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Fixes to ET-trees.
[saga.git] / dyn.tex
1 \ifx\endpart\undefined
2 \input macros.tex
3 \fi
4
5 \chapter{Dynamic Spanning Trees}\id{dynchap}%
6
7 \section{Dynamic graph algorithms}
8
9 In many applications, we often need to solve a~certain graph problem for a~sequence of graphs that
10 differ only a~little, so recomputing the solution for every graph from scratch would be a~waste of
11 time. In such cases, we usually turn our attention to \df{dynamic graph algorithms.} A~dynamic
12 algorithm is in fact a~data structure that remembers a~graph. It offers operations that modify the
13 structure of the graph and also operations that query the result of the problem for the current
14 state of the graph. A~typical example of a~problem of this kind is dynamic maintenance of connected
15 components:
16
17 \problemn{Dynamic connectivity}
18 Maintain an~undirected graph under a~sequence of the following operations:
19 \itemize\ibull
20 \:$\<Init>(n)$ --- Create a~graph with $n$~isolated vertices $\{1,\ldots,n\}$.\foot{%
21 The structure could support dynamic addition and removal of vertices, too,
22 but this is easy to add and infrequently used, so we will rather keep the set
23 of vertices fixed for clarity.}
24 \:$\<Insert>(G,u,v)$ --- Insert an~edge $uv$ to~$G$ and return its unique
25 identifier. This assumes that the edge did not exist yet.
26 \:$\<Delete>(G,e)$ --- Delete an~edge specified by its identifier from~$G$.
27 \:$\<Connected>(G,u,v)$ --- Test if vertices $u$ and~$v$ are in the same connected component of~$G$.
28 \endlist
29
30 \para
31 We have already encountered a~special case of dynamic connectivity when implementing the
32 Kruskal's algorithm in Section \ref{classalg}. At that time, we did not need to delete
33 any edges from the graph, which makes the problem substantially easier. This special
34 case is customarily called an~\df{incremental} or \df{semidynamic} graph algorithm.
35 We mentioned the Disjoint Set Union data structure of Tarjan and van Leeuwen (Theorem \ref{dfu})
36 which can be used for that: Connected components are represented by equivalence classes.
37 Queries on connectedness translate to \<Find>, edge insertions to \<Find>
38 followed by \<Union> if the new edge joins two different components. This way,
39 a~sequence of $m$~operations starting with an~empty graph on $n$~vertices is
40 processed in time $\O(n+m\timesalpha(m,n))$ and this holds even for the Pointer
41 Machine. Fredman and Saks \cite{fredman:cellprobe} have proven a~matching lower
42 bound in the cell-probe model which is stronger than RAM with $\O(\log n)$-bit
43 words.
44
45 In this chapter, we will focus on the dynamic version of the minimum spanning forest.
46 This problem seems to be intimately related to the dynamic connectivity. Indeed, all known
47 algorithms for dynamic connectivity maintain some sort of a~spanning forest. For example, in the
48 incremental algorithm we have just mentioned, this forest is formed by the edges that have
49 triggered the \<Union>s. This suggests that a~dynamic MSF algorithm could be obtained by modifying
50 the mechanism to keep the forest minimum. This will indeed turn out to be true, although we cannot
51 be sure that it will lead to the most efficient solution possible --- as of now, the known lower
52 bounds are very far.
53
54 Incremental MST will be easy to achieve even in the few pages of this section, but making it fully
55 dynamic will require more effort, so we will review some of the required building blocks before
56 going into that.
57
58 We however have to answer one important question first: What should be the output of
59 our MSF data structure? Adding an~operation that would return the MSF of the current
60 graph is of course possible, but somewhat impractical as this operation has to
61 spend $\Omega(n)$ time on the mere writing of its output. A~better way seems to
62 be making the \<Insert> and \<Delete> operations report the list of modifications
63 of the MSF implied by the change in the graph.
64
65 Let us see what happens when we \<Insert> an~edge~$e$ to a~graph~$G$ with its minimum spanning
66 forest~$F$, obtaining a~new graph~$G'$ with its MSF~$F'$. If $e$~connects two components of~$G$ (and
67 therefore also of~$F$), we have to add~$e$ to~$F$. Otherwise, one of the following cases happens:
68 Either $e$~is $F$-heavy and so the forest~$F$ is also the MSF of the new graph. Or it is $F$-light
69 and we have to modify~$F$ by exchanging the heaviest edge~$f$ of the path $F[e]$ with~$e$.
70
71 Correctness of the former case follows immediately from the Theorem on Minimality by order
72 (\ref{mstthm}), because any $F'$-light would be also $F$-light, which is impossible as $F$~was
73 minimum. In the latter case, the edge~$f$ is not contained in~$F'$ because it is the heaviest
74 on the cycle $F[e]+e$ (by the Red lemma, \ref{redlemma}). We can now use the Blue lemma
75 (\ref{bluelemma}) to prove that it should be replaced with~$e$. Consider the tree~$T$
76 of~$F$ that contains both endpoints of the edge~$e$. When we remove~$f$ from~$F$, this tree falls
77 apart to two components $T_1$ and~$T_2$. The edge~$f$ was the lightest in the cut~$\delta_G(T_1)$
78 and $e$~is lighter than~$f$, so $e$~is the lightest in~$\delta_{G'}(T_1)$ and hence $e\in F'$.
79
80 A~\<Delete> of an~edge that is not contained in~$F$ does not change~$F$. When we delete
81 an~MSF edge, we have to reconnect~$F$ by choosing the lightest edge of the cut separating
82 the new components (again the Blue lemma in action). If there is no such
83 replacement edge, we have deleted a~bridge, so the MSF has to remain
84 disconnected.
