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Classical ones.
[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\accent23uvka
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\thmid{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 which 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\accent23uvka'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 Recently, several significantly faster algorithms were discovered, most notably the
45 $\O(m\beta(m,n))$-time algorithm by Fredman and Tarjan \cite{ft:fibonacci} and
46 algorithms with inverse-Ackermann type complexity by Chazelle \cite{chazelle:ackermann}
47 and Pettie \cite{pettie:ackermann}.
48
49 \FIXME{Write the rest of the history.}
50
51 This chapter attempts to survery the important algorithms for finding the MST and it
52 also presents several new ones.
53
54 \section{Basic Properties}
55
56 In this section, we will examine the basic properties of spanning trees and prove
57 several important theorems to base the algorithms upon. We will follow the theory
58 developed by Tarjan in~\cite{tarjan:dsna}.
59
60 For the whole section, we will fix a graph~$G$ with edge weights~$w$ and all
61 other graphs will be spanning subgraphs of~$G$. We will use the same notation
62 for the subgraphs as for the corresponding sets of edges.
63
64 First of all, let us show that the weights on edges are not necessary for the
65 definition of the MST. We can formulate an equivalent characterization using
66 an ordering of edges instead.
67
68 \defnn{Heavy and light edges}\thmid{heavy}%
69 Let~$T$ be a~spanning tree. Then:
70 \itemize\ibull
71 \:For vertices $x$ and $y$, let $T[x,y]$ denote the (unique) path in~$T$ joining $x$ and~$y$.
72 \:For an edge $e=xy$ we will call $T[e]:=T[x,y]$ the \df{path covered by~$e$} and
73   the edges of this path \df{edges covered by~$e$}.
74 \: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
75   is an edge $f\in T[e]$ such that $w(f) > w(e)$.
76 \:An edge~$e$ is called \df{$T$-heavy} if it is not $T$-light.
77 \endlist
78
79 \rem
80 Please note that the above properties also apply to tree edges
81 which by definition cover only themselves and therefore they are always heavy.
82
83 \lemman{Light edges}\thmid{lightlemma}%
84 Let $T$ be a spanning tree. If there exists a $T$-light edge, then~$T$
85 is not minimum.
86
87 \proof
88 If there is a $T$-light edge~$e$, then there exists an edge $e'\in T[e]$ such
89 that $w(e')>w(e)$. Now $T-e'$ is a forest of two trees with endpoints of~$e$
90 located in different components, so adding $e$ to this forest must restore
91 connectivity and $T':=T-e'+e$ is another spanning tree with weight $w(T')
92 = w(T)-w(e')+w(e) < w(T)$. Hence $T$ could not have been minimum.
93 \qed
94
95 \figure{mst2.eps}{278pt}{An edge exchange as in the proof of Lemma~\thmref{lightlemma}}
96
97 The converse of this lemma is also true and to prove it, we will once again use
98 technique of transforming trees by \df{exchanges} of edges. In the proof of the
99 lemma, we have made use of the fact that whenever we exchange an edge~$e$ of
100 a spanning tree for another edge~$f$ covered by~$e$, the result is again
101 a spanning tree. In fact, it is possible to transform any spanning tree
102 to any other spanning tree by a sequence of exchanges.
103
104 \lemman{Exchange property for trees}\thmid{xchglemma}%
105 Let $T$ and $T'$ be spanning trees of a common graph. Then there exists
106 a sequence of edge exchanges which transforms $T$ to~$T'$. More formally,
107 there exists a sequence of spanning trees $T=T_0,T_1,\ldots,T_k=T'$ such that
108 $T_{i+1}=T_i - e_i + e_i^\prime$ where $e_i\in T_i$ and $e_i^\prime\in T'$.
109
110 \proof
111 By induction on $d(T,T'):=\vert T\symdiff T'\vert$. When $d(T,T')=0$,
112 both trees are identical and no exchanges are needed. Otherwise, the trees are different,
113 but as they are of the same size, there must exist an edge $e'\in T'\setminus T$.
