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Added the Epilogue.
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1 \ifx\endpart\undefined
2 \input macros.tex
3 \fi
4
5 \chapter{Applications}
6
7 \section{Special cases and related problems}
8
9 Towards the end of our story of the minimum spanning trees, we will now focus our attention
10 on various special cases of our problem and also to several related problems that
11 frequently arise in practice.
12
13 \paran{Graphs with sorted edges}\id{sortededges}%
14 When the edges of the given graph are already sorted by their weights, we can use the Kruskal's
15 algorithm to find the MST in time $\O(m\timesalpha(n))$ (Theorem \ref{kruskal}).
16 We however can do better: As the minimality of a~spanning tree depends only on the
17 order of weights and not on the actual values (The Minimality Theorem, \ref{mstthm}), we can
18 renumber the weights to $1, \ldots, m$ and find the MST using the Fredman-Willard
19 algorithm for integer weights. According to Theorem \ref{intmst} it runs in
20 time $\O(m)$ on the Word-RAM.
21
22 \paran{Graphs with a~small number of distinct weights}
23 When the weights of edges are drawn from a~set of a~fixed size~$U$, we can
24 sort them in linear time and so reduce the problem to the previous case.
25 A~more practical way is to use the Jarn\'\i{}k's algorithm (\ref{jarnimpl}),
26 but replace the heap by an~array of $U$~buckets. As the number of buckets
27 is constant, we can find the minimum in constant time and hence the whole
28 algorithm runs in time $\O(m)$, even on the Pointer Machine. For large
29 values of~$U,$ we can build a~binary search tree or the van Emde-Boas
30 tree (see Section \ref{ramdssect} and \cite{boas:vebt}) on the top of the buckets to bring the complexity
31 of finding the minimum down to $\O(\log U)$ or $\O(\log\log U)$ respectively.
32
33 \paran{Graphs with floating-point weights}
34 A~common case of non-integer weights are rational numbers in floating-point (FP)
35 representation. Even in this case we will be able to find the MST in linear time.
36 The most common representation of binary FP numbers specified by the IEEE
37 standard 754-1985 \cite{ieee:binfp} has a~useful property:  When the
38 bit strings encoding non-negative FP numbers are read as ordinary integers,
39 the order of these integers is the same as of the original FP numbers. We can
40 therefore once again replace the edge weights by integers and use the linear-time
41 integer algorithm. While the other FP representations (see \cite{dgoldberg:fp} for
42 an~overview) need not have this property, the corresponding integers can be adjusted
43 in $\O(1)$ time to the format we need. (More advanced tricks of this type have been
44 employed by Thorup in \cite{thorup:floatint} to extend his linear-time algorithm
45 for single-source shortest paths to FP edge lengths.)
46
47 \paran{Graphs with bounded degrees}
48 For graphs with vertex degrees bounded by a~constant~$\Delta$, the problem is either
49 trivial (if $\Delta<3$) or as hard as for arbitrary graphs. There is a~simple linear-time
50 transform of arbitrary graphs to graphs with maximum degree~3 which preserves the MST:
51
52 \lemman{Degree reduction}\id{degred}%
53 For every graph~$G$ there exists a~graph~$G'$ with maximum degree at most~3 and
54 a~function $\pi: E(G)\rightarrow E(G')$ such that $\mst(G) = \pi^{-1}(\mst(G'))$.
55 The graph $G'$ and the embedding~$\pi$ can be constructed in time $\O(m)$.
56
57 \figure{french.eps}{\epsfxsize}{Degree reduction in Lemma~\ref{degred}}
58
59 \proof
60 We show how to eliminate a~single vertex~$v$ of degree $d>3$ and then apply
61 induction.
62
63 Assume that $v$~has neighbors $w_1,\ldots,w_d$. We replace~$v$ and the edges~$vw_i$
64 by $d$~new vertices $v_1,\ldots,v_d$, joined by a~path $v_1v_2\ldots v_d$, and
65 edges~$v_iw_i$. Each edge of the path will receive a~weight smaller than all
66 original weights, the other edges will inherit the weights of the edges $vw_i$
67 they replace. The edges of the path will therefore lie in the MST (this is
68 obvious from the Kruskal's algorithm) and as~$G$ can be obtained from the
69 new~$G'$ by contracting the path, the rest follows from the Contraction lemma
70 (\ref{contlemma}).
