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2 \input macros.tex
3 \fi
4
5 \chapter{Minimum Spanning Trees}
6
7 \section{The Problem}
8
9 The problem of finding a minimum spanning tree of a weighted graph is one of the
10 best studied problems in the area of combinatorial optimization since its birth.
11 Its colorful history (see \cite{graham:msthistory} and \cite{nesetril:history} for the full account)
12 begins in~1926 with the pioneering work of Bor\o{u}vka
13 \cite{boruvka:ojistem}\foot{See \cite{nesetril:boruvka} for an English translation with commentary.},
14 who studied primarily an Euclidean version of the problem related to planning
15 of electrical transmission lines (see \cite{boruvka:networks}), but gave an efficient
16 algorithm for the general version of the problem. As it was well before the dawn of graph
17 theory, the language of his paper was complicated, so we will better state the problem
18 in contemporary terminology:
19
20 \proclaim{Problem}Given an undirected graph~$G$ with weights $w:E(G)\rightarrow {\bb R}$,
21 find its minimum spanning tree, defined as follows:
22
23 \defn\id{mstdef}%
24 For a given graph~$G$ with weights $w:E(G)\rightarrow {\bb R}$:
25 \itemize\ibull
26 \:A~subgraph $H\subseteq G$ is called a \df{spanning subgraph} if $V(H)=V(G)$.
27 \:A~\df{spanning tree} of~$G$ is any spanning subgraph of~$G$ that is a tree.
28 \:For any subgraph $H\subseteq G$ we define its \df{weight} $w(H):=\sum_{e\in E(H)} w(e)$.
29   When comparing two weights, we will use the terms \df{lighter} and \df{heavier} in the
30   obvious sense.
31 \:A~\df{minimum spanning tree (MST)} of~$G$ is a spanning tree~$T$ such that its weight $w(T)$
32   is the smallest possible of all the spanning trees of~$G$.
33 \:For a disconnected graph, a \df{(minimum) spanning forest (MSF)} is defined as
34   a union of (minimum) spanning trees of its connected components.
35 \endlist
36
37 Bor\o{u}vka's work was further extended by Jarn\'\i{}k \cite{jarnik:ojistem}, again in
38 mostly geometric setting, giving another efficient algorithm. However, when
39 computer science and graph theory started forming in the 1950's and the
40 spanning tree problem was one of the central topics of the flourishing new
41 disciplines, the previous work was not well known and the algorithms had to be
42 rediscovered several times.
43
44 In the next 50 years, several significantly faster algorithms were discovered, ranging
45 from the $\O(m\timesbeta(m,n))$ time algorithm by Fredman and Tarjan \cite{ft:fibonacci},
46 over algorithms with inverse-Ackermann type complexity by Chazelle \cite{chazelle:ackermann}
47 and Pettie \cite{pettie:ackermann}, to another algorithm by Pettie \cite{pettie:optimal}
48 whose time complexity is provably optimal.
49
50 In the upcoming chapters, we will explore this colorful universe of MST algorithms.
51 We will meet the standard works of the classics, the clever ideas of their successors,
52 various approaches to the problem including randomization and solving of important
53 special cases. At several places, we will try to contribute our little stones to this
54 mosaic.
55
56 %--------------------------------------------------------------------------------
57
58 \section{Basic properties}\id{mstbasics}%
59
60 In this section, we will examine the basic properties of spanning trees and prove
61 several important theorems which will serve as a~foundation for our MST algorithms.
62 We will mostly follow the theory developed by Tarjan in~\cite{tarjan:dsna}.
63
64 For the whole section, we will fix a~connected graph~$G$ with edge weights~$w$ and all
65 other graphs will be spanning subgraphs of~$G$. We will use the same notation
66 for the subgraphs as for the corresponding sets of edges.
67
68 First of all, let us show that the weights on edges are not necessary for the
69 definition of the MST. We can formulate an equivalent characterization using
70 an ordering of edges instead.
71
72 \defnn{Heavy and light edges}\id{heavy}%
73 Let~$T$ be a~spanning tree. Then:
74 \itemize\ibull
75 \:For vertices $x$ and $y$, let $T[x,y]$ denote the (unique) path in~$T$ joining $x$ and~$y$.
76 \:For an edge $e=xy$ we will call $T[e]:=T[x,y]$ the \df{path covered by~$e$} and
77   the edges of this path \df{edges covered by~$e$}.
78 \:An edge~$e$ is called \df{light with respect to~$T$} (or just \df{$T$-light}) if it covers a heavier edge, i.e., if there
79   is an edge $f\in T[e]$ such that $w(f) > w(e)$.
80 \:An edge~$e$ is called \df{$T$-heavy} if it covers a~lighter edge.
81 \endlist
82
83 \rem
84 Edges of the tree~$T$ cover only themselves and thus they are neither heavy nor light.
85 The same can happen if an~edge outside~$T$ covers only edges of the same weight,
86 but this will be rare because all edge weights will be usually distinct.
87
88 \lemman{Light edges}\id{lightlemma}%
89 Let $T$ be a spanning tree. If there exists a $T$-light edge, then~$T$
90 is not minimum.
