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Added Edge removal lemma.
[saga.git] / mst.tex
1 \ifx\endpart\undefined
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 canonical 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 of spanning trees}\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{Uniqueness of MST}%
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 \nota\id{mstnota}%
185 When $G$ is a graph with distinct edge weights, we will use $\mst(G)$ to denote
186 its unique minimum spanning tree.
187
188 The following trivial lemma will be often invaluable:
189
190 \lemman{Edge removal}
191 Let~$G$ be a~graph with distinct edge weights and $e$ any its edge
192 which does not lie in~$\mst(G)$. Then $\mst(G-e) = \mst(G)$.
193
194 \proof
195 The tree $T=\mst(G)$ is also a~MST of~$G-e$, because every $T$-light
196 edge in~$G-e$ is also $T$-light in~$G$. Then we apply the uniqueness of
197 the MST of~$G-e$.
198 \qed
199
200 \paran{Comparison oracles}\id{edgeoracle}%
201 To simplify the description of MST algorithms, we will assume that the weights
202 of all edges are distinct and that instead of numeric weights we are given a~comparison oracle.
203 The oracle is a~function that answers questions of type ``Is $w(e)<w(f)$?'' in
204 constant time. This will conveniently shield us from problems with representation
205 of real numbers in algorithms and in the few cases where we need a more concrete
206 input, we will explicitly state so.
207
208 In case the weights are not distinct, we can easily break ties by comparing some
209 unique identifiers of edges. According to our characterization of minimum spanning
210 trees, the unique MST of the new graph will still be a~MST of the original graph.
211
212 \obs
213 If all edge weights are distinct and $T$~is an~arbitrary tree, then for every tree~$T$ all edges are
214 either $T$-heavy, or $T$-light, or contained in~$T$.
215
216 \paran{Monotone isomorphism}%
217 Another useful consequence is that whenever two graphs are isomorphic and the
218 isomorphism preserves the relative order of weights, the isomorphism applies to their MST's as well:
219
220 \defn
221 A~\df{monotone isomorphism} between two weighted graphs $G_1=(V_1,E_1,w_1)$ and
222 $G_2=(V_2,E_2,w_2)$ is a bijection $\pi: V_1\rightarrow V_2$ such that
223 for each $u,v\in V_1: uv\in E_1 \Leftrightarrow \pi(u)\pi(v)\in E_2$ and
224 for each $e,f\in E_1: w_1(e)<w_1(f) \Leftrightarrow w_2(\pi[e]) < w_2(\pi[f])$.
225
226 \lemman{MST of isomorphic graphs}\id{mstiso}%
227 Let~$G_1$ and $G_2$ be two weighted graphs with distinct edge weights and $\pi$
228 a~monotone isomorphism between them. Then $\mst(G_2) = \pi[\mst(G_1)]$.
229
230 \proof
231 The isomorphism~$\pi$ maps spanning trees onto spanning trees and it preserves
232 the relation of covering. Since it is monotone, it preserves the property of
233 being a light edge (an~edge $e\in E(G_1)$ is $T$-light $\Leftrightarrow$
234 the edge $\pi[e]\in E(G_2)$ is~$f[T]$-light). Therefore by the Minimality Theorem
235 (\ref{mstthm}), $T$ is the MST of~$G_1$ if and only if $\pi[T]$ is the MST of~$G_2$.
236 \qed
237
238 %--------------------------------------------------------------------------------
239
240 \section{The Red-Blue meta-algorithm}
241
242 Most MST algorithms can be described as special cases of the following procedure
243 (again following Tarjan \cite{tarjan:dsna}):
244
245 \algn{Red-Blue Meta-Algorithm}\id{rbma}%
246 \algo
247 \algin A~graph $G$ with an edge comparison oracle (see \ref{edgeoracle})
248 \:In the beginning, all edges are colored black.
249 \:Apply rules as long as possible:
250 \::Either pick a cut~$C$ such that its lightest edge is not blue \hfil\break and color this edge blue, \cmt{Blue rule}
251 \::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}
252 \algout Minimum spanning tree of~$G$ consisting of edges colored blue.
253 \endalgo
254
255 \para
256 This procedure is not a proper algorithm, since it does not specify how to choose
257 the rule to apply. We will however prove that no matter how the rules are applied,
258 the procedure always stops and gives the correct result. Also, it will turn out
259 that each of the classical MST algorithms can be described as a specific way
260 of choosing the rules in this procedure, which justifies the name meta-algorithm.