71
72 This step can be carried out in time $\O(d)$. As it replaces a high-degree
73 vertex by vertices of degree~3, the whole procedure stops in at most~$n$ such
74 steps, so it takes time $\O(\sum_{v\in V}\deg(v)) = \O(m)$ including the
75 time needed to find the high-degree vertices at the beginning.
76 \qed
77
78 \paran{Euclidean MST}
79 The MST also has its counterparts in the realm of geometric algorithms. Suppose
80 that we have $n$~points $x_1,\ldots,x_n$ in the plane and we want to find the
81 shortest system of segments connecting these points. If we want the segments to
82 touch only in the given points, this is equivalent to finding the MST of the
83 complete graph on the vertices $V=\{x_1,\ldots,x_n\}$ with edge weights
84 defined as the Euclidean distances of the points. Since the graph is dense, many of the MST
85 algorithms discussed run in linear time with the size of the graph, hence
86 in time $\O(n^2)$.
87
88 There is a~more efficient method based on the observation that the MST
89 is always a~subgraph of the Delaunay's tesselation for the given points
90 (this was first noted by Shamos and Hoey in~\cite{shamos:closest}). The
91 tesselation is a~planar graph, which guarantees that it has $\O(n)$ edges,
92 and it is a~dual graph of the Voronoi diagram of the given points, which can
93 be constructed in time $\O(n\log n)$ using for example the Fortune's
94 algorithm \cite{fortune:voronoi}. We can therefore reduce the problem
95 to finding the MST of the tesselation for which $\O(n\log n)$ time
96 is more than sufficient.
97
98 This approach fails for non-Euclidean metrics, but in some cases
99 (in particular for the rectilinear metric) the $\O(n\log n)$ time bound
100 is also achievable by the algorithm of Zhou et al.~\cite{zhou:nodel}
101 based on the sweep-line technique and the Red rule. For other
102 variations on the geometric MST, see Eppstein's survey paper
103 \cite{eppstein:spanning}.
104
105 \paran{Steiner trees}
106 The constraint that the segments in the previous example are allowed to touch
107 each other only in the given points looks artificial and it is indeed uncommon in
108 practical applications (including the problem of designing electrical transmission
109 lines originally studied by Bor\o{u}vka). If we lift this restriction, we get
110 the problem known by the name Steiner tree.\foot{It is named after the Swiss mathematician
111 Jacob Steiner who studied a~special case of this problem in the 19th century.}
112 We can also define it in terms of graphs:
113
114 \defn A~\df{Steiner tree} of a~weighted graph~$(G,w)$ with a~set~$M\subseteq V$
115 of \df{mandatory notes} is a~tree~$T\subseteq G$ that contains all the mandatory
116 vertices and its weight is minimum possible.
117
118 For $M=V$ the Steiner tree is identical to the MST, but if we allow an~arbitrary
119 choice of the mandatory vertices, it is NP-hard. This has been proven by Garey and Johnson
120 \cite{garey:steiner,garey:rectisteiner} for not only the graph version with
121 weights $\{1,2\}$, but also for the planar version with Euclidean or rectilinear
122 metric. There is a~polynomial approximation algorithm with ratio $5/3$ for
123 graphs due to Pr\"omel and Steger \cite{proemel:steiner} and a~polynomial-time
124 approximation scheme for the Euclidean Steiner tree in an~arbitrary dimension
125 by Arora \cite{arora:tspapx}.
126
127 \paran{Approximating the weight of the MST}
128 Sometimes we are not interested in the actual edges forming the MST and only
129 the weight matters. If we are willing to put up with a~randomized approximation,
130 we can even achieve sub-linear complexity. Chazelle et al.~\cite{chazelle:mstapprox}
131 have shown an~algorithm which, given $0 < \varepsilon < 1/2$, approximates
132 the weight of the MST of a~graph with average degree~$d$ and edge weights from the set
133 $\{1,\ldots,w\}$ in time $\O(dw\varepsilon^{-2}\cdot\log(dw/\varepsilon))$,
134 producing a~weight which has relative error at most~$\varepsilon$ with probability
135 at least $3/4$. They have also proven an~almost matching lower bound $\Omega(dw\varepsilon^{-2})$.
