vert = \Omega(\log n/\log\log n)$,
875 hence we need $\log\vert T_e\vert = \Omega(\log\log n)$ comparisons anyway.
876
877 \em{Pointers:} When we need to construct a~small list containing a~sub-list
878 of a~big list, we do not have enough time to see the whole big list. To handle
879 this, we introduce \df{pointers} as another kind of edge identifiers.
880 A~pointer is an~index to the nearest big list on the path from the small
881 list containing the pointer to the root. As each big list has at most $\lceil\log n\rceil$
882 fields, the pointer fits in~$\ell$ bits, but we need one extra bit to distinguish
883 between normal labels and pointers.
884
885 \lemman{Precomputation of tables}
886 When~$f$ is a~function of two arguments computable in polynomial time, we can
887 precompute a~table of the values of~$f$ for all values of arguments that fit
888 in a~single slot. The precomputation takes $\O(n)$ time.
889
890 \proof
891 Similar to the proof of Lemma \ref{qhprecomp}. There are $\O(2^{2s}) = \O(n^{2/3})$
892 possible values of arguments, so the precomputation takes time $\O(n^{2/3}\cdot\poly(s))
893 = \O(n^{2/3}\cdot\poly(\log n)) = \O(n)$.
894 \qed
895
896 \example
897 As we can afford spending spending $\O(n)$ time on preprocessing,
898 we can assume that we can compute the following functions in constant time:
899
900 \itemize\ibull
901 \:$\<Weight>(x)$ --- the Hamming weight of a~slot-sized number~$x$
902 (we already considered this operation in Algorithm \ref{lsbmsb}, but we needed
903 quadratic word size for it). We can easily extend this to $\log n$-bit numbers
904 by splitting the number in three slots and adding their weights.
905
906 \:$\<FindKth>(x,k)$ --- the $k$-th set bit from the top of the slot-sized
907 number~$x$. Again, this can be extended to multi-slot numbers by calculating
908 the \<Weight> of each slot first and then finding the slot containing the
909 $k$-th~\1.
910
911 \:$\<Bits>(m)$ --- for a~slot-sized bit mask~$m$, it returns a~small list
912 of the positions of the bits set in~$\(m)$.
913
914 \:$\<Select>(x,m)$ --- constructs a~slot containing the substring of $\(x)$
915 selected by the bits set in~$\(m)$.
916
917 \:$\<SubList>(x,m)$ --- when~$x$ is a~small list and~$m$ a bit mask, it returns
918 a~small list containing the elements of~$x$ selected by the bits set in~$m$.
919 \endlist
920
921 \para
922 We will now show how to perform all parts of the procedure \<FindPeaks>
923 in the required time. We will denote the size of the tree by~$n$ and the
924 number of query paths by~$q$.
925
926 \lemma
927 Depths of all vertices and all top masks can be computed in time $\O(n+q)$.
928
929 \proof
930 Run depth-first search on the tree, assign the depth of a~vertex when entering
931 it and construct its top mask when leaving it. The top mask can be obtained
932 by $\bor$-ing the masks of its sons, excluding the level of the sons and
933 including the tops of all query paths that have their bottoms at the current vertex
934 (the depths of the tops are already assigned).
935 \qed
936
937 \lemma\id{verth}%
938 The arrays $T_e$ and~$P_e$ can be indexed in constant time.
939
940 \proof
941 Indexing~$T_e$ is exactly the operation \<FindKth> applied on the corresponding
942 top mask~$M_e$.
943
944 If $P_e$ is stored in a~big list, we calculate the index of the particular
945 slot and the position of the field inside the slot. This field can be then
946 extracted using bit masking and shifts.
947
948 If it is a~small list, we extract the field directly, but we have to
949 dereference it in case it is a pointer. We modify the recursion in \<FindPeaks>
950 to pass the depth of the lowest edge endowed with a~big list and when we
951 encounter a~pointer, we index this big list.