261
262 \nota
263 We will denote the unique minimum spanning tree of the input graph by~$T_{min}$.
264 We intend to prove that this is also the output of the procedure.
265
266 \paran{Correctness}%
267 Let us prove that the meta-algorithm is correct. First we show that the edges colored
268 blue in any step of the procedure always belong to~$T_{min}$ and that edges colored
269 red are guaranteed to be outside~$T_{min}$. Then we demonstrate that the procedure
270 always stops. We will prefer a~slightly more general formulation of the lemmata, which will turn out
271 to be useful in the future chapters.
272
273 \lemman{Blue lemma, also known as the Cut rule}\id{bluelemma}%
274 The lightest edge of every cut is contained in the MST.
275
276 \proof
277 By contradiction. Let $e$ be the lightest edge of a cut~$C$.
278 If $e\not\in T_{min}$, then there must exist an edge $e'\in T_{min}$ that is
279 contained in~$C$ (take any pair of vertices separated by~$C$: the path
280 in~$T_{min}$ joining these vertices must cross~$C$ at least once). Exchanging
281 $e$ for $e'$ in $T_{min}$ yields an even lighter spanning tree since
282 $w(e)<w(e')$.
283 \qed
284
285 \lemman{Red lemma, also known as the Cycle rule}\id{redlemma}%
286 An~edge~$e$ is not contained in the MST iff it is the heaviest on some cycle.
287
288 \proof
289 The implication from the left to the right follows directly from the Minimality
290 theorem: if~$e\not\in T_{min}$, then $e$~is $T_{min}$-heavy and so it is the heaviest
291 edge on the cycle $T_{min}[e]+e$.
292
293 We will prove the other implication again by contradiction. Suppose that $e$ is the heaviest edge of
294 a cycle~$C$ and that $e\in T_{min}$. Removing $e$ causes $T_{min}$ to split
295 to two components, let us call them $T_x$ and~$T_y$. Some vertices of~$C$ now lie in~$T_x$, the
296 others in~$T_y$, so there must exist in edge $e'\ne e$ such that its endpoints lie in different
297 components. Since $w(e')<w(e)$, exchanging $e$ for~$e'$ yields a~spanning tree lighter than
298 $T_{min}$.
299 \qed
300
301 \figure{mst-rb.eps}{289pt}{Proof of the Blue (left) and Red (right) lemma}
302
303 \lemman{Black lemma}%
304 As long as there exists a black edge, at least one rule can be applied.
305
306 \proof
307 Assume that $e=xy$ be a black edge. Let us denote $M$ the set of vertices
308 reachable from~$x$ using only blue edges. If $y$~lies in~$M$, then $e$ together
309 with some blue path between $x$ and $y$ forms a cycle and it must be the heaviest
310 edge on this cycle. This holds because all blue edges have been already proven
311 to be in $T_{min}$ and there can be no $T_{min}$-light edges (see Theorem~\ref{mstthm}).
312 In this case we can apply the Red rule.
313
314 On the other hand, if $y\not\in M$, then the cut formed by all edges between $M$
315 and $V(G)\setminus M$ contains no blue edges, therefore we can use the Blue rule.
316 \qed
317
318 \figure{mst-bez.eps}{295pt}{Configurations in the proof of the Black lemma}
319
320 \thmn{Red-Blue correctness}%
321 For any selection of rules, the Red-Blue procedure stops and the blue edges form
322 the minimum spanning tree of the input graph.
323
324 \proof
325 To prove that the procedure stops, let us notice that no edge is ever recolored,
326 so we must run out of black edges after at most~$m$ steps. Recoloring
327 to the same color is avoided by the conditions built in the rules, recoloring to
328 a different color would mean that the edge would be both inside and outside~$T_{min}$
329 due to our Red and Blue lemmata.
330
331 When no further rules can be applied, the Black lemma guarantees that all edges
332 are colored, so by the Blue lemma all blue edges are in~$T_{min}$ and by the Red
333 lemma all other (red) edges are outside~$T_{min}$, so the blue edges are exactly~$T_{min}$.