114 The cycle $T[e']+e'$ cannot be wholly contained in~$T'$, so there also must
115 exist an edge $e\in T[e']\setminus T'$. Exchanging $e$ for~$e'$ yields a spanning
116 tree $T^*:=T-e+e'$ such that $d(T^*,T')=d(T,T')-2$ and we can apply the induction
117 hypothesis to $T^*$ and $T'$ to get the rest of the exchange sequence.
118 \qed
119
120 \figure{mst1.eps}{295pt}{One step of the proof of Lemma~\thmref{xchglemma}}
121
122 \lemman{Monotone exchanges}\thmid{monoxchg}%
123 Let $T$ be a spanning tree such that there are no $T$-light edges and $T'$
124 be an arbitrary spanning tree. Then there exists a sequence of edge exchanges
125 transforming $T$ to~$T'$ such that the weight does not increase in any step.
126
127 \proof
128 We improve the argument from the previous proof, refining the induction step.
129 When we exchange $e\in T$ for $e'\in T'\setminus T$ such that $e\in T[e']$,
130 the weight never drops, since $e'$ is not a $T$-light edge and therefore
131 $w(e') \ge w(e)$, so $w(T^*)=w(T)-w(e)+w(e')\ge w(T)$.
132
133 To keep the induction going, we have to make sure that there are still no light
134 edges with respect to~$T^*$. In fact, it is enough to avoid such edges in
135 $T'\setminus T^*$, since these are the only edges considered by the induction
136 steps. To accomplish that, we replace the so far arbitrary choice of $e'\in T'\setminus T$
137 by picking the lightest such edge.
138
139 Now consider an edge $f\in T'\setminus T^*$. We want to show that $f$ is not
140 $T^*$-light, i.e., that it is heavier than all edges on $T^*[f]$. The path $T^*[f]$ is
141 either equal to the original path $T[f]$ (if $e\not\in T[f]$) or to $T[f] \symdiff C$,
142 where $C$ is the cycle $T[e']+e'$. The former case is trivial, in the latter one
143 $w(f)\ge w(e')$ due to the choice of $e'$ and all other edges on~$C$ are lighter
144 than~$e'$ as $e'$ was not $T$-light.
145 \qed
146
147 \theorem\thmid{mstthm}%
148 A~spanning tree~$T$ is minimum iff there is no $T$-light edge.
149
150 \proof
151 If~$T$ is minimum, then by Lemma~\thmref{lightlemma} there are no $T$-light
152 edges.
153 Conversely, when $T$ is a spanning tree without $T$-light edges
154 and $T_{min}$ is an arbitrary minimum spanning tree, then according to the Monotone
155 exchange lemma (\thmref{monoxchg}) there exists a non-decreasing sequence
156 of exchanges transforming $T$ to $T_{min}$, so $w(T)\le w(T_{min})$
157 and thus $T$~is also minimum.
158 \qed
159
160 In general, a single graph can have many minimum spanning trees (for example
161 a complete graph on~$n$ vertices and unit edge weights has $n^{n-2}$
162 minimum spanning trees according to the Cayley's formula \cite{cayley:trees}).
163 However, as the following theorem shows, this is possible only if the weight
164 function is not injective.
165
166 \theoremn{MST uniqueness}
167 If all edge weights are distinct, then the minimum spanning tree is unique.
168
169 \proof
170 Consider two minimum spanning trees $T_1$ and~$T_2$. According to the previous
171 theorem, there are no light edges with respect to neither of them, so by the
172 Monotone exchange lemma (\thmref{monoxchg}) there exists a sequence of non-decreasing
173 edge exchanges going from $T_1$ to $T_2$. As all edge weights all distinct,
174 these edge exchanges must be in fact strictly increasing. On the other hand,
175 we know that $w(T_1)=w(T_2)$, so the exchange sequence must be empty and indeed
176 $T_1$ and $T_2$ must be identical.