952 \qed
953
954 \lemma\id{verhe}%
955 For an~arbitrary active top~$t$, the corresponding entry of~$P_e$ can be
956 extracted in constant time.
957
958 \proof
959 We look up the precomputed depth~$d$ of~$t$ first.
960 If $P_e$ is stored in a~big list, we extract the $d$-th entry of the list.
961 If the list is small, we find the position of the particular field
962 by counting bits of the top mask~$M_e$ at position~$d$ and higher
963 (this is \<Weight> of $M_e$ with the lower bits masked out).
964 \qed
965
966 \lemma\id{verfh}%
967 The procedure \<FindPeaks> processes an~edge~$e$ in time $\O(\log \vert T_e\vert + q_e)$,
968 where $q_e$~is the number of query paths having~$e$ as its bottom edge.
969
970 \proof
971 The edge is examined in steps 1, 3, 4 and~5 of the algorithm. We will show how to
972 perform each of these steps in constant time if $P_e$ is a~small list or
973 $\O(\log\log n)$ if it is big.
974
975 \em{Step~1} looks up $q_e$~tops in~$P_e$ and we already know from Lemma \ref{verhe}
976 how to do that in constant time per top.
977
978 \em{Step~3} is trivial as we have already computed the top masks and we can
979 reconstruct the entries of~$T_e$ in constant time according to Lemma \ref{verth}.
980
981 \em{Step~5} involves binary search on~$P_e$ in $\O(\log\vert T_e\vert)$ comparisons,
982 each of them indexes~$P_e$, which is $\O(1)$ again by Lemma \ref{verth}. Rewriting the
983 lighter edges is $\O(1)$ for small lists by replication and bit masking, for a~big
984 list we do the same for each of its slots.
985
986 \em{Step~4} is the only non-trivial one. We already know which tops to select
987 (we have the top masks $M_e$ and~$M_p$ precomputed), but we have to carefully
988 extract the sublist.
989 We need to handle these four cases:
990
991 \itemize\ibull
992 \:\em{Small from small:} We use $\<Select>(T_e,T_p)$ to find the fields of~$P_p$
993 that shall be deleted by a~subsequent call to \<SubList>. Pointers
994 can be retained as they still refer to the same ancestor list.
995
996 \:\em{Big from big:} We can copy the whole~$P_p$, since the layout of the
997 big lists is fixed and the items we do not want simply end up as unused
998 fields in~$P_e$.
999
1000 \:\em{Small from big:} We use the operation \<Bits> to construct a~list
1001 of pointers (we use bit masking to add the ``this is a~pointer'' flags).
1002
1003 \:\em{Big from small:} First we have to dereference the pointers in the
1004 small list~$S$. For each slot~$B_i$ of the ancestor big list, we construct
1005 a~subvector of~$S$ containing only the pointers referring to that slot,
1006 adjusted to be relative to the beginning of the slot (we use \<Compare>
1007 and \<Replicate> from Algorithm \ref{vecops} and bit masking). Then we
1008 use a~precomputed table to replace the pointers by the fields of~$B_i$
1009 they point to. We $\bor$ together the partial results and we again have
1010 a~small list.
1011
1012 Finally, we have to spread the fields of this small list to the whole big list.
1013 This is similar: for each slot of the big list, we find the part of the small
1014 list keeping the fields we want (we call \<Weight> on the sub-words of~$M_e$ before
1015 and after the intended interval of depths) and we use a~tabulated function
1016 to shift the fields to the right locations in the slot (controlled by the
1017 sub-word of~$M_e$ in the intended interval).
1018 \qeditem
1019 \endlist
1020
1021 \>We are now ready to combine these steps and get the following theorem:
1022
1023 \thmn{Verification of MST on the RAM}\id{ramverify}%
1024 There is a~RAM algorithm, which for every weighted graph~$G$ and its spanning tree~$T$
1025 determines whether~$T$ is minimum and finds all $T$-light edges in~$G$ in time $\O(m)$.