334 \qed
335
336 \rem
337 The MST problem is a~special case of the problem of finding the minimum basis
338 of a~weighted matroid. Surprisingly, when we modify the Red-Blue procedure to
339 use the standard definitions of cycles and cuts in matroids, it will always
340 find the minimum basis. Some of the other MST algorithms also easily generalize to
341 matroids and in some sense matroids are exactly the objects where ``the greedy approach works''. We
342 will however not pursue this direction in our work, referring the reader to the Oxley's monograph
343 \cite{oxley:matroids} instead.
344
345 %--------------------------------------------------------------------------------
346
347 \section{Classical algorithms}\id{classalg}%
348
349 The three classical MST algorithms can be easily stated in terms of the Red-Blue meta-algorithm.
350 For each of them, we first show the general version of the algorithm, then we prove that
351 it gives the correct result and finally we discuss the time complexity of various
352 implementations.
353
354 \paran{Bor\o{u}vka's algorithm}%
355 The oldest MST algorithm is based on a~simple idea: grow a~forest in a~sequence of
356 iterations until it becomes connected. We start with a~forest of isolated
357 vertices. In each iteration, we let each tree of the forest select the lightest
358 edge of those having exactly one endpoint in the tree (we will call such edges
359 the \df{neighboring edges} of the tree). We add all such edges to the forest and
360 proceed with the next iteration.
361
362 \algn{Bor\o{u}vka \cite{boruvka:ojistem}, Choquet \cite{choquet:mst}, Sollin \cite{sollin:mst} and others}
363 \algo
364 \algin A~graph~$G$ with an edge comparison oracle.
365 \:$T\=$ a forest consisting of vertices of~$G$ and no edges.
366 \:While $T$ is not connected:
367 \::For each component $T_i$ of~$T$, choose the lightest edge $e_i$ from the cut
368    separating $T_i$ from the rest of~$T$.
369 \::Add all $e_i$'s to~$T$.
370 \algout Minimum spanning tree~$T$.
371 \endalgo
372
373 \lemma\id{boruvkadrop}%
374 In each iteration of the algorithm, the number of trees in~$T$ drops at least twice.
375
376 \proof
377 Each tree gets merged with at least one of its neighbors, so each of the new trees
378 contains two or more original trees.
379 \qed
380
381 \cor
382 The algorithm stops in $\O(\log n)$ iterations.
383
384 \lemma\id{borcorr}%
385 Bor\o{u}vka's algorithm outputs the MST of the input graph.
386
387 \proof
388 In every iteration of the algorithm, $T$ is a blue subgraph,
389 because every addition of some edge~$e_i$ to~$T$ is a straightforward
390 application of the Blue rule. We stop when the blue subgraph is connected, so
391 we do not need the Red rule to explicitly exclude edges.
392
393 It remains to show that adding the edges simultaneously does not
394 produce a cycle. Consider the first iteration of the algorithm where $T$ contains a~cycle~$C$. Without
395 loss of generality we can assume that:
396 $$C=T_1[u_1v_1]\,v_1u_2\,T_2[u_2v_2]\,v_2u_3\,T_3[u_3v_3]\, \ldots \,T_k[u_kv_k]\,v_ku_1.$$
397 Each component $T_i$ has chosen its lightest incident edge~$e_i$ as either the edge $v_iu_{i+1}$
398 or $v_{i-1}u_i$ (indexing cyclically). Suppose that $e_1=v_1u_2$ (otherwise we reverse the orientation
399 of the cycle). Then $e_2=v_2u_3$ and $w(e_2)<w(e_1)$ and we can continue in the same way,
400 getting $w(e_1)>w(e_2)>\ldots>w(e_k)>w(e_1)$, which is a contradiction.
401 (Note that distinctness of edge weights was crucial here.)
402 \qed
403
404 \lemma\id{boruvkaiter}%
405 Each iteration can be carried out in time $\O(m)$.
406
407 \proof
408 We assign a label to each tree and we keep a mapping from vertices to the
409 labels of the trees they belong to. We scan all edges, map their endpoints
410 to the particular trees and for each tree we maintain the lightest incident edge
411 so far encountered. Instead of merging the trees one by one (which would be too
412 slow), we build an auxiliary graph whose vertices are the labels of the original
413 trees and edges correspond to the chosen lightest inter-tree edges. We find connected
414 components of this graph, these determine how are the original labels translated
415 to the new labels.
