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Boruvka steps.
[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 %--------------------------------------------------------------------------------
320
321 \section{Classical algorithms}\id{classalg}%
322
323 The three classical MST algorithms can be easily stated in terms of the Red-Blue meta-algorithm.
324 For each of them, we first show the general version of the algorithm, then we prove that
325 it gives the correct result and finally we discuss the time complexity of various
326 implementations.
327
328 \paran{Bor\o{u}vka's algorithm}%
329 The oldest MST algorithm is based on a~simple idea: grow a~forest in a~sequence of
330 iterations until it becomes connected. We start with a~forest of isolated
331 vertices. In each iteration, we let each tree of the forest select the lightest
332 edge of those having exactly one endpoint in the tree (we will call such edges
333 the \df{neighboring edges} of the tree). We add all such edges to the forest and
334 pAroceed with the next iteration.
335
336 \algn{Bor\o{u}vka \cite{boruvka:ojistem}, Choquet \cite{choquet:mst}, Sollin \cite{sollin:mst} and others}
337 \algo
338 \algin A~graph~$G$ with an edge comparison oracle.
339 \:$T\=$ a forest consisting of vertices of~$G$ and no edges.
340 \:While $T$ is not connected:
341 \::For each component $T_i$ of~$T$, choose the lightest edge $e_i$ from the cut
342    separating $T_i$ from the rest of~$T$.
343 \::Add all $e_i$'s to~$T$.
344 \algout Minimum spanning tree~$T$.
345 \endalgo
346
347 \lemma\id{boruvkadrop}%
348 In each iteration of the algorithm, the number of trees in~$T$ drops at least twice.
349
350 \proof
351 Each tree gets merged with at least one of its neighbors, so each of the new trees
352 contains two or more original trees.
353 \qed
354
355 \cor
356 The algorithm stops in $\O(\log n)$ iterations.
357
358 \lemma
359 Bor\o{u}vka's algorithm outputs the MST of the input graph.
360
361 \proof
362 In every iteration of the algorithm, $T$ is a blue subgraph,
363 because every addition of some edge~$e_i$ to~$T$ is a straightforward
364 application of the Blue rule. We stop when the blue subgraph is connected, so
365 we do not need the Red rule to explicitly exclude edges.
366
367 It remains to show that adding the edges simultaneously does not
368 produce a cycle. Consider the first iteration of the algorithm where $T$ contains a~cycle~$C$. Without
369 loss of generality we can assume that $C=T_1[u_1v_1]\,v_1u_2\,T_2[u_2v_2]\,v_2u_3\,T_3[u_3v_3]\, \ldots \,T_k[u_kv_k]\,v_ku_1$.
370 Each component $T_i$ has chosen its lightest incident edge~$e_i$ as either the edge $v_iu_{i+1}$
371 or $v_{i-1}u_i$ (indexing cyclically). Suppose that $e_1=v_1u_2$ (otherwise we reverse the orientation
372 of the cycle). Then $e_2=v_2u_3$ and $w(e_2)<w(e_1)$ and we can continue in the same way,
373 getting $w(e_1)>w(e_2)>\ldots>w(e_k)>w(e_1)$, which is a contradiction.
374 (Note that distinctness of edge weights was crucial here.)
375 \qed
376
377 \lemma\id{boruvkaiter}%
378 Each iteration can be carried out in time $\O(m)$.
379
380 \proof
381 We assign a label to each tree and we keep a mapping from vertices to the
382 labels of the trees they belong to. We scan all edges, map their endpoints
383 to the particular trees and for each tree we maintain the lightest incident edge
384 so far encountered. Instead of merging the trees one by one (which would be too
385 slow), we build an auxilliary graph whose vertices are the labels of the original
386 trees and edges correspond to the chosen lightest inter-tree edges. We find connected
387 components of this graph, these determine how are the original labels translated
388 to the new labels.