1026
1027 \proof
1028 Implement the Koml\'os's algorithm from Theorem \ref{verify} with the data
1029 structures developed in this section.
1030 According to Lemma \ref{verfh}, it runs in time $\sum_e \O(\log\vert T_e\vert + q_e)
1031 = \O(\sum_e \log\vert T_e\vert) + \O(\sum_e q_e)$. The second sum is $\O(m)$
1032 as there are $\O(1)$ query paths per edge, the first sum is $\O(\#\hbox{comparisons})$,
1033 which is $\O(m)$ by Theorem \ref{verify}.
1034 \qed
1035
1036 \rem\id{pmverify}%
1037 Buchsbaum et al.~\cite{buchsbaum:verify} have recently shown that linear-time
1038 verification can be achieved even on the Pointer machine. They first solve the
1039 problem of finding the lowest common ancestors for a~set of pairs of vertices
1040 by batch processing: They combine an~algorithm of time complexity $\O(m\timesalpha(m,n))$
1041 based on the Union-Find data structure with the framework of topological graph
1042 computations developed in Section \ref{bucketsort}. Then they use a~similar
1043 technique for finding the peaks themselves.
1044
1045 \rem
1046 The online version of this problem (build a~data structure for a~weighted tree
1047 in linear time and then answer queries for individual paths in constant time)
1048 is still open even for the RAM.
1049
1050 %--------------------------------------------------------------------------------
1051
1052 \section{A~randomized algorithm}\id{randmst}%
1053
1054 When we analysed the contractive Bor\o{u}vka's algorithm in Section~\ref{contalg},
1055 we observed that while the number of vertices per iteration decreases exponentially,
1056 the number of edges generally does not, so we spend $\Theta(m)$ time on every phase.
1057 Karger, Klein and Tarjan \cite{karger:randomized} have overcome this problem by
1058 combining the Bor\o{u}vka's algorithm with filtering based on random sampling.
1059 This leads to a~randomized algorithm which runs in linear expected time.
1060
1061 The principle of the filtering is simple: Let us consider any spanning tree~$T$
1062 of the input graph~$G$. Each edge of~$G$ that is $T$-heavy is the heaviest edge
1063 of some cycle, so by the Red lemma (\ref{redlemma}) it cannot participate in
1064 the MST of~$G$. We can therefore discard all $T$-heavy edges and continue with
1065 finding the MST on the reduced graph. Of course, not all choices of~$T$ are equally
1066 good, but it will soon turn out that when we take~$T$ as the MST of a~randomly selected
1067 subgraph, only a~small expected number of edges remains.
1068
1069 Selecting a~subgraph at random will unavoidably produce disconnected subgraphs
1070 at occassion, so we will drop the implicit assumption that all graphs are
1071 connected for this section and we will always search for the minimum spanning forest.
1072 As we already noted (Remark \ref{disconn}), with a~little bit of care our
1073 algorithms and theorems keep working.
1074
1075 Since we need the MST verification algorithm for finding the $T$-heavy edges,
1076 we will assume that we are working on the RAM.
1077
1078 \lemman{Random sampling, Karger \cite{karger:sampling}}
1079 Let $H$~be a~subgraph of~$G$ obtained by including each edge independently
1080 with probability~$p$ and $F$~the minimum spanning forest of~$H$. Then the
1081 expected number of $F$-nonheavy edges in~$G$ is at most $n/p$.
1082
1083 \proof
1084 Let us observe that we can obtain the forest~$F$ by running the Kruskal's algorithm
1085 (\ref{kruskal}) combined with the random process producing~$H$ from~$G$. We sort all edges of~$G$
1086 by their weights and we start with an~empty forest~$F$. For each edge, we first
1087 flip a~biased coin (which gives heads with probability~$p$) and if it comes up
1088 tails, we discard the edge. Otherwise we perform a~single step of the Kruskal's
1089 algoritm: We check whether $F+e$ contains a~cycle. If it does, we discard~$e$, otherwise
1090 we add~$e$ to~$F$. At the end, we have produced the subgraph~$H$ and its MSF~$F$.