416 \qed
417
418 \thm
419 Bor\o{u}vka's algorithm finds the MST in time $\O(m\log n)$.
420
421 \proof
422 Follows from the previous lemmata.
423 \qed
424
425 \paran{Jarn\'\i{}k's algorithm}%
426 The next algorithm, discovered independently by Jarn\'\i{}k, Prim and Dijkstra, is similar
427 to Bor\o{u}vka's algorithm, but instead of the whole forest it concentrates on
428 a~single tree. It starts with a~single vertex and it repeatedly extends the tree
429 by the lightest neighboring edge until it spans the whole graph.
430
431 \algn{Jarn\'\i{}k \cite{jarnik:ojistem}, Prim \cite{prim:mst}, Dijkstra \cite{dijkstra:mst}}\id{jarnik}%
432 \algo
433 \algin A~graph~$G$ with an edge comparison oracle.
434 \:$T\=$ a single-vertex tree containing an~arbitrary vertex of~$G$.
435 \:While there are vertices outside $T$:
436 \::Pick the lightest edge $uv$ such that $u\in V(T)$ and $v\not\in V(T)$.
437 \::$T\=T+uv$.
438 \algout Minimum spanning tree~$T$.
439 \endalgo
440
441 \lemma
442 Jarn\'\i{}k's algorithm computes the MST of the input graph.
443
444 \proof
445 If~$G$ is connected, the algorithm always stops. Let us prove that in every step of
446 the algorithm, $T$ is always a blue tree. Step~4 corresponds to applying
447 the Blue rule to the cut $\delta(T)$ separating~$T$ from the rest of the given graph. We need not care about
448 the remaining edges, since for a connected graph the algorithm always stops with the right
449 number of blue edges.
450 \qed
451
452 \impl\id{jarnimpl}%
453 The most important part of the algorithm is finding \em{neighboring edges.}
454 In a~straightforward implementation, searching for the lightest neighboring
455 edge takes $\Theta(m)$ time, so the whole algorithm runs in time $\Theta(mn)$.
456
457 We can do much better by using a binary
458 heap to hold all neighboring edges. In each iteration, we find and delete the
459 minimum edge from the heap and once we expand the tree, we insert the newly discovered
460 neighboring edges to the heap while deleting the neighboring edges that become
461 internal to the new tree. Since there are always at most~$m$ edges in the heap,
462 each heap operation takes $\O(\log m)=\O(\log n)$ time. For every edge, we perform
463 at most one insertion and at most one deletion, so we spend $\O(m\log n)$ time in total.
464 From this, we can conclude:
465
466 \thm
467 Jarn\'\i{}k's algorithm computes the MST of a~given graph in time $\O(m\log n)$.
468
469 \rem
470 We will show several faster implementations in section \ref{iteralg}.
471
472 \paran{Kruskal's algorithm}%
473 The last of the three classical algorithms processes the edges of the
474 graph~$G$ greedily. It starts with an~empty forest and it takes the edges of~$G$
475 in order of their increasing weights. For every edge, it checks whether its
476 addition to the forest produces a~cycle and if it does not, the edge is added.
477 Otherwise, the edge is dropped and not considered again.
478
479 \algn{Kruskal \cite{kruskal:mst}}
480 \algo
481 \algin A~graph~$G$ with an edge comparison oracle.
482 \:Sort edges of~$G$ by their increasing weights.
483 \:$T\=\emptyset$. \cmt{an empty spanning subgraph}
484 \:For all edges $e$ in their sorted order:
485 \::If $T+e$ is acyclic, add~$e$ to~$T$.
486 \::Otherwise drop~$e$.
487 \algout Minimum spanning tree~$T$.
488 \endalgo
489
490 \lemma
491 Kruskal's algorithm returns the MST of the input graph.
492
493 \proof
494 In every step, $T$ is a forest of blue trees. Adding~$e$ to~$T$
495 in step~4 applies the Blue rule on the cut separating some pair of components of~$T$ ($e$ is the lightest,
496 because all other edges of the cut have not been considered yet). Dropping~$e$ in step~5 corresponds
497 to the Red rule on the cycle found ($e$~must be the heaviest, since all other edges of the
498 cycle have been already processed). At the end of the algorithm, all edges are colored,
499 so~$T$ must be the~MST.
500 \qed
501
502 \impl
503 Except for the initial sorting, which in general requires $\Theta(m\log m)$ time, the only
504 other non-trivial operation is the detection of cycles. What we need is a~data structure
505 for maintaining connected components, which supports queries and edge insertion.