91
92 \proof
93 If there is a $T$-light edge~$e$, then there exists an edge $e'\in T[e]$ such
94 that $w(e')>w(e)$. Now $T-e'$ is a forest of two trees with endpoints of~$e$
95 located in different components, so adding $e$ to this forest must restore
96 connectivity and $T':=T-e'+e$ is another spanning tree with weight $w(T')
97 = w(T)-w(e')+w(e) < w(T)$. Hence $T$ could not have been minimum.
98 \qed
99
100 \figure{mst2.eps}{278pt}{An edge exchange as in the proof of Lemma~\ref{lightlemma}}
101
102 The converse of this lemma is also true and to prove it, we will once again use
103 technique of transforming trees by \df{exchanges} of edges. In the proof of the
104 lemma, we have made use of the fact that whenever we exchange an edge~$e$ of
105 a spanning tree for another edge~$f$ covered by~$e$, the result is again
106 a spanning tree. In fact, it is possible to transform any spanning tree
107 to any other spanning tree by a sequence of exchanges.
108
109 \lemman{Exchange property for trees}\id{xchglemma}%
110 Let $T$ and $T'$ be spanning trees of a common graph. Then there exists
111 a sequence of edge exchanges that transforms $T$ to~$T'$. More formally,
112 there exists a sequence of spanning trees $T=T_0,T_1,\ldots,T_k=T'$ such that
113 $T_{i+1}=T_i - e_i + e_i^\prime$ where $e_i\in T_i$ and $e_i^\prime\in T'$.
114
115 \proof
116 By induction on $d(T,T'):=\vert T\symdiff T'\vert$. When $d(T,T')=0$,
117 both trees are identical and no exchanges are needed. Otherwise, the trees are different,
118 but as they are of the same size, there must exist an edge $e'\in T'\setminus T$.
119 The cycle $T[e']+e'$ cannot be wholly contained in~$T'$, so there also must
120 exist an edge $e\in T[e']\setminus T'$. Exchanging $e$ for~$e'$ yields a spanning
121 tree $T^*:=T-e+e'$ such that $d(T^*,T')=d(T,T')-2$ and we can apply the induction
122 hypothesis to $T^*$ and $T'$ to get the rest of the exchange sequence.
123 \qed
124
125 \figure{mst1.eps}{295pt}{One step of the proof of Lemma~\ref{xchglemma}}
126
127 \lemman{Monotone exchanges}\id{monoxchg}%
128 Let $T$ be a spanning tree such that there are no $T$-light edges and $T'$
129 be an arbitrary spanning tree. Then there exists a sequence of edge exchanges
130 transforming $T$ to~$T'$ such that the weight does not decrease in any step.
131
132 \proof
133 We improve the argument from the previous proof, refining the induction step.
134 When we exchange $e\in T$ for $e'\in T'\setminus T$ such that $e\in T[e']$,
135 the weight never drops, since $e'$ is not a $T$-light edge and therefore
136 $w(e') \ge w(e)$, so $w(T^*)=w(T)-w(e)+w(e')\ge w(T)$.
137
138 To keep the induction going, we have to make sure that there are still no light
139 edges with respect to~$T^*$. In fact, it is enough to avoid such edges in
140 $T'\setminus T^*$, since these are the only edges considered by the induction
141 steps. To accomplish that, we replace the so far arbitrary choice of $e'\in T'\setminus T$
142 by picking the lightest such edge.
143
144 Now consider an edge $f\in T'\setminus T^*$. We want to show that $f$ is not
145 $T^*$-light, i.e., that it is heavier than all edges on $T^*[f]$. The path $T^*[f]$ is
146 either equal to the original path $T[f]$ (if $e\not\in T[f]$) or to $T[f] \symdiff C$,
147 where $C$ is the cycle $T[e']+e'$. The former case is trivial, in the latter one
148 $w(f)\ge w(e')$ due to the choice of $e'$ and all other edges on~$C$ are lighter
149 than~$e'$ as $e'$ was not $T$-light.
150 \qed
151
152 \thmn{Minimality by order}\id{mstthm}%
153 A~spanning tree~$T$ is minimum iff there is no $T$-light edge.
154
155 \proof
156 If~$T$ is minimum, then by Lemma~\ref{lightlemma} there are no $T$-light
157 edges.
158 Conversely, when $T$ is a spanning tree without $T$-light edges
159 and $T_{min}$ is an arbitrary minimum spanning tree, then according to the Monotone
160 exchange lemma (\ref{monoxchg}) there exists a non-decreasing sequence
161 of exchanges transforming $T$ to $T_{min}$, so $w(T)\le w(T_{min})$
162 and thus $T$~is also minimum.
163 \qed
164
165 In general, a single graph can have many minimum spanning trees (for example
166 a complete graph on~$n$ vertices and unit edge weights has $n^{n-2}$
167 minimum spanning trees according to the Cayley's formula \cite{cayley:trees}).
168 However, as the following theorem shows, this is possible only if the weight
169 function is not injective.
170
171 \thmn{MST uniqueness}%
172 If all edge weights are distinct, then the minimum spanning tree is unique.
173
174 \proof
175 Consider two minimum spanning trees $T_1$ and~$T_2$. According to the previous
176 theorem, there are no light edges with respect to neither of them, so by the
177 Monotone exchange lemma (\ref{monoxchg}) there exists a sequence of non-decreasing
178 edge exchanges going from $T_1$ to $T_2$. As all edge weights all distinct,
179 these edge exchanges must be in fact strictly increasing. On the other hand,
180 we know that $w(T_1)=w(T_2)$, so the exchange sequence must be empty and indeed
181 $T_1$ and $T_2$ must be identical.