1091
1092 When we  exchange the check for cycles with flipping the coin, we get an~equivalent
1093 algorithm which will turn out to be more convenient to analyse:
1094 \algo
1095 \:If $F+e$ contains a~cycle, we immediately discard~$e$ (we can flip
1096 the coin, but we need not to, because the edge will be discarded regardless of
1097 the outcome). We note that~$e$ is $F$-heavy with respect to both the
1098 current state of~$F$ and the final MSF.
1099 \:If $F+e$ is acyclic, we flip the coin:
1100 \::If it comes up heads, we add~$e$ to~$F$. In this case, $e$~is neither $F$-light
1101    nor $F$-heavy.
1102 \::If it comes up tails, we discard~$e$. Such edges are $F$-light.
1103 \endalgo
1104
1105 The number of $F$-nonheavy edges is therefore equal to the total number of the coin
1106 flips in step~2 of this algorithm. We also know that the algorithm stops before
1107 it adds $n$~edges to~$F$. Therefore it flips at most as many coins as a~simple
1108 random process which repeatedly flips until it gets~$n$ heads. As waiting for
1109 every occurence of heads takes expected time~$1/p$, waiting for~$n$ heads
1110 must take $n/p$. This is the bound we wanted to achieve.
1111 \qed
1112
1113 \para
1114 We will formulate the algorithm as a~doubly-recursive procedure. It alternatively
1115 peforms steps of the Bor\o{u}vka's algorithm and filtering based on the above lemma.
1116 The first recursive call computes the MSF of the sampled subgraph, the second one
1117 finds the MSF of the graph without the heavy edges.
1118
1119 As in all contractive algorithms, we use edge labels to keep track of the
1120 original locations of the edges in the input graph. For the sake of simplicity,
1121 we do not mention it in the algorithm.
1122
1123 \algn{MSF by random sampling --- the KKT algorithm}\id{kkt}%
1124 \algo
1125 \algin A~graph $G$ with an~edge comparison oracle.
1126 \:Remove isolated vertices from~$G$. If no vertices remain, stop and return an~empty forest.
1127 \:Perform two Bor\o{u}vka steps (iterations of Algorithm \ref{contbor}) on~$G$ and
1128   remember the set~$B$ of edges contracted.
1129 \:Select subgraph~$H\subseteq G$ by including each edge independently with
1130   probability $1/2$.
1131 \:$F\=\msf(H)$ calculated recursively.
1132 \:Construct $G'\subseteq G$ by removing all $F$-heavy edges of~$G$.
1133 \:$R\=\msf(G')$ calculated recursively.
1134 \:Return $R\cup B$.
1135 \algout The minimum spanning forest of~$G$.
1136 \endalgo
1137
1138 \nota
1139 Let us analyse the time complexity of this algorithm by studying properties of its \df{recursion tree.}
1140 The tree describes the subproblems processed by the recursive calls. For any vertex~$v$
1141 of the tree, we denote the number of vertices and edges of the corresponding subproblem~$G_v$
1142 by~$n_v$ and~$m_v$ respectively.
1143 If $m_v>0$, the recursion continues: the left son of~$v$ corresponds to the
1144 call on the sampled subgraph~$H_v$, the right son to the reduced graph~$G^\prime_v$.
1145 (Similarly, we use letters subscripted with~$v$ for the state of the other variables
1146 of the algorithm.)
1147 The root of the recursion tree is obviously the original graph~$G$, the leaves are
1148 trivial graphs with no edges.
1149
1150 \obs
1151 The Bor\o{u}vka steps together with the removal of isolated vertices guarantee that the number
1152 of vertices drops at least by a~factor of four in every recursive call. The size of a~subproblem~$G_v$
1153 at level~$i$ is therefore at most $n/4^i$ and the depth of the tree is at most $\lceil\log_4 n\rceil$.