506 This is closely related to the well-known Disjoint Set Union problem:
507
508 \problemn{Disjoint Set Union (DSU)}
509 Maintain an~equivalence relation on a~finite set under a~sequence of operations \<Union>
510 and \<Find>. The \<Find> operation tests whether two elements are equivalent and \<Union>
511 joins two different equivalence classes into one.
512
513 \para
514 We can maintain the connected components of our forest~$T$ as equivalence classes. When we want
515 to add an~edge~$uv$, we first call $\<Find>(u,v)$ to check if both endpoints of the edge lie in
516 the same components. If they do not, addition of this edge connects both components into one,
517 so we perform $\<Union>(u,v)$ to merge the equivalence classes.
518
519 Tarjan and van Leeuwen have shown that there is a~data structure for the DSU problem
520 with surprising efficiency:
521
522 \thmn{Disjoint Set Union, Tarjan and van Leeuwen \cite{tarjan:setunion}}\id{dfu}%
523 Starting with a~trivial equivalence with single-element classes, a~sequence of operations
524 comprising of $n$~\<Union>s intermixed with $m\ge n$~\<Find>s can be processed in time
525 $\O(m\timesalpha(m,n))$, where $\alpha(m,n)$ is a~certain inverse of the Ackermann's function
526 (see Definition \ref{ackerinv}).
527
528 \proof
529 See \cite{tarjan:setunion}.
530 \qed
531
532 This completes the following theorem:
533
534 \thm\id{kruskal}%
535 Kruskal's algorithm finds the MST of a given graph in time $\O(m\log n)$.
536 If the edges are already sorted by their weights, the time drops to
537 $\O(m\timesalpha(m,n))$.
538
539 \proof
540 We spend $\O(m\log n)$ on sorting, $\O(m\timesalpha(m,n))$ on processing the sequence
541 of \<Union>s and \<Find>s, and $\O(m)$ on all other work.
542 \qed
543
544 \rem
545 The cost of the \<Union> and \<Find> operations is of course dwarfed by the complexity
546 of sorting, so a much simpler (at least in terms of its analysis) data
547 structure would be sufficient, as long as it has $\O(\log n)$ amortized complexity
548 per operation. For example, we can label vertices with identifiers of the
549 corresponding components and always relabel the smaller of the two components.
550
551 We will study dynamic maintenance of connected components in more detail in Chapter~\ref{dynchap}.
552
553 %--------------------------------------------------------------------------------
554
555 \section{Contractive algorithms}\id{contalg}%
556
557 While the classical algorithms are based on growing suitable trees, they
558 can be also reformulated in terms of edge contraction. Instead of keeping
559 a~forest of trees, we can keep each tree contracted to a single vertex.
560 This replaces the relatively complex tree-edge incidencies by simple
561 vertex-edge incidencies, potentially speeding up the calculation at the
562 expense of having to perform the contractions.
563
564 We will show a contractive version of the Bor\o{u}vka's algorithm
565 in which these costs are carefully balanced, leading for example to
566 a linear-time algorithm for MST in planar graphs.
567
568 There are two definitions of edge contraction that differ when an edge of
569 a~triangle is contracted. Either we unify the other two edges to a single edge
570 or we keep them as two parallel edges, leaving us with a~multigraph. We will
571 use the multigraph version and we will show that we can easily reduce the multigraph
572 to a simple graph later. (See \ref{contract} for the exact definitions.)
573
574 We only need to be able to map edges of the contracted graph to the original
575 edges, so each edge will carry a unique label $\ell(e)$ that will be preserved by
576 contractions.
577
578 \lemman{Flattening a multigraph}\id{flattening}%
579 Let $G$ be a multigraph and $G'$ its subgraph such that all loops have been
580 removed and each bundle of parallel edges replaced by its lightest edge.
581 Then $G'$~has the same MST as~$G$.
582
583 \proof
584 Every spanning tree of~$G'$ is a spanning tree of~$G$. In the other direction:
585 Loops can be never contained in a spanning tree. If there is a spanning tree~$T$
586 containing a~removed edge~$e$ parallel to an edge~$e'\in G'$, exchanging $e'$
587 for~$e$ makes~$T$ lighter. (This is indeed the multigraph version of the Red
588 lemma applied to a~two-edge cycle, as we will see in \ref{multimst}.)