182 \qed
183
184 \rem\id{edgeoracle}%
185 To simplify the description of MST algorithms, we will expect that the weights
186 of all edges are distinct and that instead of numeric weights (usually accompanied
187 by problems with representation of real numbers in algorithms) we will be given
188 a comparison oracle, that is a function which answers questions ``$w(e)<w(f)$?'' in
189 constant time. In case the weights are not distinct, we can easily break ties by
190 comparing some unique edge identifiers and according to our characterization of
191 minimum spanning trees, the unique MST of the new graph will still be a MST of the
192 original graph. In the few cases where we need a more concrete input, we will
193 explicitly state so.
194
195 \nota\id{mstnota}%
196 When $G$ is a graph with distinct edge weights, we will use $\mst(G)$ to denote
197 its unique minimum spanning tree.
198
199 Another useful consequence is that whenever two graphs are isomorphic and the
200 isomorphism preserves weight order, the isomorphism applies to their MST's
201 as well:
202
203 \defn
204 A~\df{monotone isomorphism} of two weighted graphs $G_1=(V_1,E_1,w_1)$ and
205 $G_2=(V_2,E_2,w_2)$ is a bijection $\pi: V_1\rightarrow V_2$ such that
206 for each $u,v\in V_1: uv\in E_1 \Leftrightarrow \pi(u)\pi(v)\in E_2$ and
207 for each $e,f\in E_1: w_1(e)<w_1(f) \Leftrightarrow w_2(\pi[e]) < w_2(\pi[f])$.
208
209 \lemman{MST of isomorphic graphs}\id{mstiso}%
210 Let~$G_1$ and $G_2$ be two weighted graphs with unique edge weights and $\pi$
211 their monotone isomorphism. Then $\mst(G_2) = \pi[\mst(G_1)]$.
212
213 \proof
214 The isomorphism~$\pi$ maps spanning trees onto spanning trees and it preserves
215 the relation of covering. Since it is monotone, it preserves the property of
216 being a light edge (an~edge $e\in E(G_1)$ is $T$-light $\Leftrightarrow$
217 the edge $\pi[e]\in E(G_2)$ is~$f[T]$-light). Therefore by Theorem~\ref{mstthm}, $T$
218 is the MST of~$G_1$ if and only if $\pi[T]$ is the MST of~$G_2$.
219 \qed
220
221 %--------------------------------------------------------------------------------
222
223 \section{The Red-Blue meta-algorithm}
224
225 Most MST algorithms can be described as special cases of the following procedure
226 (again following \cite{tarjan:dsna}):
227
228 \algn{Red-Blue Meta-Algorithm}\id{rbma}%
229 \algo
230 \algin A~graph $G$ with an edge comparison oracle (see \ref{edgeoracle})
231 \:In the beginning, all edges are colored black.
232 \:Apply rules as long as possible:
233 \::Either pick a cut~$C$ such that its lightest edge is not blue \hfil\break and color this edge blue, \cmt{Blue rule}
234 \::or pick a cycle~$C$ such that its heaviest edge is not red \hfil\break and color this edge \rack{blue.}{red.\hfil} \cmt{Red rule}
235 \algout Minimum spanning tree of~$G$ consisting of edges colored blue.
236 \endalgo
237
238 \rem
239 This procedure is not a proper algorithm, since it does not specify how to choose
240 the rule to apply. We will however prove that no matter how the rules are applied,
241 the procedure always stops and gives the correct result. Also, it will turn out
242 that each of the classical MST algorithms can be described as a specific way
243 of choosing the rules in this procedure, which justifies the name meta-algorithm.
244
245 \nota
246 We will denote the unique minimum spanning tree of the input graph by~$T_{min}$.
247 We intend to prove that this is also the output of the procedure.
248
249 \lemman{Blue lemma}\id{bluelemma}%
250 When an edge is colored blue in any step of the procedure, it is contained in the minimum spanning tree.
251
252 \proof
253 By contradiction. Let $e$ be an edge painted blue as the lightest edge of a cut~$C$.
254 If $e\not\in T_{min}$, then there must exist an edge $e'\in T_{min}$ that is
255 contained in~$C$ (take any pair of vertices separated by~$C$, the path
256 in~$T_{min}$ joining these vertices must cross~$C$ at least once). Exchanging
257 $e$ for $e'$ in $T_{min}$ yields an even lighter spanning tree since
258 $w(e)<w(e')$. \qed
259
260 \lemman{Red lemma}\id{redlemma}%
261 When an edge is colored red in any step of the procedure, it is not contained in the minimum spanning tree.
262
263 \proof
264 Again by contradiction. Suppose that $e$ is an edge painted red as the heaviest edge
265 of a cycle~$C$ and that $e\in T_{min}$. Removing $e$ causes $T_{min}$ to split to two
266 components, let us call them $T_x$ and $T_y$. Some vertices of~$C$ now lie in $T_x$,
267 the others in $T_y$, so there must exist in edge $e'\ne e$ such that its endpoints
268 lie in different components. Since $w(e')<w(e)$, exchanging $e$ for~$e'$ yields
269 a lighter spanning tree than $T_{min}$.