1154 As there are no more than~$2^i$ subproblems at level~$i$, the sum of all~$n_v$'s
1155 on that level is at most $n/2^i$, which is at most~$2n$ for the whole tree.
1156
1157 We are going to show that the worst case of the KKT algorithm is not worse than
1158 of the plain contractive algorithm, while the average case is linear.
1159
1160 \lemma
1161 For every subproblem~$G_v$, the KKT algorithm spends time $\O(m_v+n_v)$ plus the time
1162 spent on the recursive calls.
1163
1164 \proof
1165 We know from Lemma \ref{contiter} that each Bor\o{u}vka step takes time $\O(m_v+n_v)$.\foot{We
1166 add $n_v$ as the graph could be disconnected.}
1167 The selection of the edges of~$H_v$ is straightforward.
1168 Finding the $F_v$-heavy edges is not, but we have already shown in Theorem \ref{ramverify}
1169 that linear time is sufficient on the RAM.
1170 \qed
1171
1172 \thmn{Worst-case complexity of the KKT algorithm}
1173 The KKT algorithm runs in time $\O(\min(n^2,m\log n))$ in the worst case on the RAM.
1174
1175 \proof
1176 The argument for the $\O(n^2)$ bound is similar to the analysis of the plain
1177 contractive algorithm. As every subproblem~$G_v$ is a~simple graph, the number
1178 of its edges~$m_v$ is less than~$n_v^2$. By the previous lemma, we spend time
1179 $\O(n_v^2)$ on it. Summing over all subproblems yields $\sum_v \O(n_v^2) =
1180 \O((\sum_v n_v)^2) = \O(n^2)$.
1181
1182 In order to prove the $\O(m\log n)$ bound, it is sufficient to show that the total time
1183 spent on every level of the recursion tree is $\O(m)$. Suppose that $v$~is a~vertex
1184 of the recursion tree with its left son~$\ell$ and right son~$r$. Some edges of~$G_v$
1185 are removed in the Bor\o{u}vka steps, let us denote their number by~$b_v$.
1186 The remaining edges fall either to~$G_\ell = H_v$, or to $G_r = G^\prime_v$, or possibly
1187 to both.
1188
1189 We can observe that the intersection $G_\ell\cap G_r$ cannot be large: The edges of~$H_v$ that
1190 are not in the forest~$F_v$ are $F_v$-heavy, so they do not end up in~$G_r$. Therefore the
1191 intersection can contain only the edges of~$F_v$. As there are at most $n_v/4$ such edges,
1192 we have $m_\ell + m_r + b_v \le m_v + n_v/4$.
1193
1194 On the other hand, the first Bor\o{u}vka step selects at least $n_v/2$ edges,
1195 so $b_v \ge n_v/2$. The duplication of edges between $G_\ell$ and~$G_r$ is therefore
1196 compensated by the loss of edges by contraction and $m_\ell + m_r \le m_v$. So the total
1197 number of edges per level does not decrease and it remains to apply the previous lemma.
1198 \qed
1199
1200 \thmn{Average-case complexity of the KKT algorithm}
1201 The expected time complexity of the KKT algorithm on the RAM is $\O(m)$.
1202
1203 \proof
1204 The structure of the recursion tree depends on the random choices taken,
1205 but as its worst-case depth is at most~$\lceil \log_4 n\rceil$, the tree
1206 is always a~subtree of the complete binary tree of that depth. We will
1207 therefore prove the theorem by examining the complete tree, possibly with
1208 empty subproblems at some vertices.