85
86 The idea of reporting differences in the MSF indeed works very well. We can summarize
87 what we have shown in the following lemma and use it to define the dynamic MSF.
88
89 \lemma
90 An~\<Insert> or \<Delete> of an~edge in~$G$ causes at most one edge addition, edge
91 removal or edge exchange in $\msf(G)$.
92
93 \problemn{Dynamic minimum spanning forest}
94 Maintain an~undirected graph with distinct weights on edges (drawn from a~totally ordered set)
95 and its minimum spanning forest under a~sequence of the following operations:
96 \itemize\ibull
97 \:$\<Init>(n)$ --- Create a~graph with $n$~isolated vertices $\{1,\ldots,n\}$.
98 \:$\<Insert>(G,u,v)$ --- Insert an~edge $uv$ to~$G$. Return its unique
99         identifier and the list of additions and deletions of edges in $\msf(G)$.
100 \:$\<Delete>(G,e)$ --- Delete an~edge specified by its identifier from~$G$.
101         Return the list of additions and deletions of edges in $\msf(G)$.
102 \endlist
103
104 \paran{Incremental MSF}%
105 To obtain an~incremental MSF algorithm, we need to keep the forest in a~data structure that
106 supports search for the heaviest edge on the path connecting a~given pair
107 of vertices. This can be handled efficiently by the Link-Cut trees of Sleator and Tarjan:
108
109 \thmn{Link-Cut Trees, Sleator and Tarjan \cite{sleator:trees}}\id{sletar}%
110 There is a~data structure that represents a~forest of rooted trees on~$n$ vertices.
111 Each edge of the forest has a~weight drawn from a~totally ordered set. The structure
112 supports the following operations in time $\O(\log n)$ amortized:\foot{%
113 The Link-Cut trees can offer a~plethora of other operations, but we do not mention them
114 as they are not needed in our application.}
115 \itemize\ibull
116 \:$\<Parent>(v)$ --- Return the parent of~$v$ in its tree or \<null> if $v$~is a~root.
117 \:$\<Root>(v)$ --- Return the root of the tree containing~$v$.
118 \:$\<Weight>(v)$ --- Return the weight of the edge $(\<Parent(v)>,v)$.
119 \:$\<PathMax>(v)$ --- Return the vertex~$w$ closest to $\<Root>(v)$ such that the edge
120         $(\<Parent>(w),w)$ is the heaviest of those on the path from the root to~$v$.
121         If more edges have the maximum weight, break the tie arbitrarily.
122         If there is no such edge ($v$~is the root itself), return \<null>.
123 \:$\<Link>(u,v,x)$ --- Connect the trees containing $u$ and~$v$ by an~edge $(u,v)$ of
124         weight~$x$. Assumes that $v~$is a tree root and $u$~lies in a~different tree.
125 \:$\<Cut>(v)$ --- Split the tree containing the non-root vertex $v$ to two trees by
126         removing the edge $(\<Parent>(v),v)$. Returns the weight of this edge.
127 \:$\<Evert>(v)$ --- Modify the orientations of edges to make~$v$ the root of its tree.
128 \endlist
129
130 %% \>Additionally, all edges on the path from~$v$ to $\<Root>(v)$ can be enumerated in
131 %% time $\O(\ell + \log n)$, where $\ell$~is the length of that path. This operation
132 %% (and also the path itself) is called $\<Path>(v)$.
133 %% 
134 %% \>If the weights are real numbers (or in general an~arbitrary group), the $\O(\log n)$
135 %% operations also include:
136 %% 
137 %% \itemize\ibull
138 %% \:$\<PathWeight>(v)$ --- Return the sum of the weights on $\<Path>(v)$.
139 %% \:$\<PathUpdate>(v,x)$ --- Add~$x$ to the weights of all edges on $\<Path>(v)$.
140 %% \endlist
141
142 \proof
143 See \cite{sleator:trees}.
144 \qed
145
146 Once we have this structure, we can turn our ideas on updating of the MSF to
147 an~incremental algorithm:
148
149 \algn{\<Insert> in an~incremental MSF}
150 \algo
151 \algin A~graph~$G$ with its MSF $F$ represented as a~Link-Cut forest, an~edge~$uv$
152 with weight~$w$ to be inserted.
153 \:$\<Evert>(u)$. \cmt{$u$~is now the root of its tree.}
154 \:If $\<Root>(v) \ne u$: \cmt{$u$~and~$v$ lie in different trees.}
155 \::$\<Link>(v,u,w)$. \cmt{Connect the trees.}
156 \::Return ``$uv$ added''.
157 \:Otherwise: \cmt{both are in the same tree}
158 \::$y\=\<PathMax>(v)$.
159 \::$x\=\<Parent>(y)$.  \cmt{Edge~$xy$ is the heaviest on $F[uv]$.}
160 \::If $\<Weight>(y) > w$: \cmt{We have to exchange~$xy$ with~$uv$.}
161 \:::$\<Cut>(y)$, $\<Evert>(v)$, $\<Link>(u,v,w)$.
162 \:::Return ``$uv$~added, $xy$~removed''.
163 \::Otherwise return ``no changes''.
164 \algout The list of changes in~$F$.
165 \endalgo
166
167 \thmn{Incremental MSF}
168 When only edge insertions are allowed, the dynamic MSF can be maintained in time $\O(\log n)$
169 amortized per operation.
170
171 \proof
172 Every \<Insert> performs $\O(1)$ operations on the Link-Cut forest, which take
173 $\O(\log n)$ each by Theorem \ref{sletar}.