589 \qed
590
591 \algn{Contractive version of Bor\o{u}vka's algorithm}\id{contbor}
592 \algo
593 \algin A~graph~$G$ with an edge comparison oracle.
594 \:$T\=\emptyset$.
595 \:$\ell(e)\=e$ for all edges~$e$. \cmt{Initialize the labels.}
596 \:While $n(G)>1$:
597 \::For each vertex $v_k$ of~$G$, let $e_k$ be the lightest edge incident to~$v_k$.
598 \::$T\=T\cup \{ \ell(e_k) \}$. \cmt{Remember labels of all selected edges.}
599 \::Contract all edges $e_k$, inheriting labels and weights.\foot{In other words, we ask the comparison oracle for the edge $\ell(e)$ instead of~$e$.}
600 \::Flatten $G$, removing parallel edges and loops.
601 \algout Minimum spanning tree~$T$.
602 \endalgo
603
604 \nota
605 For the analysis of the algorithm, we will denote the graph considered by the algorithm
606 at the beginning of the $i$-th iteration by $G_i$ (starting with $G_0=G$) and the number
607 of vertices and edges of this graph by $n_i$ and $m_i$ respectively.
608
609 \lemma\id{contiter}%
610 The $i$-th iteration of the algorithm (also called the \df{Bor\o{u}vka step}) can be carried
611 out in time~$\O(m_i)$.
612
613 \proof
614 The only non-trivial parts are steps 6 and~7. Contractions can be handled similarly
615 to the unions in the original Bor\o{u}vka's algorithm (see \ref{boruvkaiter}):
616 We build an auxiliary graph containing only the selected edges~$e_k$, find
617 connected components of this graph and renumber vertices in each component to
618 the identifier of the component. This takes $\O(m_i)$ time.
619
620 Flattening is performed by first removing the loops and then bucket-sorting the edges
621 (as ordered pairs of vertex identifiers) lexicographically, which brings parallel
622 edges together. The bucket sort uses two passes with $n_i$~buckets, so it takes
623 $\O(n_i+m_i)=\O(m_i)$.
624 \qed
625
626 \thm\id{contborthm}%
627 The Contractive Bor\o{u}vka's algorithm finds the MST of the input graph in
628 time $\O(\min(n^2,m\log n))$.
629
630 \proof
631 As in the original Bor\o{u}vka's algorithm, the number of iterations is $\O(\log n)$.
632 When combined with the previous lemma, it gives an~$\O(m\log n)$ upper bound.
633
634 To get the $\O(n^2)$ bound, we observe that the number of trees in the non-contracting
635 version of the algorithm drops at least by a factor of two in each iteration (Lemma \ref{boruvkadrop})
636 and the same must hold for the number of vertices in the contracting version.
637 Therefore $n_i\le n/2^i$. While the number of edges need not decrease geometrically,
638 we still have $m_i\le n_i^2$ as the graphs~$G_i$ are simple (we explicitly removed multiple
639 edges and loops at the end of the previous iteration). Hence the total time spent
640 in all iterations is $\O(\sum_i n_i^2) = \O(\sum_i n^2/4^i) = \O(n^2)$.
641 \qed
642
643 \thmn{Contractive Bor\o{u}vka on planar graphs, \cite{mm:mst}}\id{planarbor}%
644 When the input graph is planar, the Contractive Bor\o{u}vka's algorithm runs in
645 time $\O(n)$.
646
647 \proof
648 Let us refine the previous proof. We already know that $n_i \le n/2^i$. We will
649 prove that when~$G$ is planar, the $m_i$'s are decreasing geometrically. We know that every
650 $G_i$ is planar, because the class of planar graphs is closed under edge deletion and
651 contraction. Moreover, $G_i$~is also simple, so we can use the standard theorem on
652 the number of edges of planar simple graphs (see for example \cite{diestel:gt}) to get $m_i\le 3n_i \le 3n/2^i$.
653 The total time complexity of the algorithm is therefore $\O(\sum_i m_i)=\O(\sum_i n/2^i)=\O(n)$.
654 \qed
655
656 \rem
657 There are several other possibilities how to find the MST of a planar graph in linear time.
658 For example, Matsui \cite{matsui:planar} has described an algorithm based on simultaneously
659 working on the graph and its topological dual. The advantage of our approach is that we do not need
660 to construct the planar embedding explicitly. We will show one more linear algorithm
661 in section~\ref{minorclosed}.