270 \qed
271
272 \figure{mst-rb.eps}{289pt}{Proof of the Blue (left) and Red (right) lemma}
273
274 \lemman{Black lemma}%
275 As long as there exists a black edge, at least one rule can be applied.
276
277 \proof
278 Assume that $e=xy$ be a black edge. Let us denote $M$ the set of vertices
279 reachable from~$x$ using only blue edges. If $y$~lies in~$M$, then $e$ together
280 with some blue path between $x$ and $y$ forms a cycle and it must be the heaviest
281 edge on this cycle. This holds because all blue edges have been already proven
282 to be in $T_{min}$ and there can be no $T_{min}$-light edges (see Theorem~\ref{mstthm}).
283 In this case we can apply the red rule.
284
285 On the other hand, if $y\not\in M$, then the cut formed by all edges between $M$
286 and $V(G)\setminus M$ contains no blue edges, therefore we can use the blue rule.
287 \qed
288
289 \figure{mst-bez.eps}{295pt}{Configurations in the proof of the Black lemma}
290
291 \thmn{Red-Blue correctness}%
292 For any selection of rules, the Red-Blue procedure stops and the blue edges form
293 the minimum spanning tree of the input graph.
294
295 \proof
296 To prove that the procedure stops, let us notice that no edge is ever recolored,
297 so we must run out of black edges after at most~$m$ steps. Recoloring
298 to the same color is avoided by the conditions built in the rules, recoloring to
299 a different color would mean that the an edge would be both inside and outside~$T_{min}$
300 due to our Red and Blue lemmata.
301
302 When no further rules can be applied, the Black lemma guarantees that all edges
303 are colored, so by the Blue lemma all blue edges are in~$T_{min}$ and by the Red
304 lemma all other (red) edges are outside~$T_{min}$, so the blue edges are exactly~$T_{min}$.
305 \qed
306
307 \para
308 The Red lemma actually works in both directions and it can be used to characterize
309 all non-MST edges, which will turn out to be useful in the latter chapters.
310
311 \corn{Cycle rule}\id{cyclerule}%
312 An~edge~$e$ is not contained in the MST iff it is the heaviest on some cycle.
313
314 \proof
315 The implication from the right to the left is the Red lemma. In the other
316 direction, when~$e$ is not contained in~$T_{min}$, it is $T_{min}$-heavy (by
317 Theorem \ref{mstthm}), so it is the heaviest edge on the cycle $T_{min}[e]+e$.
318 \qed
319
320 \rem
321 The MST problem is a~special case of the problem of finding the minimum basis
322 of a~weighted matroid. Surprisingly, when we modify the Red-Blue procedure to
323 use the standard definitions of cycles and cuts in matroids, it will always
324 find the minimum basis. Some of the other MST algorithms also easily generalize to
325 matroids and in some sense matroids are exactly the objects where ``the greedy approach works''. We
326 will however not pursue this direction in our work, referring the reader to the Oxley's monograph
327 \cite{oxley:matroids} instead.
328
329 %--------------------------------------------------------------------------------
330
331 \section{Classical algorithms}\id{classalg}%
332
333 The three classical MST algorithms can be easily stated in terms of the Red-Blue meta-algorithm.
334 For each of them, we first show the general version of the algorithm, then we prove that
335 it gives the correct result and finally we discuss the time complexity of various
336 implementations.
337
338 \paran{Bor\o{u}vka's algorithm}%
339 The oldest MST algorithm is based on a~simple idea: grow a~forest in a~sequence of
340 iterations until it becomes connected. We start with a~forest of isolated
341 vertices. In each iteration, we let each tree of the forest select the lightest
342 edge of those having exactly one endpoint in the tree (we will call such edges
343 the \df{neighboring edges} of the tree). We add all such edges to the forest and
344 pAroceed with the next iteration.
345
346 \algn{Bor\o{u}vka \cite{boruvka:ojistem}, Choquet \cite{choquet:mst}, Sollin \cite{sollin:mst} and others}
347 \algo
348 \algin A~graph~$G$ with an edge comparison oracle.
349 \:$T\=$ a forest consisting of vertices of~$G$ and no edges.
350 \:While $T$ is not connected:
351 \::For each component $T_i$ of~$T$, choose the lightest edge $e_i$ from the cut
352    separating $T_i$ from the rest of~$T$.
353 \::Add all $e_i$'s to~$T$.
354 \algout Minimum spanning tree~$T$.
355 \endalgo
356
357 \lemma\id{boruvkadrop}%
358 In each iteration of the algorithm, the number of trees in~$T$ drops at least twice.
359
360 \proof
361 Each tree gets merged with at least one of its neighbors, so each of the new trees
362 contains two or more original trees.
363 \qed
364
365 \cor
366 The algorithm stops in $\O(\log n)$ iterations.
367
368 \lemma
369 Bor\o{u}vka's algorithm outputs the MST of the input graph.
370
371 \proof
372 In every iteration of the algorithm, $T$ is a blue subgraph,
373 because every addition of some edge~$e_i$ to~$T$ is a straightforward
374 application of the Blue rule. We stop when the blue subgraph is connected, so
375 we do not need the Red rule to explicitly exclude edges.
376
377 It remains to show that adding the edges simultaneously does not
378 produce a cycle. Consider the first iteration of the algorithm where $T$ contains a~cycle~$C$. Without
379 loss of generality we can assume that $C=T_1[u_1v_1]\,v_1u_2\,T_2[u_2v_2]\,v_2u_3\,T_3[u_3v_3]\, \ldots \,T_k[u_kv_k]\,v_ku_1$.