174 \qed
175
176 \rem
177 We can easily extend the semidynamic MSF algorithm to allow an~operation commonly called
178 \<Backtrack> --- removal of the most recently inserted edge. It is sufficient to keep the
179 history of all MSF changes in a~stack and reverse the most recent change upon backtrack.
180
181 What are the obstacles to making the structure fully dynamic?
182 Deletion of edges that do not belong to the MSF is trivial (we do not
183 need to change anything) and so is deletion of bridges (we just remove the bridge
184 from the Link-Cut tree, knowing that there is no edge to replace it). The hard part
185 is the search for replacement edges after an~edge belonging to the MSF is deleted.
186
187 This very problem also has to be solved by algorithms for fully dynamic connectivity,
188 we will take a~look on them first.
189
190 %--------------------------------------------------------------------------------
191
192 \section{Eulerian Tour trees}
193
194 An~important stop on the road to fully dynamic algorithms has the name \df{Eulerian Tour trees} or
195 simply \df{ET-trees}. It is a~representation of forests introduced by Henzinger and King
196 \cite{henzinger:randdyn} in their randomized dynamic algorithms. It is similar to the Link-Cut
197 trees, but it is much simpler and instead of path operations it offers efficient operations on
198 subtrees. It is also possible to attach auxiliary data to vertices and edges of the original tree.
199
200 \defn\id{eulseq}%
201 Let~$T$ be a~rooted tree. We will call a~sequence of vertices of~$T$ its \df{Eulerian Tour sequence (ET-sequence)}
202 if it lists the vertices visited by the depth-first traversal of~$T$.
203 More precisely, it can be generated by the following procedure $\<ET>(v)$
204 when it is invoked on the root of the tree:
205 \algo
206 \:Record~$v$ in the sequence.
207 \:For each son~$w$ of~$v$:
208 \::Call $\<ET>(w)$.
209 \::Record~$w$.
210 \endalgo
211 \>A~single tree can have multiple ET-sequences, corresponding to different orders in which the
212 sons can be enumerated in step~2.
213
214 In every ET-tree, one of the occurrences of each vertex is defined as its \df{active occurrence} and
215 it will be used to store auxiliary data associated with that vertex.
216
217 \obs
218 An~ET-sequence contains a~vertex of degree~$d$ exactly $d$~times except for the root which
219 occurs $d+1$ times. The whole sequence therefore contains $2n-1$ elements. It indeed describes the
220 order vertices on an~Eulerian tour in the tree with all edges doubled. Let us observe what happens
221 to an~ET-sequence when we modify the tree.
222
223 When we \em{delete} an~edge $uv$ from the tree~$T$ (let $u$~be the parent of~$v$), the sequence
224 $AuvBvuC$ (with no~$u$ nor~$v$ in~$B$) splits to two sequences $AuC$ and $vBv$.
225 If there was only a~single occurrence of~$v$, then $v$~was a~leaf and thus the sequence
226 transforms from $AuvuC$ to $AuC$ and $v$~alone.
227
228 \em{Changing the root} of the tree~$T$ from~$v$ to~$w$ changes the sequence from $vAwBwCv$ to $wBwCvAw$.
229 If $w$~was a~leaf, the sequence changes from $vAwCv$ to $wCvAw$. If $vw$ was the only edge of~$T$,
230 the sequence $vw$ becomes $wv$. Note that this works regardless of the possible presence of~$w$ inside~$B$.
231
232 \em{Joining} the roots of two trees by a~new edge makes their ET-sequences $vAv$ and~$wBw$
233 combine to $vAvwBwv$. Again, we have to handle the cases when $v$ or~$w$ has degree~1 separately:
234 $v$~and~$wBw$ combine to $vwBwv$, and $v$~with~$w$ makes $vwv$.
235
236 \float{\valign{\vfil#\vfil\cr
237 \hbox{\epsfbox{pic/ettree.eps}}\cr
238 \noalign{\qquad\quad}
239   \halign{#\hfil\cr
240     $T_1: 0121034546474308980$,~~$T_2: aba$. \cr
241     $T_1-34: 01210308980, 4546474$. \cr
242     $T_1\hbox{~rooted at~3}: 3454647430898012103$. \cr
243     $T_1+0a+T_2$: $0121034546474308980aba0$. \cr
244   }\cr
245 }}{Trees and their ET-sequences}
246
247 If any of the occurrences that we have removed from the sequence was active, there is always
248 a~new occurrence of the same vertex that can stand in its place and inherit the auxiliary data.
249
250 The ET-trees will store the ET-sequences as $(a,b)$-trees with the parameter~$a$ set upon
251 initialization of the structure and with $b=2a$. We know from the standard theorems of $(a,b)$-trees
252 (see for example \cite{clrs}) that the depth of a~tree with $n$~leaves is always $\O(\log_a n)$
253 and that all basic operations including insertion, deletion, search, splitting and joining the trees
254 run in time $\O(b\log_a n)$ in the worst case.
255
256 We will use the ET-trees to maintain a~spanning forest of the dynamic graph. The auxiliary data of
257 each vertex will hold a~list of edges incident with the given vertex, that do not lie in the
258 forest. Such edges are usually called the \df{non-tree edges.}
259
260 \defn
261 \df{Eulerian Tour trees (ET-trees)} are a~data structure that represents a~forest of trees and a~set of non-tree
262 edges associated with the vertices of the forest. To avoid confusion, we will distinguish between
263 \df{original} vertices and edges (of the given trees) and the vertices and edges of the
264 data structure. The structure consists of:
265 \itemize\ibull
266 \:A~collection of $(a,b)$-trees of some fixed parameters $a$ and~$b$.