662
663 \rem
664 To achieve the linear time complexity, the algorithm needs a very careful implementation,
665 but we defer the technical details to section~\ref{bucketsort}.
666
667 \paran{General contractions}%
668 Graph contractions are indeed a~very powerful tool and they can be used in other MST
669 algorithms as well. The following lemma shows the gist:
670
671 \lemman{Contraction of MST edges}\id{contlemma}%
672 Let $G$ be a weighted graph, $e$~an arbitrary edge of~$\mst(G)$, $G/e$ the multigraph
673 produced by contracting~$e$ in~$G$, and $\pi$ the bijection between edges of~$G-e$ and
674 their counterparts in~$G/e$. Then: $$\mst(G) = \pi^{-1}[\mst(G/e)] + e.$$
675
676 \proof
677 % We seem not to need this lemma for multigraphs...
678 %If there are any loops or parallel edges in~$G$, we can flatten the graph. According to the
679 %Flattening lemma (\ref{flattening}), the MST stays the same and if we remove a parallel edge
680 %or loop~$f$, then $\pi(f)$ would be removed when flattening~$G/e$, so $f$ never participates
681 %in a MST.
682 The right-hand side of the equality is a spanning tree of~$G$, let us denote it by~$T$ and
683 the MST of $G/e$ by~$T'$. If $T$ were not minimum, there would exist a $T$-light edge~$f$ in~$G$
684 (by Theorem \ref{mstthm}). If the path $T[f]$ covered by~$f$ does not contain~$e$,
685 then $\pi[T[f]]$ is a path covered by~$\pi(f)$ in~$T'$. Otherwise $\pi(T[f]-e)$ is such a path.
686 In both cases, $f$ is $T'$-light, which contradicts the minimality of~$T'$. (We do not have
687 a~multigraph version of the theorem, but the side we need is a~straightforward edge exchange,
688 which obviously works in multigraphs as well.)
689 \qed
690
691 \rem
692 In the previous algorithm, the role of the mapping~$\pi^{-1}$ is of course played by the edge labels~$\ell$.
693
694 \paran{A~lower bound}%
695 Finally, we will show a family of graphs for which the $\O(m\log n)$ bound on time complexity
696 is tight. The graphs do not have unique weights, but they are constructed in a way that
697 the algorithm never compares two edges with the same weight. Therefore, when two such
698 graphs are monotonically isomorphic (see~\ref{mstiso}), the algorithm processes them in the same way.
699
700 \defn
701 A~\df{distractor of order~$k$,} denoted by~$D_k$, is a path on $n=2^k$~vertices $v_1,\ldots,v_n$
702 where each edge $v_iv_{i+1}$ has its weight equal to the number of trailing zeroes in the binary
703 representation of the number~$i$. The vertex $v_1$ is called a~\df{base} of the distractor.
704
705 \rem
706 Alternatively, we can use a recursive definition: $D_0$ is a single vertex, $D_{k+1}$ consists
707 of two disjoint copies of~$D_k$ joined by an edge of weight~$k$.
708
709 \figure{distractor.eps}{\epsfxsize}{A~distractor $D_3$ and its evolution (bold edges are contracted)}
710
711 \lemma
712 A~single iteration of the contractive algorithm reduces~$D_k$ to a graph isomorphic with~$D_{k-1}$.
713
714 \proof
715 Each vertex~$v$ of~$D_k$ is incident with a single edge of weight~1. The algorithm therefore
716 selects all weight~1 edges and contracts them. This produces a graph which is
717 exactly $D_{k-1}$ with all weights increased by~1, which does not change the relative order of edges.
718 \qed
719
720 \defn
721 A~\df{hedgehog}~$H_{a,k}$ is a graph consisting of $a$~distractors $D_k^1,\ldots,D_k^a$ of order~$k$
722 together with edges of a complete graph on the bases of the distractors. These additional edges
723 have arbitrary weights, but heavier than the edges of all distractors.
724
725 \figure{hedgehog.eps}{\epsfxsize}{A~hedgehog $H_{5,2}$ (quills bent to fit in the picture)}
726
727 \lemma
728 A~single iteration of the contractive algorithm reduces~$H_{a,k}$ to a graph isomorphic with $H_{a,k-1}$.
729
730 \proof
731 Each vertex is incident with an edge of some distractor, so the algorithm does not select
732 any edge of the complete graph. Contraction therefore reduces each distractor to a smaller
733 distractor (modulo an additive factor in weight) and leaves the complete graph intact.