136
137 For the $d$-dimensional Euclidean case, there is a~randomized approximation
138 algorithm by Czumaj et al.~\cite{czumaj:euclidean} which with high probability
139 produces a~spanning tree within relative error~$\varepsilon$ in $\widetilde\O(\sqrt{n}\cdot \poly(1/\varepsilon))$\foot{%
140 $\widetilde\O(f) = \O(f\cdot\log^{\O(1)} f)$ and $\poly(n)=n^{\O(1)}$.}
141 queries to a~data structure containing the points. The data structure is expected
142 to answer orthogonal range queries and cone approximate nearest neighbor queries.
143 There is also a~$\widetilde\O(n\cdot \poly(1/\varepsilon))$ time approximation
144 algorithm for the MST weight in arbitrary metric spaces by Czumaj and Sohler \cite{czumaj:metric}.
145 (This is still sub-linear since the corresponding graph has roughly $n^2$ edges.)
146
147 %--------------------------------------------------------------------------------
148
149 \section{Practical algorithms}
150
151 So far, we were studying the theoretical aspects of the MST algorithms.
152 How should we find the MST on a~real computer?
153
154 Moret and Shapiro \cite{moret:expmst} have conducted an~extensive experimental
155 study of performance of implementations of various MST algorithms on different
156 computers. They have tested the algorithms on several sets of graphs, varying
157 in the number of vertices (up to millions) and edge density (from constant to
158 $n^{1/2}$. In almost all tests, the quickest algorithm was an~ordinary Prim's
159 implemented with pairing heaps \cite{fredman:pairingheap}. The pairing heaps
160 are known to perform surprisingly well in practice, but they still elude attempts
161 at complete theoretical analysis. So far the best results are those of Pettie
162 \cite{pettie:pairing}, who has proven that deletion of the minimum takes $\O(\log n)$
163 time and all other operations $\O(2^{2\scriptscriptstyle\sqrt{\log\log n}})$; both bounds are amortized.
164
165 The Moret's study however completely misses variants of the Bor\o{u}vka's algorithm
166 and many of those have very promising characteristics, especially for planar graphs
167 and minor-closed classes.
168
169 Also, Katriel et al.~\cite{katriel:cycle} have proposed a~new algorithm based on~the
170 Red rule. It is a~randomized algorithm which uses a~simplified form of the idea of edge
171 filtering from the algorithm of Karger, Klein and Tarjan (see Section \ref{randmst}).
172 The expected time complexity is slightly worse: $\O(n\log n + m)$. However, for dense
173 graphs it performs very well in practice, even in comparison with the Moret's results.
174
175 \paran{Parallel algorithms}
176 Most of the early parallel algorithms for the MST are variants of the Bor\o{u}vka's algorithm.
177 The operations on the individual trees are independent of each other, so they can run in parallel.
178 There are $\O(\log n)$ steps and each of them can be executed in $\O(\log n)$ parallel time using
179 standard PRAM techniques (see \cite{jaja:parallel} for the description of the model).
180
181 Several better algorithms have been constructed, the best of which run in time $\O(\log n)$.
182 Chong, Han and Lam \cite{chong:parallel} have recently discovered an~algorithm that achieves
183 this time complexity even on the EREW PRAM --- the weakest of the parallel RAM's which does
184 not allow concurrent reading nor writing to the same memory cell by multiple processors.
185 In this model, the $\O(\log n)$ bound is clearly the best possible.
186
187 As in the sequential models, the basic question still remains open: Is it
188 possible to compute the MST in parallel on EREW PRAM, spending only linear
189 work? This would of course imply existence of a~linear-time sequential
190 algorithm, so none of the known parallel algorithms achieve that. Algorithms
191 with linear work can be obtained by utilizing randomness, as shown for example
192 by Pettie and Ramachandran \cite{pettie:minirand}, but so far only at the
193 expense of higher time complexity.
194
195 \endpart