267         Each such tree corresponds to one of the original trees~$T$. Its
268         leaves (in the usual tree order) correspond to the elements
269         of an~ET-sequence for~$T$. Each two consecutive leaves $u$ and~$v$ are separated
270         by a~unique key stored in an~internal vertex of the $(a,b)$-tree. This key is used to represent
271         the original edge~$uv$. Each original edge is therefore kept in both its orientations.
272 \:Mappings \<act>, \<edge> and \<twin>:
273         \itemize\icirc
274                 \:$\<act>(v)$ maps each original vertex to the leaf containing its active occurrence;
275                 \:$\<edge>(e)$ of an~original edge~$e$ is one of the internal keys representing~it;
276                 \:$\<twin>(k)$ pairs an~internal key~$k$ with the other internal key of the same original edge.
277         \endlist
278 \:A~list of non-tree edges placed in each leaf. The lists are allowed to be non-empty only
279         in the leaves that represent active occurrences of original vertices.
280 \:Boolean \df{markers} in the internal vertices that signal presence of a~non-tree
281         edge anywhere in the subtree rooted at the internal vertex.
282 \:Counters $\<leaves>(v)$ that contain the number of leaves in the subtree rooted at~$v$.
283 \endlist
284
285 \defn
286 The ET-trees support the following operations on the original trees:
287 \itemize\ibull
288 \:\<Create> --- Create a~single-vertex tree.
289 \:$\<Link>(u,v)$ --- Join two different trees by an~edge~$uv$ and return a~unique identifier
290         of this edge.
291 \:$\<Cut>(e)$ --- Split a~tree by removing the edge~$e$ given by its identifier.
292 \:$\<Connected>(u,v)$ --- Test if the vertices $u$ and~$v$ lie in the same tree.
293 \:$\<Size>(v)$ --- Return the number of vertices in the tree containing the vertex~$v$.
294 \:$\<InsertNontree>(v,e)$ --- Add a~non-tree edge~$e$ to the list at~$v$ and return a~unique
295         identifier of this edge.
296 \:$\<DeleteNontree>(e)$ --- Delete a~non-tree edge~$e$ given by its identifier.
297 \:$\<ScanNontree>(v)$ --- Return a~list of non-tree edges associated with the vertices
298         of the $v$'s tree.
299 \endlist
300
301 \impl
302 We will implement the operations on the ET-trees by translating the intended changes of the
303 ET-sequences to operations on the $(a,b)$-trees. The role of identifiers of the original vertices
304 and edges will be of course played by pointers to the respective leaves and internal keys of
305 the $(a,b)$-trees.
306
307 \<Cut> of an~edge splits the $(a,b)$-tree at both internal keys representing the given edge
308 and joins them back in the different order.
309
310 \<Link> of two trees can be accomplished by making both vertices the roots of their trees first
311 and joining the roots by an~edge afterwards. Re-rooting involves splits and joins of $(a,b)$-trees.
312 As we can split at any occurrence of the new root vertex, we will use the active occurrence
313 which we remember. Linking of the roots is translated to joining of the $(a,b)$-trees.
314
315 \<Connected> follows parent pointers from both $u$ and~$v$ to the roots of their trees.
316 Then it checks if the roots are equal.
317
318 \<Size> finds the root and returns its counter.
319
320 \<InsertNontree> finds the leaf $\<act>(v)$ containing the list of $v$'s non-tree edges
321 and inserts the new edge there. The returned identifier will consist from the pointer to
322 the edge and the vertex in whose list it is stored. Then we have to recalculate the markers
323 on the path from $\<act>(v)$ to the root. \<DeleteNontree> is analogous.
324
325 Whenever any other operation changes a~vertex of the tree, it will also update its marker and
326 counter and, if necessary, the markers and counters on the path to the root.
327
328 \<ScanNontree> traverses the tree recursively from the root, but it does not enter the
329 subtrees whose roots are not marked.
330
331 Analysis of time complexity of the operations is now straightforward:
332
333 \thmn{Eulerian Tour trees, Henzinger and Rauch \cite{henzinger:randdyn}}\id{etthm}%
334 The ET-trees perform the operations \<Link> and \<Cut> in time $\O(a\log_a n)$, \<Create>
335 in $\O(1)$, \<Connected>, \<Size>, \<InsertNontree>, and \<DeleteNontree> in $\O(\log_a n)$, and
336 \<ScanNontree> in $\O(a\log_a n)$ per edge reported. Here $n$~is the number of vertices
337 in the original forest and $a\ge 2$ is an~arbitrary constant.
338
339 \proof
340 We set $b=2a$. Our implementation performs $\O(1)$ operations on the $(a,b)$-trees
341 per operation on the ET-tree, plus $\O(1)$ other work. We apply the standard theorems
342 on the complexity of $(a,b)$-trees \cite{clrs}.
343 \qed
344
345 \examplen{Connectivity acceleration}\id{accel}%
346 In most cases, the ET-trees are used with $a$~constant, but sometimes choosing~$a$ as a~function
347 of~$n$ can also have its beauty. Suppose that there is a~data structure which maintains an~arbitrary
348 spanning forest of a~dynamic graph. Suppose also that the structure works in time $\O(\log^k n)$
349 per operation and that it reports $\O(1)$ changes in the spanning forest for every change
350 in the graph. If we keep the spanning forest in ET-trees with $a=\log n$, the updates of the
351 data structure cost an~additional $\O(\log^2 n / \log\log n)$, but connectivity queries accelerate to $\O(\log
352 n/\log\log n)$.