380 Each component $T_i$ has chosen its lightest incident edge~$e_i$ as either the edge $v_iu_{i+1}$
381 or $v_{i-1}u_i$ (indexing cyclically). Suppose that $e_1=v_1u_2$ (otherwise we reverse the orientation
382 of the cycle). Then $e_2=v_2u_3$ and $w(e_2)<w(e_1)$ and we can continue in the same way,
383 getting $w(e_1)>w(e_2)>\ldots>w(e_k)>w(e_1)$, which is a contradiction.
384 (Note that distinctness of edge weights was crucial here.)
385 \qed
386
387 \lemma\id{boruvkaiter}%
388 Each iteration can be carried out in time $\O(m)$.
389
390 \proof
391 We assign a label to each tree and we keep a mapping from vertices to the
392 labels of the trees they belong to. We scan all edges, map their endpoints
393 to the particular trees and for each tree we maintain the lightest incident edge
394 so far encountered. Instead of merging the trees one by one (which would be too
395 slow), we build an auxilliary graph whose vertices are the labels of the original
396 trees and edges correspond to the chosen lightest inter-tree edges. We find connected
397 components of this graph, these determine how are the original labels translated
398 to the new labels.
399 \qed
400
401 \thm
402 Bor\o{u}vka's algorithm finds the MST in time $\O(m\log n)$.
403
404 \proof
405 Follows from the previous lemmata.
406 \qed
407
408 \paran{Jarn\'\i{}k's algorithm}%
409 The next algorithm, discovered independently by Jarn\'\i{}k, Prim and Dijkstra, is similar
410 to Bor\o{u}vka's algorithm, but instead of the whole forest it concentrates on
411 a~single tree. It starts with a~single vertex and it repeatedly extends the tree
412 by the lightest neighboring edge until it spans the whole graph.
413
414 \algn{Jarn\'\i{}k \cite{jarnik:ojistem}, Prim \cite{prim:mst}, Dijkstra \cite{dijkstra:mst}}\id{jarnik}%
415 \algo
416 \algin A~graph~$G$ with an edge comparison oracle.
417 \:$T\=$ a single-vertex tree containing an~arbitrary vertex of~$G$.
418 \:While there are vertices outside $T$:
419 \::Pick the lightest edge $uv$ such that $u\in V(T)$ and $v\not\in V(T)$.
420 \::$T\=T+uv$.
421 \algout Minimum spanning tree~$T$.
422 \endalgo
423
424 \lemma
425 Jarn\'\i{}k's algorithm computes the MST of the input graph.
426
427 \proof
428 If~$G$ is connected, the algorithm always stops. Let us prove that in every step of
429 the algorithm, $T$ is always a blue tree. Step~4 corresponds to applying
430 the Blue rule to the cut $\delta(T)$ separating~$T$ from the rest of the given graph. We need not care about
431 the remaining edges, since for a connected graph the algorithm always stops with the right
432 number of blue edges.
433 \qed
434
435 \impl\id{jarnimpl}%
436 The most important part of the algorithm is finding \em{neighboring edges.}
437 In a~straightforward implementation, searching for the lightest neighboring
438 edge takes $\Theta(m)$ time, so the whole algorithm runs in time $\Theta(mn)$.
439
440 We can do much better by using a binary
441 heap to hold all neighboring edges. In each iteration, we find and delete the
442 minimum edge from the heap and once we expand the tree, we insert the newly discovered
443 neighboring edges to the heap while deleting the neighboring edges that become
444 internal to the new tree. Since there are always at most~$m$ edges in the heap,
445 each heap operation takes $\O(\log m)=\O(\log n)$ time. For every edge, we perform
446 at most one insertion and at most one deletion, so we spend $\O(m\log n)$ time in total.
447 From this, we can conclude:
448
449 \thm
450 Jarn\'\i{}k's algorithm finds the MST of a~given graph in time $\O(m\log n)$.
451
452 \rem
453 We will show several faster implementations in section \ref{iteralg}.
454
455 \paran{Kruskal's algorithm}%
456 The last of the three classical algorithms processes the edges of the
457 graph~$G$ greedily. It starts with an~empty forest and it takes the edges of~$G$
458 in order of their increasing weights. For every edge, it checks whether its
459 addition to the forest produces a~cycle and if it does not, the edge is added.
460 Otherwise, the edge is dropped and not considered again.
461
462 \algn{Kruskal \cite{kruskal:mst}}
463 \algo
464 \algin A~graph~$G$ with an edge comparison oracle.
465 \:Sort edges of~$G$ by their increasing weights.
466 \:$T\=\emptyset$. \cmt{an empty spanning subgraph}
467 \:For all edges $e$ in their sorted order:
468 \::If $T+e$ is acyclic, add~$e$ to~$T$.
469 \::Otherwise drop~$e$.
470 \algout Minimum spanning tree~$T$.
471 \endalgo
472
473 \lemma
474 Kruskal's algorithm returns the MST of the input graph.
475
476 \proof
477 In every step, $T$ is a forest of blue trees. Adding~$e$ to~$T$
478 in step~4 applies the Blue rule on the cut separating some pair of components of~$T$ ($e$ is the lightest,
479 because all other edges of the cut have not been considered yet). Dropping~$e$ in step~5 corresponds
480 to the Red rule on the cycle found ($e$~must be the heaviest, since all other edges of the
481 cycle have been already processed). At the end of the algorithm, all edges are colored,
482 so~$T$ must be the~MST.