1209
1210 The set of all left edges in the tree (edges connecting a~parent with its left
1211 son) form a~set of \df{left paths.} Let us consider the expected time spent on
1212 a~single left path. When walking the path downwards from its top vertex~$r$,
1213 the expected size of the subproblems decreases exponentially: for a~son~$\ell$
1214 of a~vertex~$v$, we have $n_\ell \le n_v/4$ and $\E m_\ell = \E m_v/2$. The
1215 expected total time spend on the path is therefore $\O(n_r+m_r)$ and it remains
1216 to sum this over all left paths.
1217
1218 With the exception of the path going from the root of the tree,
1219 the top~$r$ of a~left path is always a~right son of a~unique parent vertex~$v$.
1220 Since the subproblem~$G_r$ has been obtained from its parent subproblem~$G_v$
1221 by filtering out all heavy edges, we can use the Sampling lemma to show that
1222 $\E m_r \le 2n_v$. The sum of the expected sizes of all top subproblems is
1223 then $\sum_r n_r + m_r \le \sum_v 3n_v = \O(n)$. After adding the exceptional path
1224 from the root, we get $\O(m+n)=\O(m)$.
1225 \qed
1226
1227 \rem
1228 There is also a~high-probability version of the above theorem. According to
1229 Karger, Klein and Tarjan \cite{karger:randomized}, the time complexity
1230 of the algorithm is $\O(m)$ with probability $1-\exp(-\Omega(m))$. The proof
1231 again follows the recursion tree and it involves applying the Chernoff bound
1232 \cite{chernoff} to bound the tail probabilities.
1233
1234 \rem
1235 We could also use a~slightly different formulation of the sampling lemma
1236 suggested by Chan \cite{chan:backward}. It changes the selection of the subgraph~$H$
1237 to choosing an~$mp$-edge subset of~$E(G)$ uniformly at random. The proof is then
1238 a~straightforward application of the backward analysis method. We however prefered
1239 the Karger's original version, because generating a~random subset of a~given size
1240 requires an~unbounded number of random bits in the worst case.
1241
1242 \rem
1243 The only place where we needed the power of the RAM is finding the heavy edges,
1244 so we can employ the pointer-machine verification algorithm mentioned in Remark \ref{pmverify}
1245 to bring the results of this section to the~PM.
1246
1247 %--------------------------------------------------------------------------------
1248
1249 \section{Special cases and related problems}
1250
1251 Finally, we will focus our attention on various special cases of the minimum
1252 spanning tree problem which frequently arise in practice.
1253
1254 \examplen{Graphs with sorted edges}
1255 When the edges are already sorted by their weights, we can use the Kruskal's
1256 algorithm to find the MST in time $\O(m\timesalpha(n))$ (Theorem \ref{kruskal}).
1257 We however can do better: As the minimality of a~spanning tree depends only on the
1258 order of weights and not on the actual values (Theorem \ref{mstthm}), we can
1259 renumber the weights to $1, \ldots, m$ and find the MST using the Fredman-Willard
1260 algorithm for integer weights. According to Theorem \ref{intmst} it runs in
1261 time $\O(m)$ on the Word-RAM.
1262
1263 \examplen{Graphs with a~small number of distinct weights}
1264 When the weights of edges are drawn from a~set of a~fixed size~$U$, we can
1265 sort them in linear time and so reduce the problem to the previous case.
1266 A~more practical way is to use the Jarn\'\i{}k's algorithm (\ref{jarnimpl}),
1267 but replace the heap by an~array of $U$~buckets. As the number of buckets
1268 is constant, we can find the minimum in constant time and hence the whole
1269 algorithm runs in time $\O(m)$, even on the Pointer Machine. For large
1270 values of~$U,$ we can build a~binary search tree or the van Emde-Boas
1271 tree (see Section \ref{ramdssect} and \cite{boas:vebt}) on the top of the buckets to bring the complexity
1272 of finding the minimum down to $\O(\log U)$ or $\O(\log\log U)$ respectively.
1273
1274 \examplen{Graphs with floating-point weights}
1275 A~common case of non-integer weights are rational numbers in floating-point (FP)
1276 representation. Even in this case we will be able to find the MST in linear time.