353
354 \paran{ET-trees with weights}
355 In some cases, we will also need a~representation of weighted graphs and enumerate the non-tree
356 edges in order of their increasing weights (in fact, it will be sufficient to find the
357 lightest one, remove it and iterate). This can be handled by a~minute modification of the
358 ET-trees.
359
360 The tree edges will remember their weight in the corresponding internal keys of the ET-tree.
361 We replace each list of non-tree edges by an~$(a,b)$-tree keeping the edges sorted by weight.
362 We also store the minimum element of that tree separately, so that it can be accessed in constant
363 time. The boolean \em{marker} will then become the minimum weight of a~non-tree edge attached to the
364 particular subtree, which can be recalculated as easy as the markers can. Searching for the
365 lightest non-tree edge then just follows the modified markers.
366
367 The time complexities of all operations therefore remain the same, with a~possible
368 exception of the operations on non-tree edges, to which we have added the burden of
369 updating the new $(a,b)$-trees. This however consists of $\O(1)$ updates per a~single
370 call to \<InsertNontree> or \<DeleteNontree>, which takes $\O(a\log_a n)$ time only.
371 We can therefore conclude:
372
373 \corn{Weighted ET-trees}\id{wtet}%
374 The time bounds in Theorem \ref{etthm} hold for the weighted ET-trees, too.
375
376
377 %--------------------------------------------------------------------------------
378
379 \section{Dynamic connectivity}
380
381 The fully dynamic connectivity problem has a~long and rich history. In the 1980's, Frederickson \cite{frederickson:dynamic}
382 has used his topological trees to construct a~dynamic connectivity algorithm of complexity $\O(\sqrt m)$ per update and
383 $\O(1)$ per query. Eppstein et al.~\cite{eppstein:sparsify} have introduced a~sparsification technique which can bring the
384 updates down to $\O(\sqrt n)$. Later, several different algorithms with complexity on the order of $n^\varepsilon$
385 were presented by Henzinger and King \cite{henzinger:mst} and also by Mare\v{s} \cite{mares:dga}.
386 A~polylogarithmic time bound was first reached by the randomized algorithm of Henzinger and King \cite{henzinger:randdyn}.
387 The best result known as of now is the $\O(\log^2 n)$ time deterministic algorithm by Holm,
388 de~Lichtenberg and Thorup \cite{holm:polylog}, which will we describe in this section.
389
390 The algorithm will maintain a~spanning forest~$F$ of the current graph~$G$, represented by an~ET-tree
391 which will be used to answer connectivity queries. The edges of~$G\setminus F$ will be stored as~non-tree
392 edges in the ET-tree. Hence, an~insertion of an~edge to~$G$ either adds it to~$F$ or inserts it as non-tree.
393 Deletions of non-tree edges are also easy, but when a~tree edge is deleted, we have to search for its
394 replacement among the non-tree edges.
395
396 To govern the search in an~efficient way, we will associate each edge~$e$ with a~level $\ell(e) \le
397 L = \lfloor\log_2 n\rfloor$. For each level~$i$, we will use~$F_i$ to denote the subforest
398 of~$F$ containing edges of level at least~$i$. Therefore $F=F_0 \supseteq F_1 \supseteq \ldots \supseteq F_L$.
399 We will maintain the following \em{invariants:}
400
401 {\narrower
402 \def\iinv{{\bo I\the\itemcount~}}
403 \numlist\iinv
404 \:$F$~is the maximum spanning forest of~$G$ with respect to the levels. In other words,
405 if $uv$ is a~non-tree edge, then $u$ and~$v$ are connected in~$F_{\ell(uv)}$.
406 \:For each~$i$, the components of~$F_i$ have at most $\lfloor n/2^i \rfloor$ vertices.
407 This implies that all~$F_i$ for $i>L$ are empty.
408 \endlist
409 }
410
411 At the beginning, the graph contains no edges, so both invariants are trivially
412 satistifed. Newly inserted edges can enter level~0, which cannot break I1 nor~I2.
413
414 When we delete a~tree edge at level~$\ell$, we split a~tree~$T$ of~$F_\ell$ to two
415 trees $T_1$ and~$T_2$. Without loss of generality, let us assume that $T_1$ is the
416 smaller one. We will try to find the replacement edge of the highest possible
417 level that connects them back. From I1, we know that such an~edge cannot belong to
418 level greater than~$\ell$, so we start looking for it at level~$\ell$. According
419 to~I2, the tree~$T$ had at most $\lfloor n/2^\ell\rfloor$ vertices, so $T_1$ has
420 at most $\lfloor n/2^{\ell+1} \rfloor$ of them. Thus we can increase the levels
421 of all edges of~$T_1$ without violating either invariant.
422
423 We now start enumerating the non-tree edges incident with~$T_1$. For each such edge,
424 we test whether its other endpoint lies in~$T_2$. If it does, we have found the replacement
425 edge and we insert it to~$F_\ell$. Otherwise we move the edge one level up. (This will
426 be the gist of our amortization argument: We can charge most of the work on level
427 increases and we know that the level of each edge can reach at most~$L$.)
428
429 If the non-tree edges at level~$\ell$ are exhausted, we try the same in the next
430 lower level and so on. If there is no replacement edge on level~0, the tree~$T$
431 remains disconnected.
432
433 \impl
434 We will use a~single ET-tree with~$a$ set to~2 for each level. For the $i$-th level, the ET-tree
435 ${\cal E}_i$ will represent the forest~$F_i$ and the non-tree edges of
436 level~$i$ will be attached to its vertices.
437
438 \algn{Insertion of an~edge}
439 \algo
440 \algin An~edge $uv$ to insert.
