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