1277 The most common representation of binary FP numbers specified by the IEEE
1278 standard 754-1985 \cite{ieee:binfp} has a~useful property:  When the
1279 bit strings encoding non-negative FP numbers are read as ordinary integers,
1280 the order of these integers is the same as of the original FP numbers. We can
1281 therefore once again replace the edge weights by integers and use the linear-time
1282 integer algorithm. While the other FP representations (see \cite{dgoldberg:fp} for
1283 an~overview) need not have this property, the corresponding integers can be adjusted
1284 in $\O(1)$ time to the format we need. (More advanced tricks of this type have been
1285 employed by Thorup in \cite{thorup:floatint} to extend his linear-time algorithm
1286 for single-source shortest paths to FP edge lengths.)
1287
1288 \examplen{Graphs with bounded degrees}
1289 For graphs with vertex degrees bounded by a~constant~$\Delta$, the problem is either
1290 trivial (if $\Delta<3$) or as hard as for arbitrary graphs. There is a~simple linear-time
1291 transform of arbitrary graphs to graphs with maximum degree~3 which preserves the MST:
1292
1293 \lemman{Degree reduction}\id{degred}%
1294 For every graph~$G$ there exists a~graph~$G'$ with maximum degree at most~3 and
1295 a~function $\pi: E(G)\rightarrow E(G')$ such that $\mst(G) = \pi^{-1}(\mst(G'))$.
1296 The graph $G'$ and the embedding~$\pi$ can be constructed in time $\O(m)$.
1297
1298 \figure{french.eps}{\epsfxsize}{Degree reduction in Lemma~\ref{degred}}
1299
1300 \proof
1301 We show how to eliminate a~single vertex~$v$ of degree $d>3$ and then apply
1302 induction.
1303
1304 Assume that $v$~has neighbors $w_1,\ldots,w_d$. We replace~$v$ and the edges~$vw_i$
1305 by $d$~new vertices $v_1,\ldots,v_d$, joined by a~path $v_1v_2\ldots v_d$, and
1306 edges~$v_iw_i$. Each edge of the path will receive a~weight smaller than all
1307 original weights, the other edges will inherit the weights of the edges $vw_i$
1308 they replace. The edges of the path will therefore lie in the MST (this is
1309 obvious from the Kruskal's algorithm) and as~$G$ can be obtained from the
1310 new~$G'$ by contracting the path, the rest follows from the Contraction lemma
1311 (\ref{contlemma}).
1312
1313 This step can be carried out in time $\O(d)$. As it replaces a high-degree
1314 vertex by vertices of degree~3, the whole procedure stops in at most~$n$ such
1315 steps, so it takes time $\O(\sum_{v\in V}\deg(v)) = \O(m)$ including the
1316 time needed to find the high-degree vertices at the beginning.
1317 \qed
1318
1319 \examplen{Euclidean MST}
1320 The MST also has its counterparts in the realm of geometric algorithms. Suppose
1321 that we have $n$~points $x_1,\ldots,x_n$ in the plane and we want to find the
1322 shortest system of segments connecting these points. If we want the segments to
1323 touch only in the given points, this is equivalent to finding the MST of the
1324 complete graph on the vertices $V=\{x_1,\ldots,x_n\}$ with edge weights
1325 defined as the Euclidean distances of the points. Since the graph is dense, many of the MST
1326 algorithms discussed run in linear time with the size of the graph, hence
1327 in time $\O(n^2)$.
1328
1329 There is a~more efficient method based on the observation that the MST
1330 is always a~subgraph of the Delaunay's tesselation for the given points
1331 (this was first noted by Shamos and Hoey in~\cite{shamos:closest}). The
1332 tesselation is a~planar graph, which guarantees that it has $\O(n)$ edges,
1333 and it is a~dual graph of the Voronoi diagram of the given points, which can
1334 be constructed in time $\O(n\log n)$ using for example the Fortune's
1335 algorithm \cite{fortune:voronoi}. We can therefore reduce the problem
1336 to finding the MST of the tesselation for which $\O(n\log n)$ time
1337 is more than sufficient.