441 \:$\ell(uv) \= 0$.
442 \:Ask the ET-tree ${\cal E}_0$ if $u$ and~$v$ are in the same component. If they are:
443 \::Add $uv$ to the list of non-tree edges in ${\cal E}_0$ at both $u$ and~$v$.
444 \:Otherwise:
445 \::Add $uv$ to~$F_0$.
446 \endalgo
447
448 \algn{Deletion of an~edge}
449 \algo
450 \algin An~edge $uv$ to delete.
451 \:$\ell \= \ell(uv)$.
452 \:If $uv$ is a~non-tree edge:
453 \::Remove $uv$ from the lists of non-tree edges at both $u$ and~$v$ in~${\cal E}_{\ell}$.
454 \:Otherwise:
455 \::Remove $uv$ from~$F_\ell$.
456 \::Call $\<Replace>(uv,\ell)$.
457 \endalgo
458
459 \algn{$\<Replace>(uv,i)$ -- Search for an~replacement edge for~$uv$ at level~$i$}
460 \algo
461 \:Let $T_1$ and~$T_2$ be the trees in~$F_i$ containing $u$ and~$v$ respectively.
462 \:If $n(T_1) > n(T_2)$, swap $T_1$ with~$T_2$.
463 \:Move all level~$i$ edges in~$T_1$ to level~$i+1$ and insert them to~${\cal E}_{i+1}$.
464 \:Enumerate non-tree edges incident with vertices of~$T_1$ and stored in ${\cal E}_i$.
465   For each edge~$xy$, $x\in T_1$, do:
466 \::If $y\in T_2$, add the edge $xy$ to~$F_i$ and return.
467 \::Otherwise increase $\ell(xy)$ by one. This includes deleting~$xy$ from~${\cal E}_i$
468   and inserting it to~${\cal E}_{i+1}$.
469 \:If $i>0$, call $\<Replace>(xy,i-1)$.
470 \endalgo
471
472 \>Analysis of the time complexity is straightforward:
473
474 \thmn{Fully dynamic connectivity, Holm et al.~\cite{holm:polylog}}\id{dyncon}%
475 Dynamic connectivity can be maintained in time $\O(\log^2 n)$ amortized for both
476 \<Insert> and \<Delete> and in time $\O(\log n/\log\log n)$ per \<Connected>
477 in the worst case.
478
479 \proof
480 The direct cost of an~\<Insert> is $\O(\log n)$ for the operations on the ET-trees
481 (by Theorem \ref{etthm}). We will have it pre-pay all level increases of the new
482 edge. Since the levels never decrease, each edge can be brought a~level up at most
483 $L=\lfloor\log n\rfloor$ times. Every increase costs $\O(\log n)$ on the ET-tree
484 operations, so we pay $\O(\log^2 n)$ for all of them.
485
486 A~\<Delete> costs $\O(\log^2 n)$ directly, as we might have to update all~$L$
487 ET-trees. Additionally, we call \<Replace> up to $L$ times. The initialization of
488 \<Replace> costs $\O(\log n)$ per call, the rest is paid for by the edge level
489 increases.
490
491 To bring the complexity of \<Connected> from $\O(\log n)$ down to $\O(\log n/\log\log n)$,
492 we apply the trick from Example \ref{accel} and store~$F_0$ in a~ET-tree with $a=\max(\lfloor\log n\rfloor,2)$.
493 This does not hurt the complexity of insertions and deletions, but allows for faster queries.
494 \qed
495
496 %--------------------------------------------------------------------------------
497
498 \section{Dynamic MSF}
499
500 Most of the early algorithms for dynamic connectivity also imply $\O(n^\varepsilon)$
501 algorithms for dynamic maintenance of the MSF. Henzinger and King \cite{henzinger:twoec,henzinger:randdyn}
502 have generalized their randomized connectivity algorithm to maintain the MSF in $\O(\log^5 n)$ time per
503 operation, or $\O(k\log^3 n)$ if only~$k$ different values of edge weights are allowed. They have solved
504 the decremental version of the problem first (which starts with a~given graph and only edge deletions
505 are allowed) and then presented a~general reduction from the fully dynamic MSF to its decremental version.
506 We will describe the algorithm of Holm, de Lichtenberg and Thorup \cite{holm:polylog}, who have followed
507 the same path. They have modified their dynamic connectivity algorithm to solve the decremental MSF
508 in $\O(\log^2 n)$ and obtained the fully dynamic MSF working in $\O(\log^4 n)$ per operation.
509
510 \paran{Decremental MSF}%
511 Turning the algorithm from the previous section to decremental MSF requires only two
512 changes: First, we have to start with the forest~$F$ equal to the MSF of the initial
513 graph. As we require to pay $\O(\log^2 n)$ for every insertion, we can use almost arbitrary
514 MSF algorithm to find~$F$. Second, when we search for an~replacement edge, we need to pick
515 the lightest possible choice. We will therefore use the weighted version of the ET-trees (Corollary \ref{wtet})
516 and try the lightest non-tree edge incident with the examined tree first. We must ensure
517 that the lower levels cannot contain a~lighter replacement edge, but fortunately the
518 light edges tend to ``bubble up'' in the hierarchy of levels. This can be formalized as
519 the following invariant:
520
521 {\narrower
522 \def\iinv{{\bo I\the\itemcount~}}
523 \numlist\iinv
524 \itemcount=2
525 \:On every cycle, the heaviest edge has the smallest level.