177 \qed
178
179 \rem\thmid{edgeoracle}%
180 To simplify the description of MST algorithms, we will expect that the weights
181 of all edges are distinct and that instead of numeric weights (usually accompanied
182 by problems with representation of real numbers in algorithms) we will be given
183 a comparison oracle, that is a function which answers questions ``$w(e)<w(f)$?'' in
184 constant time. In case the weights are not distinct, we can easily break ties by
185 comparing some unique edge identifiers and according to our characterization of
186 minimum spanning trees, the unique MST of the new graph will still be a MST of the
187 original graph. In the few cases where we need a more concrete input, we will
188 explicitly state so.
189
190 \section{The Red-Blue Meta-Algorithm}
191
192 Most MST algorithms can be described as special cases of the following procedure
193 (again following \cite{tarjan:dsna}):
194
195 \algn{Red-Blue Meta-Algorithm}
196 \algo
197 \algin A~graph $G$ with an edge comparison oracle (see \thmref{edgeoracle})
198 \:In the beginning, all edges are colored black.
199 \:Apply rules as long as possible:
200 \::Either pick a cut~$C$ such that its lightest edge is not blue \hfil\break and color this edge blue, \cmt{Blue rule}
201 \::Or pick a cycle~$C$ such that its heaviest edge is not red \hfil\break and color this edge \hphantas{red.}{blue.} \cmt{Red rule}
202 \algout Minimum spanning tree of~$G$ consisting of edges colored blue.
203 \endalgo
204
205 \rem
206 This procedure is not a proper algorithm, since it does not specify how to choose
207 the rule to apply. We will however prove that no matter how the rules are applied,
208 the procedure always stops and gives the correct result. Also, it will turn out
209 that each of the classical MST algorithms can be described as a specific way
210 of choosing the rules in this procedure, which justifies the name meta-algorithm.
211
212 \proclaim{Notation}%
213 We will denote the unique minimum spanning tree of the input graph by~$T_{min}$.
214 We intend to prove that this is also the output of the procedure.
215
216 \lemman{Blue lemma}
217 When an edge is colored blue in any step of the procedure, it is contained in the minimum spanning tree.
218
219 \proof
220 By contradiction. Let $e$ be an edge painted blue as the lightest edge of a cut~$C$.
221 If $e\not\in T_{min}$, then there must exist an edge $e'\in T_{min}$ which is
222 contained in~$C$ (take any pair of vertices separated by~$C$, the path
223 in~$T_{min}$ joining these vertices must cross~$C$ at least once). Exchanging
224 $e$ for $e'$ in $T_{min}$ yields an even lighter spanning tree since
225 $w(e)<w(e')$. \qed
226
227 \lemman{Red lemma}
228 When an edge is colored red in any step of the procedure, it is not contained in the minimum spanning tree.
229
230 \proof
231 Again by contradiction. Assume that $e$ is an edge painted red as the heaviest edge
232 of a cycle~$C$ and that $e\in T_{min}$. Removing $e$ causes $T_{min}$ to split to two
233 components, let us call them $T_x$ and $T_y$. Some vertices of~$C$ now lie in $T_x$,
234 the others in $T_y$, so there must exist in edge $e'\ne e$ such that its endpoints
235 lie in different components. Since $w(e')<w(e)$, exchanging $e$ for~$e'$ yields
236 a lighter spanning tree than $T_{min}$.
237 \qed
238
239 \figure{mst-rb.eps}{289pt}{Proof of the Blue (left) and Red (right) lemma}
240
241 \lemman{Black lemma}
242 As long as there exists a black edge, at least one rule can be applied.
243
244 \proof
245 Assume that $e=xy$ be a black edge. Let us denote $M$ the set of vertices
246 reachable from~$x$ using only blue edges. If $y$~lies in~$M$, then $e$ together
247 with some blue path between $x$ and $y$ forms a cycle and it must be the heaviest
248 edge on this cycle. This holds because all blue edges have been already proven
249 to be in $T_{min}$ and there can be no $T_{min}$-light edges (see Theorem~\thmref{mstthm}).
250 In this case we can apply the red rule.
251
252 On the other hand, if $y\not\in M$, then the cut formed by all edges between $M$
253 and $V(G)\setminus M$ contains no blue edges, therefore we can use the blue rule.