483 \qed
484
485 \impl
486 Except for the initial sorting, which in general takes $\Theta(m\log m)$ time, the only
487 other non-trivial operation is the detection of cycles. What we need is a~data structure
488 for maintaining connected components, which supports queries and edge insertion.
489 This is closely related to the well-known Disjoint Set Union problem:
490
491 \problemn{Disjoint Set Union (DSU)}
492 Maintain an~equivalence relation on a~finite set under a~sequence of operations \<Union>
493 and \<Find>. The \<Find> operation tests whether two elements are equivalent and \<Union>
494 joins two different equivalence classes into one.
495
496 \para
497 We can maintain the connected components of our forest~$T$ as equivalence classes. When we want
498 to add an~edge~$uv$, we first call $\<Find>(u,v)$ to check if both endpoints of the edge lie in
499 the same components. If they do not, addition of this edge connects both components into one,
500 so we perform $\<Union>(u,v)$ to merge the equivalence classes.
501
502 Tarjan and van Leeuwen have shown that there is a~data structure for the DSU problem
503 with surprising efficiency:
504
505 \thmn{Disjoint Set Union, Tarjan and van Leeuwen \cite{tarjan:setunion}}\id{dfu}%
506 Starting with a~trivial equivalence with single-element classes, a~sequence of operations
507 comprising of $n$~\<Union>s intermixed with $m\ge n$~\<Find>s can be processed in time
508 $\O(m\timesalpha(m,n))$, where $\alpha(m,n)$ is a~certain inverse of the Ackermann's function
509 (see Definition \ref{ackerinv}).
510
511 \proof
512 See \cite{tarjan:setunion}.
513 \qed
514
515 This completes the following theorem:
516
517 \thm\id{kruskal}%
518 Kruskal's algorithm finds the MST of a given graph in time $\O(m\log n)$.
519 If the edges are already sorted by their weights, the time drops to
520 $\O(m\timesalpha(m,n))$.
521
522 \proof
523 We spend $\O(m\log n)$ on sorting, $\O(m\timesalpha(m,n))$ on processing the sequence
524 of \<Union>s and \<Find>s, and $\O(m)$ on all other work.
525 \qed
526
527 \rem
528 The cost of the \<Union> and \<Find> operations is of course dwarfed by the complexity
529 of sorting, so a much simpler (at least in terms of its analysis) data
530 structure would be sufficient, as long as it has $\O(\log n)$ amortized complexity
531 per operation. For example, we can label vertices with identifiers of the
532 corresponding components and always relabel the smaller of the two components.
533
534 We will study dynamic maintenance of connected components in more detail in Chapter~\ref{dynchap}.
535
536 %--------------------------------------------------------------------------------
537
538 \section{Contractive algorithms}\id{contalg}%
539
540 While the classical algorithms are based on growing suitable trees, they
541 can be also reformulated in terms of edge contraction. Instead of keeping
542 a forest of trees, we can keep each tree contracted to a single vertex.
543 This replaces the relatively complex tree-edge incidencies by simple
544 vertex-edge incidencies, potentially speeding up the calculation at the
545 expense of having to perform the contractions.
546
547 We will show a contractive version of the Bor\o{u}vka's algorithm
548 in which these costs are carefully balanced, leading for example to
549 a linear-time algorithm for MST in planar graphs.
550
551 There are two definitions of edge contraction that differ when an edge of
552 a~triangle is contracted. Either we unify the other two edges to a single edge
553 or we keep them as two parallel edges, leaving us with a~multigraph. We will
554 use the multigraph version and we will show that we can easily reduce the multigraph
555 to a simple graph later. (See \ref{contract} for the exact definitions.)
556
557 We only need to be able to map edges of the contracted graph to the original
558 edges, so each edge will carry a unique label $\ell(e)$ that will be preserved by
559 contractions.
560
561 \lemman{Flattening a multigraph}\id{flattening}%
562 Let $G$ be a multigraph and $G'$ its subgraph such that all loops have been
563 removed and each bundle of parallel edges replaced by its lightest edge.
564 Then $G'$~has the same MST as~$G$.
565
566 \proof
567 Every spanning tree of~$G'$ is a spanning tree of~$G$. In the other direction:
568 Loops can be never contained in a spanning tree. If there is a spanning tree~$T$
569 containing a~removed edge~$e$ parallel to an edge~$e'\in G'$, exchaning $e'$
570 for~$e$ makes~$T$ lighter. \qed
571
572 \rem Removal of the heavier of a pair of parallel edges can be also viewed
573 as an application of the Red rule on a two-edge cycle. And indeed it is, the
574 Red-Blue procedure works on multigraphs as well as on simple graphs and all the
575 classical algorithms also do. We would only have to be more careful in the
576 formulations and proofs, which we preferred to avoid.
577
578 \algn{Contractive version of Bor\o{u}vka's algorithm}\id{contbor}
579 \algo
580 \algin A~graph~$G$ with an edge comparison oracle.
581 \:$T\=\emptyset$.