526 \endlist
527 }
528
529 \>This easily implies that we select the right replacement edge:
530
531 \lemma\id{msfrepl}%
532 Let $F$~be the minimum spanning forest and $e$ any its edge. Then among all replacement
533 edges for~$e$, the lightest one is on the maximum level.
534
535 \proof
536 Let us consider any two edges $f_1$ and~$f_2$ replacing~$e$. By minimality of~$F$ and the Cycle
537 rule (\ref{cyclerule}), each $f_i$ is the heaviest edge on the cycle~$C_i = F[f_i] + f_i$.
538 In a~moment, we will show that the symmetric difference~$C$ of these two cycles is again a~cycle.
539 This implies that if $f_1$ is heavier than~$f_2$, then by I3 $f_1$~is the heaviest edge on~$C$, so
540 $\ell(f_1) \le \ell(f_2)$. Therefore the lightest of all replacement edges must have
541 the maximum level.
542
543 Why is~$C$ a~cycle:
544 Let $F^a$ and~$F^b$ be the trees of~$F-e$ in which the endpoints of~$e$ lie, and for
545 every edge~$g$ between $F^a$ and~$F^b$ let $g^a$ and~$g^b$ be its respective endpoints.
546 We know that $C_i$ consists of the path $F[f_i^a,e^a]$, the edge~$e$, the path $F[e^b,f_i^b]$,
547 and the edge~$f_i$. Thus~$C$ must contain the paths $F[f_1^a,f_2^a]$ and $F[f_1^b,f_2^b]$ and
548 the edges $f_1$ and~$f_2$, which together form a~simple cycle.
549 \qed
550
551 We now have to make sure that the additional invariant is observed:
552
553 \lemma\id{ithree}%
554 After every operation, I3 is satisfied.
555
556 \proof
557 When the structure is freshly initialized, I3 is obviously satisfied, because all edges
558 are at level~0. Sole deletions of edges (both tree and non-tree) cannot violate I3, so we need
559 to check only the replaces, in particular when an~edge~$e$ either gets its level increased
560 or becomes a~tree edge.
561
562 For the violation to happen, $e$~must be the heaviest on some cycle~$C$, so by the Cycle
563 rule, $e$~must be non-tree. The increase of $\ell(e)$ must therefore happen when~$e$ is
564 considered as a~replacement edge incident with some tree~$T_1$ at level $\ell=\ell(e)$.
565 We will pause the computation just before this increase and we will prove that
566 all other edges of~$C$ already are at levels greater than~$\ell$.
567
568 Let us first show that for edges of~$C$ incident with~$T_1$. All edges of~$T_1$ itself
569 already are on the higher levels as they were moved there at the very beginning of the
570 search for the replacement edge. As the algorithm always tries the lightest candidate
571 for the replacement edge first, all non-tree edges incident with~$T_1$ which are lighter
572 than~$e$ were already considered and thus also moved one level up. This includes all
573 other edges of~$C$ that are incident with~$T_1$.
574
575 The case of edges that do not touch~$T_1$ is easy to handle: Such edges do not exist.
576 If they did, at least two edges of~$C$ would have to be non-tree edges connecting~$T_1$
577 with the other trees at level~$\ell$, so one of them that is lighter than~$e$ would be selected as the
578 replacement edge before~$e$ could be considered.
579 \qed
580
581 We can conclude:
582
583 \thmn{Decremental MSF, Holm et al.~\cite{holm:polylog}}
584 When we start with a~graph with $n$~vertices and~$m\ge n$ edges and we perform
585 $d$~edge deletions, the MSF can be maintained in time $\O((m+d)\cdot\log^2 n)$.
586
587 \paran{Fully dynamic MSF}%
588 The decremental MSF algorithm can be turned to a~fully dynamic one by a~blackbox
589 reduction whose properties are summarized by the following theorem:
590
591 \thmn{MSF dynamization, Henzinger et al.~\cite{henzinger:twoec}, Holm et al.~\cite{holm:polylog}}
592 Suppose that we have a~decremental MSF algorithm that for any $a$,~$b$ can be initialized
593 on a~graph with~$a$ vertices and~$b$ edges and then it executes an~arbitrary sequence
594 of deletions in time $\O(b\cdot t(a,b))$, where~$t$ is a~non-decreasing function.
595 Then there exists a~fully dynamic MSF algorithm for a~graph on $n$~vertices, starting
596 with no edges, that performs $m$~insertions and deletions in amortized time:
597 $$
598 \O\left( \log^3 n + \sum_{i=1}^{\log m} \sum_{j=1}^i \; t(\min(n,2^j), 2^j) \right) \hbox{\quad per operation.}
599 $$
600
601 \proofsketch
602 The reduction is very technical, but its essence is the following: We maintain a~logarithmic number
603 of decremental structures $A_0,\ldots,A_{\log n}$ of exponentially increasing sizes. Every non-tree
604 edge is contained in exactly one~$A_i$, tree edges can belong to multiple structures.
605
606 When an~edge is inserted, we union it with some of the $A_i$'s, build a~new decremental structure
607 and amortize the cost of the build over the insertions. Deletes of non-tree edges are trivial.
608 Delete of a~non-tree edge is performed on all $A_i$'s containing it and the replacement edge is
609 sought among the replacement edges found in these structures. The unused replacement edges then have
610 to be reinserted back to the structure.
611
612 The original reduction of Henzinger et al.~handles the reinserts by a~mechanism of batch insertions
613 supported by their decremental structure, which is not available in our case. Holm et al.~have
614 replaced it by a~system of auxiliary edges inserted at various places in the structure.