1338
1339 This approach fails for non-Euclidean metrics, but in some cases
1340 (in particular for the rectilinear metric) the $\O(n\log n)$ time bound
1341 is also achievable by the algorithm of Zhou et al.~\cite{zhou:nodel}
1342 based on the sweep-line technique and the Red rule. For other
1343 variations on the geometric MST, see Eppstein's survey paper
1344 \cite{eppstein:spanning}.
1345
1346 \examplen{Steiner trees}
1347 The constraint that the segments in the previous example are allowed to touch
1348 each other only in the given points looks artificial and it is indeed uncommon in
1349 practical applications (including the problem of designing electrical transmission
1350 lines originally studied by Bor\o{u}vka). If we lift this restriction, we get
1351 the problem known by the name Steiner tree.\foot{It is named after the Swiss mathematician
1352 Jacob Steiner who studied a~special case of this problem in the 19th century.}
1353 We can also define it in terms of graphs:
1354
1355 \defn A~\df{Steiner tree} of a~weighted graph~$(G,w)$ with a~set~$M\subseteq V$
1356 of \df{mandatory notes} is a~tree~$T\subseteq G$ that contains all the mandatory
1357 vertices and its weight is minimum possible.
1358
1359 For $M=V$ the Steiner tree is identical to the MST, but if we allow an~arbitrary
1360 choice of the mandatory vertices, it is NP-hard. This has been proven by Garey and Johnson
1361 \cite{garey:steiner,garey:rectisteiner} for not only the graph version with
1362 weights $\{1,2\}$, but also for the planar version with Euclidean or rectilinear
1363 metric. There is a~polynomial approximation algorithm with ratio $5/3$ for
1364 graphs due to Pr\"omel and Steger \cite{proemel:steiner} and a~polynomial-time
1365 approximation scheme for the Euclidean Steiner tree in an~arbitrary dimension
1366 by Arora \cite{arora:tspapx}.
1367
1368 \examplen{Approximating the weight of the MST}
1369 Sometimes we are not interested in the actual edges forming the MST and only
1370 the weight matters. If we are willing to put up with a~randomized approximation,
1371 we can even achieve sub-linear complexity. Chazelle et al.~\cite{chazelle:mstapprox}
1372 have shown an~algorithm which, given $0 < \varepsilon < 1/2$, approximates
1373 the weight of the MST of a~graph with average degree~$d$ and edge weights from the set
1374 $\{1,\ldots,w\}$ in time $\O(dw\varepsilon^{-2}\cdot\log(dw/\varepsilon))$,
1375 producing a~weight which has relative error at most~$\varepsilon$ with probability
1376 at least $3/4$. They have also proven an~almost matching lower bound $\Omega(dw\varepsilon^{-2})$.
1377
1378 For the $d$-dimensional Euclidean case, there is a~randomized approximation
1379 algorithm by Czumaj et al.~\cite{czumaj:euclidean} which with high probability
1380 produces a~spanning tree within relative error~$\varepsilon$ in $\widetilde\O(\sqrt{n}\cdot \poly(1/\varepsilon))$\foot{%
1381 $\widetilde\O(f) = \O(f\cdot\log^{\O(1)} f)$ and $\poly(n)=n^{\O(1)}$.}
1382 queries to a~data structure containing the points. The data structure is expected
1383 to answer orthogonal range queries and cone approximate nearest neighbor queries.
1384 There is also a~$\widetilde\O(n\cdot \poly(1/\varepsilon))$ time approximation
1385 algorithm for the MST weight in arbitrary metric spaces by Czumaj and Sohler \cite{czumaj:metric}.
1386 (This is still sub-linear since the corresponding graph has roughly $n^2$ edges.)
1387
1388 \endpart