582 \:$\ell(e)\=e$ for all edges~$e$. \cmt{Initialize the labels.}
583 \:While $n(G)>1$:
584 \::For each vertex $v_k$ of~$G$, let $e_k$ be the lightest edge incident to~$v_k$.
585 \::$T\=T\cup \{ \ell(e_k) \}$. \cmt{Remember labels of all selected edges.}
586 \::Contract $G$ along all edges $e_k$, inheriting labels and weights.\foot{In other words, we ask the comparison oracle for the edge $\ell(e)$ instead of~$e$.}
587 \::Flatten $G$, removing parallel edges and loops.
588 \algout Minimum spanning tree~$T$.
589 \endalgo
590
591 \nota
592 For the analysis of the algorithm, we will denote the graph considered by the algorithm
593 at the beginning of the $i$-th iteration by $G_i$ (starting with $G_0=G$) and the number
594 of vertices and edges of this graph by $n_i$ and $m_i$ respectively.
595
596 \lemma\id{contiter}%
597 The $i$-th iteration of the algorithm (also called the \df{Bor\o{u}vka step}) can be carried
598 out in time~$\O(m_i)$.
599
600 \proof
601 The only non-trivial parts are steps 6 and~7. Contractions can be handled similarly
602 to the unions in the original Bor\o{u}vka's algorithm (see \ref{boruvkaiter}):
603 We build an auxillary graph containing only the selected edges~$e_k$, find
604 connected components of this graph and renumber vertices in each component to
605 the identifier of the component. This takes $\O(m_i)$ time.
606
607 Flattening is performed by first removing the loops and then bucket-sorting the edges
608 (as ordered pairs of vertex identifiers) lexicographically, which brings parallel
609 edges together. The bucket sort uses two passes with $n_i$~buckets, so it takes
610 $\O(n_i+m_i)=\O(m_i)$.
611 \qed
612
613 \thm\id{contborthm}%
614 The Contractive Bor\o{u}vka's algorithm finds the MST of the input graph in
615 time $\O(\min(n^2,m\log n))$.
616
617 \proof
618 As in the original Bor\o{u}vka's algorithm, the number of iterations is $\O(\log n)$.
619 When combined with the previous lemma, it gives an~$\O(m\log n)$ upper bound.
620
621 To get the $\O(n^2)$ bound, we observe that the number of trees in the non-contracting
622 version of the algorithm drops at least by a factor of two in each iteration (Lemma \ref{boruvkadrop})
623 and the same must hold for the number of vertices in the contracting version.
624 Therefore $n_i\le n/2^i$. While the number of edges need not decrease geometrically,
625 we still have $m_i\le n_i^2$ as the graphs~$G_i$ are simple (we explicitly removed multiple
626 edges and loops at the end of the previous iteration). Hence the total time spent
627 in all iterations is $\O(\sum_i n_i^2) = \O(\sum_i n^2/4^i) = \O(n^2)$.
628 \qed
629
630 \thmn{Contractive Bor\o{u}vka on planar graphs, \cite{mm:mst}}\id{planarbor}%
631 When the input graph is planar, the Contractive Bor\o{u}vka's algorithm runs in
632 time $\O(n)$.
633
634 \proof
635 Let us refine the previous proof. We already know that $n_i \le n/2^i$. We will
636 prove that when~$G$ is planar, the $m_i$'s are decreasing geometrically. We know that every
637 $G_i$ is planar, because the class of planar graphs is closed under edge deletion and
638 contraction. Moreover, $G_i$~is also simple, so we can use the standard theorem on
639 the number of edges of planar simple graphs (see for example \cite{diestel:gt}) to get $m_i\le 3n_i \le 3n/2^i$.
640 The total time complexity of the algorithm is therefore $\O(\sum_i m_i)=\O(\sum_i n/2^i)=\O(n)$.
641 \qed
642
643 \rem
644 There are several other possibilities how to find the MST of a planar graph in linear time.
645 For example, Matsui \cite{matsui:planar} has described an algorithm based on simultaneously
646 working on the graph and its topological dual. The advantage of our approach is that we do not need
647 to construct the planar embedding explicitly. We will show one more linear algorithm
648 in section~\ref{minorclosed}.
649
650 \rem
651 To achieve the linear time complexity, the algorithm needs a very careful implementation,
652 but we defer the technical details to section~\ref{bucketsort}.
653
654 \paran{General contractions}%
655 Graph contractions are indeed a~very powerful tool and they can be used in other MST
656 algorithms as well. The following lemma shows the gist:
657
658 \lemman{Contraction of MST edges}\id{contlemma}%
659 Let $G$ be a weighted graph, $e$~an arbitrary edge of~$\mst(G)$, $G/e$ the multigraph
660 produced by contracting $G$ along~$e$, and $\pi$ the bijection between edges of~$G-e$ and
661 their counterparts in~$G/e$. Then: $$\mst(G) = \pi^{-1}[\mst(G/e)] + e.$$
662
663 \proof
664 % We seem not to need this lemma for multigraphs...
665 %If there are any loops or parallel edges in~$G$, we can flatten the graph. According to the
666 %Flattening lemma (\ref{flattening}), the MST stays the same and if we remove a parallel edge
667 %or loop~$f$, then $\pi(f)$ would be removed when flattening~$G/e$, so $f$ never participates
668 %in a MST.