254 \qed
255
256 \figure{mst-bez.eps}{295pt}{Configurations in the proof of the Black lemma}
257
258 \theoremn{Red-Blue correctness}
259 For any selection of rules, the Red-Blue procedure stops and the blue edges form
260 the minimum spanning tree of the input graph.
261
262 \proof
263 To prove that the procedure stops, let us notice that no edge is ever recolored,
264 so we must run out of black edges after at most $m$ steps. Recoloring
265 to the same color is avoided by the conditions built in the rules, recoloring to
266 a different color would mean that the an edge would be both inside and outside~$T_{min}$
267 due to our Red and Blue lemmata.
268
269 When no further rules can be applied, the Black lemma guarantees that all edges
270 are colored, so by the Blue lemma all blue edges are in~$T_{min}$ and by the Red
271 lemma all other (red) edges are outside~$T_{min}$, so the blue edges are exactly~$T_{min}$.
272 \qed
273
274 \section{Classical algorithms}
275
276 The three classical MST algorithms can be easily stated in terms of the Red-Blue meta-algorithm.
277
278 \algn{Kruskal \cite{kruskal:mst}}
279 \algo
280 \algin A~graph~$G$ with an edge comparison oracle.
281 \:Sort edges of~$G$ by their increasing weight.
282 \:$T\=\emptyset$. \cmt{an empty spanning subgraph}
283 \:For all edges $e$ in their sorted order:
284 \::If $T+e$ is acyclic, add~$e$ to~$T$.
285 \::Otherwise drop~$e$.
286 \algout Minimum spanning tree~$T$.
287 \endalgo
288
289 \proof
290 During the course of the algorithm, $T$ is a forest with all edges blue. Adding~$e$ to~$T$
291 in step~4 applies the Blue rule on the cut separating two components of~$T$ ($e$ is the lightest,
292 because all other edges of the cut have not been considered yet). Dropping~$e$ in step~5 corresponds
293 to the red rule on the cycle found ($e$~must be the heaviest, since all other edges of the
294 cycle have been already processed). At the end of the algorithm, all edges have been colored,
295 so~$T$ must be the~MST.
296 \qed
297
298 \algn{Jarn\'\i{}k \cite{jarnik:ojistem}, Prim \cite{prim:mst}, Dijkstra \cite{dijkstra:mst}}
299 \algo
300 \algin A~graph~$G$ with an edge comparison oracle.
301 \:$T\=$ a single-vertex tree containing any vertex of~$G$.
302 \:While there are vertices outside $T$:
303 \::Pick the lightest edge $uv$ such that $u\in V(T)$ and $v\not\in V(T)$.
304 \::$T\=T+uv$.
305 \algout Minimum spanning tree~$T$.
306 \endalgo
307
308 \proof
309 In every step of the algorithm, $T$ is always a blue tree. Step~4 corresponds to applying
310 the Blue rule to a cut between~$T$ and the rest of the given graph. We need not care about
311 the remaining edges, since for a connected graph the algorithm always stops with the right
312 number of blue edges.
313 \qed
314
315 \algn{Bor\accent23uvka \cite{boruvka:ojistem}, Choquet \cite{choquet:mst}, Sollin \cite{sollin:mst} and others}
316 \algo
317 \algin A~graph~$G$ with an edge comparison oracle.
318 \:$T\=$ a forest consisting of vertices of~$G$ and no edges.
319 \:While $T$ is not connected:
320 \::For each component $T_i$ of~$T$, choose the lightest edge $e_i$ from the cut
321    separating $T_i$ from the rest of~$T$.
322 \::Add all $e_i$'s to~$T$.
323 \algout Minimum spanning tree~$T$.
324 \endalgo
325
326 \proof
327 Again $T$ is a blue forest, because every addition of some edge~$e_i$ to~$T$ is a straightforward
328 application of the Blue rule. It remains to show that adding the edges simultaneously does not
329 produce a cycle.
330 \FIXME{Finish}
331 \qed
332
333 \algn{Contracting version of Bor\accent23uvka's algorithm}
334
335 % G has to be connected
336 % mention Steiner trees
337 % mention matroids
338 % sorted weights
339
340 \endpart