615 We refer to the article \cite{holm:polylog} for details.
616 \qed
617
618 \corn{Fully dynamic MSF}
619 There is a~fully dynamic MSF algorithm that works in amortized time $\O(\log^4 n)$
620 per operation for graphs on $n$~vertices.
621
622 \proof
623 Apply the reduction from the previous theorem to the decremental algorithm we have
624 developed. This results in an~algorithm of amortized complexity $\O(\log^4 m)$ where~$m$
625 is the number of operations performed. This could be more than $\O(\log^4 n)$ if
626 $m$~is very large, but we can rebuild the whole structure after $n^2$~operations,
627 which brings $\log m$ down to $\O(\log n)$. The $\O(n^2\log^4 n)$ cost of the
628 rebuild then incurs only $\O(\log^4 n)$ additional cost on each operation.
629 \qed
630
631 \rem
632 The limitation of MSF structures based on the Holm's algorithm for connectivity
633 to edge deletions only seems to be unavoidable. The invariant I3 could be easily
634 broken for many cycles at once whenever a~very light non-tree edge is inserted.
635 We could try increasing the level of the newly inserted edge, but we would quite
636 possibly hit I1 before we skipped the levels of all the heavies edges on the
637 particular cycles.
638
639 On the other hand, if we decided to drop I3, we would encounter different problems.
640 We have enough time to scan all non-tree edges incident to the current tree~$T_1$
641 --- we can charge it on the level increases of its tree edges and if we use the
642 degree reduction from Lemma \ref{degred}, there are at most two non-tree edges
643 per vertex. (The reduction can be used dynamically as it always translates a~single
644 change of the original graph to $\O(1)$ changes of the reduced graph.) The lightest
645 replacement edge however could also be located in the super-trees of~$T_1$ on the
646 lower levels, which are too large to scan and both I1 and I2 prevent us from
647 charging the time on increasing levels there.
648
649 An~interesting special case in which insertions are possible is when all non-tree
650 edges have the same weight. This leads to the following algorithm for dynamic MSF
651 on~graphs with a~small set of allowed edge weights.
652
653 \paran{Dynamic MSF with limited edge weights}%
654 Let us assume for a~while that our graph has edges of only two different weights (let us say
655 1~and~2). We will drop our rule that all edge weights are distinct for a~moment and we recall that
656 the basic structural properties of the MST's from Section \ref{mstbasics} still hold.
657
658 We split the graph~$G$ to two subgraphs~$G_1$ and~$G_2$ according to the edge
659 weights. We use one instance~$\C_1$ of the dynamic connectivity algorithm to maintain
660 an~arbitrary spanning forest~$F_1$ of~$G_1$, which is obviously minimum. Then we add
661 another instance~$\C_2$ to maintain a~spanning forest~$F_2$ of the graph $G_2\cup F_1$
662 such that all edges of~$F_1$ are forced to be in~$F_2$. Obviously, $F_2$~is the
663 MSF of the whole graph~$G$ --- if any edge of~$F_1$ were not contained in~$\msf(G)$,
664 we could use the standard exchange argument to create an~even lighter spanning tree.\foot{This
665 is of course the Blue lemma in action, but we have to be careful as we did not have proven it
666 for graphs with multiple edges of the same weight.}
667
668 When a~weight~2 edge is inserted to~$G$, we insert it to~$\C_2$ and it either enters~$F_2$
669 or becomes a~non-tree edge. Similarly, deletion of a~weight~2 edge is a~pure deletion in~$\C_2$,
670 because such edges can be replaced only by other weight~2 edges.
671
672 Insertion of edges of weight~1 needs more attention: We insert the edge to~$\C_1$. If~$F_1$
673 stays unchanged, we are done. If the new edge enters~$F_1$, we use Sleator-Tarjan trees
674 kept for~$F_2$ to check if the new edge covers some tree edge of weight~2. If this is not
675 the case, we insert the new edge to~$\C_2$ and hence also to~$F_2$ and we are done.
676 Otherwise we exchange one of the covered weight~2 edges~$f$ for~$e$ in~$\C_2$. We note
677 that~$e$ can inherit the level of~$f$ and $f$~can become a~non-tree edge without
678 changing its level. This adjustment can be performed in time $\O(\log^2 n)$, including
679 paying for the future level increases of the new edge.
680
681 Deletion of weight~1 edges is once more straightforward. We delete the edge from~$\C_1$.
682 If it has no replacement, we delete it from~$\C_2$ as well. If it has a~replacement,
683 we delete the edge from~$\C_2$ and insert the replacement on its place as described
684 above. We observe than this pair of operations causes an~insertion, deletion or
685 a~replacement in~$\C_2$.
686
687 This way, we can handle every insertion and deletion in time $\O(\log^2 n)$ amortized.
688 This construction can be iterated in an~obvious way: if we have $k$~distinct edge weights,
689 we build $k$~connectivity structures $\C_1,\ldots,\C_k$. The structure~$\C_i$ contains edges of
690 weight~$i$ and the MSF edges from~$\C_{i-1}$. Bounding the time complexity is then easy:
691
692 \thmn{MSF with limited edge weights}
693 There is a~fully dynamic MSF algorithm that works in time $\O(k\cdot\log^2 n)$ amortized
694 per operation for graphs on $n$~vertices with only $k$~distinct edge weights allowed.
695
696 \proof
697 A~change in the graph~$G$ involving an~edge of weight~$w$ causes a~change in~$\C_w$,
698 which can propagate to~$\C_{w+1}$ and so on, possibly up to~$\C_k$. In each~$\C_i$,
699 we spend time $\O(\log^2 n)$ by updating the connectivity structure according to
700 Theorem \ref{dyncon}.
701 \qed
702
703
704 \endpart