669 The right-hand side of the equality is a spanning tree of~$G$, let us denote it by~$T$ and
670 the MST of $G/e$ by~$T'$. If $T$ were not minimum, there would exist a $T$-light edge~$f$ in~$G$
671 (by Theorem \ref{mstthm}). If the path $T[f]$ covered by~$f$ does not contain~$e$,
672 then $\pi[T[f]]$ is a path covered by~$\pi(f)$ in~$T'$. Otherwise $\pi(T[f]-e)$ is such a path.
673 In both cases, $f$ is $T'$-light, which contradicts the minimality of~$T'$. (We do not have
674 a~multigraph version of the theorem, but the side we need is a~straightforward edge exchange,
675 which obviously works in multigraphs as well.)
676 \qed
677
678 \rem
679 In the previous algorithm, the role of the mapping~$\pi^{-1}$ is of course played by the edge labels~$\ell$.
680
681 \paran{A~lower bound}%
682 Finally, we will show a family of graphs where the $\O(m\log n)$ bound on time complexity
683 is tight. The graphs do not have unique weights, but they are constructed in a way that
684 the algorithm never compares two edges with the same weight. Therefore, when two such
685 graphs are monotonely isomorphic (see~\ref{mstiso}), the algorithm processes them in the same way.
686
687 \defn
688 A~\df{distractor of order~$k$,} denoted by~$D_k$, is a path on $n=2^k$~vertices $v_1,\ldots,v_n$
689 where each edge $v_iv_{i+1}$ has its weight equal to the number of trailing zeroes in the binary
690 representation of the number~$i$. The vertex $v_1$ is called a~\df{base} of the distractor.
691
692 \rem
693 Alternatively, we can use a recursive definition: $D_0$ is a single vertex, $D_{k+1}$ consists
694 of two disjoint copies of~$D_k$ joined by an edge of weight~$k$.
695
696 \figure{distractor.eps}{\epsfxsize}{A~distractor $D_3$ and its evolution (bold edges are contracted)}
697
698 \lemma
699 A~single iteration of the contractive algorithm reduces~$D_k$ to a graph isomorphic with~$D_{k-1}$.
700
701 \proof
702 Each vertex~$v$ of~$D_k$ is incident with a single edge of weight~1. The algorithm therefore
703 selects all weight~1 edges and contracts them. This produces a graph which is
704 exactly $D_{k-1}$ with all weights increased by~1, which does not change the relative order of edges.
705 \qed
706
707 \defn
708 A~\df{hedgehog}~$H_{a,k}$ is a graph consisting of $a$~distractors $D_k^1,\ldots,D_k^a$ of order~$k$
709 together with edges of a complete graph on the bases of the distractors. These additional edges
710 have arbitrary weights, but heavier than the edges of all distractors.
711
712 \figure{hedgehog.eps}{\epsfxsize}{A~hedgehog $H_{5,2}$ (quills bent to fit in the picture)}
713
714 \lemma
715 A~single iteration of the contractive algorithm reduces~$H_{a,k}$ to a graph isomorphic with $H_{a,k-1}$.
716
717 \proof
718 Each vertex is incident with an edge of some distractor, so the algorithm does not select
719 any edge of the complete graph. Contraction therefore reduces each distractor to a smaller
720 distractor (modulo an additive factor in weight) and leaves the complete graph intact.
721 This is monotonely isomorphic to $H_{a,k-1}$.
722 \qed
723
724 \thmn{Lower bound for Contractive Bor\o{u}vka}%
725 For each $n$ there exists a graph on $\Theta(n)$ vertices and $\Theta(n)$ edges
726 such that the Contractive Bor\o{u}vka's algorithm spends time $\Omega(n\log n)$ on it.
727
728 \proof
729 Consider the hedgehog $H_{a,k}$ for $a=\lceil\sqrt n\rceil$ and $k=\lceil\log_2 a\rceil$.
730 It has $a\cdot 2^k = \Theta(n)$ vertices and ${a \choose 2} + a\cdot 2^k = \Theta(a^2) + \Theta(a^2) = \Theta(n)$ edges
731 as we wanted.
732
733 By the previous lemma, the algorithm proceeds through a sequence of hedgehogs $H_{a,k},
734 H_{a,k-1}, \ldots, H_{a,0}$ (up to monotone isomorphism), so it needs a logarithmic number of iterations plus some more
735 to finish on the remaining complete graph. Each iteration runs on a graph with $\Omega(n)$
736 edges as every $H_{a,k}$ contains a complete graph on~$a$ vertices.
737 \qed
738
739 \remn{Disconnected graphs}\id{disconn}%
740 The basic properties of minimum spanning trees and the algorithms presented in
741 this chapter apply to minimum spanning forests of disconnected graphs, too.
742 The proofs of our theorems and the steps of our algorithms are based on adjacency
743 of vertices and existence of paths, so they are always local to a~single
744 connected component. The Bor\o{u}vka's and Kruskal's algorithm need no changes,
745 the Jarn\'\i{}k's algorithm has to be invoked separately for each component.
746
747 We can also extend the notion of light and heavy edges with respect
748 to a~tree to forests: When an~edge~$e$ connects two vertices lying in the same
749 tree~$T$ of a~forest~$F$, it is $F$-heavy iff it is $T$-heavy (similarly
750 for $F$-light). Edges connecting two different trees are always considered
751 $F$-light. Again, a~spanning forest~$F$ is minimum iff there are no $F$-light
752 edges.
753
754 \endpart