734 This is monotonely isomorphic to $H_{a,k-1}$.
735 \qed
736
737 \thmn{Lower bound for Contractive Bor\o{u}vka}%
738 For each $n$ there exists a graph on $\Theta(n)$ vertices and $\Theta(n)$ edges
739 such that the Contractive Bor\o{u}vka's algorithm spends time $\Omega(n\log n)$ on it.
740
741 \proof
742 Consider the hedgehog $H_{a,k}$ for $a=\lceil\sqrt n\rceil$ and $k=\lceil\log_2 a\rceil$.
743 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
744 as we wanted.
745
746 By the previous lemma, the algorithm proceeds through a sequence of hedgehogs $H_{a,k},
747 H_{a,k-1}, \ldots, H_{a,0}$ (up to monotone isomorphism), so it needs a logarithmic number of iterations plus some more
748 to finish on the remaining complete graph. Each iteration runs on a graph with $\Omega(n)$
749 edges as every $H_{a,k}$ contains a complete graph on~$a$ vertices.
750 \qed
751
752 %--------------------------------------------------------------------------------
753
754 \section{Lifting restrictions}
755
756 In order to have a~simple and neat theory, we have introduced several restrictions
757 on the graphs in which we search for the MST. As in some rare cases we are going to
758 meet graphs that do not fit into this simplified world, let us quickly examine what
759 happens when the restrictions are lifted.
760
761 \paran{Disconnected graphs}\id{disconn}%
762 The basic properties of minimum spanning trees and the algorithms presented in
763 this chapter apply to minimum spanning forests of disconnected graphs, too.
764 The proofs of our theorems and the steps of our algorithms are based on adjacency
765 of vertices and existence of paths, so they are always local to a~single
766 connected component. The Bor\o{u}vka's and Kruskal's algorithm need no changes,
767 the Jarn\'\i{}k's algorithm has to be invoked separately for each component.
768
769 We can also extend the notion of light and heavy edges with respect
770 to a~tree to forests: When an~edge~$e$ connects two vertices lying in the same
771 tree~$T$ of a~forest~$F$, it is $F$-heavy iff it is $T$-heavy (similarly
772 for $F$-light). Edges connecting two different trees are always considered
773 $F$-light. Again, a~spanning forest~$F$ is minimum iff there are no $F$-light
774 edges.
775
776 \paran{Multigraphs}\id{multimst}%
777 All theorems and algorithms from this chapter work for multigraphs as well,
778 only the notation sometimes gets crabbed, which we preferred to avoid. The Minimality
779 theorem and the Blue rule stay unchanged. The Red rule is naturally extended to
780 self-loops (which are never in the MST) and two-edge cycles (where the heavier
781 edge can be dropped) as already suggested in the Flattening lemma (\ref{flattening}).
782
783 \paran{Multiple edges of the same weight}\id{multiweight}%
784 In case when the edge weights are not distinct, the characterization of minimum
785 spanning trees using light edges is still correct, but the MST is no longer unique
786 (as already mentioned, there can be as much as~$n^{n-2}$ MST's).
787
788 In the Red-Blue procedure, we have to avoid being too zealous. The Blue lemma cannot
789 guarantee that when a~cut contains multiple edges of the minimum weight, all of them
790 are in the MST. It will however tell that if we pick one of these edges, an~arbitrary
791 MST can be modified to another MST that contains this edge. Therefore the Blue rule
792 will change to ``Pick a~cut~$C$ such that it does not contain any blue edge and color
793 one of its lightest edges blue.'' The Red lemma and the Red rule can be handled
794 in a~similar manner. The modified algorithm will be then guaranteed to find one of
795 the possible MST's.
796
797 The Kruskal's and Jarn\'\i{}k's algorithms keep working. This is however not the case of the
798 Bor\o{u}vka's algorithm, whose proof of correctness in Lemma \ref{borcorr} explicitly referred to
799 distinct weights and indeed, if they are not distinct, the algorithm will occasionally produce
800 cycles. To avoid the cycles, the ties in edge weight comparisons have to be broken in a~systematic
801 way. The same applies to the contractive version of this algorithm.
802
803 \endpart