389 \qed
390
391 \thm
392 Bor\o{u}vka's algorithm finds the MST in time $\O(m\log n)$.
393
394 \proof
395 Follows from the previous lemmata.
396 \qed
397
398 \paran{Jarn\'\i{}k's algorithm}%
399 The next algorithm, discovered independently by Jarn\'\i{}k, Prim and Dijkstra, is similar
400 to Bor\o{u}vka's algorithm, but instead of the whole forest it concentrates on
401 a~single tree. It starts with a~single vertex and it repeatedly extends the tree
402 by the lightest neighboring edge until it spans the whole graph.
403
404 \algn{Jarn\'\i{}k \cite{jarnik:ojistem}, Prim \cite{prim:mst}, Dijkstra \cite{dijkstra:mst}}\id{jarnik}%
405 \algo
406 \algin A~graph~$G$ with an edge comparison oracle.
407 \:$T\=$ a single-vertex tree containing an~arbitrary vertex of~$G$.
408 \:While there are vertices outside $T$:
409 \::Pick the lightest edge $uv$ such that $u\in V(T)$ and $v\not\in V(T)$.
410 \::$T\=T+uv$.
411 \algout Minimum spanning tree~$T$.
412 \endalgo
413
414 \lemma
415 Jarn\'\i{}k's algorithm computers the MST of the input graph.
416
417 \proof
418 If~$G$ is connected, the algorithm always stops. Let us prove that in every step of
419 the algorithm, $T$ is always a blue tree. Step~4 corresponds to applying
420 the Blue rule to the cut $\delta(T)$ separating~$T$ from the rest of the given graph. We need not care about
421 the remaining edges, since for a connected graph the algorithm always stops with the right
422 number of blue edges.
423 \qed
424
425 \impl\id{jarnimpl}%
426 The most important part of the algorithm is finding \em{neighboring edges.}
427 In a~straightforward implementation, searching for the lightest neighboring
428 edge takes $\Theta(m)$ time, so the whole algorithm runs in time $\Theta(mn)$.
429
430 We can do much better by using a binary
431 heap to hold all neighboring edges. In each iteration, we find and delete the
432 minimum edge from the heap and once we expand the tree, we insert the newly discovered
433 neighboring edges to the heap while deleting the neighboring edges that become
434 internal to the new tree. Since there are always at most~$m$ edges in the heap,
435 each heap operation takes $\O(\log m)=\O(\log n)$ time. For every edge, we perform
436 at most one insertion and at most one deletion, so we spend $\O(m\log n)$ time in total.
437 From this, we can conclude:
438
439 \thm
440 Jarn\'\i{}k's algorithm finds the MST of a~given graph in time $\O(m\log n)$.
441
442 \rem
443 We will show several faster implementations in section \ref{iteralg}.
444
445 \paran{Kruskal's algorithm}%
446 The last of the three classical algorithms processes the edges of the
447 graph~$G$ greedily. It starts with an~empty forest and it takes the edges of~$G$
448 in order of their increasing weights. For every edge, it checks whether its
449 addition to the forest produces a~cycle and if it does not, the edge is added.
450 Otherwise, the edge is dropped and not considered again.
451
452 \algn{Kruskal \cite{kruskal:mst}}
453 \algo
454 \algin A~graph~$G$ with an edge comparison oracle.
455 \:Sort edges of~$G$ by their increasing weights.
456 \:$T\=\emptyset$. \cmt{an empty spanning subgraph}
457 \:For all edges $e$ in their sorted order:
458 \::If $T+e$ is acyclic, add~$e$ to~$T$.
459 \::Otherwise drop~$e$.
460 \algout Minimum spanning tree~$T$.
461 \endalgo
462
463 \lemma
464 Kruskal's algorithm returns the MST of the input graph.
465
466 \proof
467 In every step, $T$ is a forest of blue trees. Adding~$e$ to~$T$
468 in step~4 applies the Blue rule on the cut separating some pair of components of~$T$ ($e$ is the lightest,
469 because all other edges of the cut have not been considered yet). Dropping~$e$ in step~5 corresponds
470 to the Red rule on the cycle found ($e$~must be the heaviest, since all other edges of the
471 cycle have been already processed). At the end of the algorithm, all edges are colored,
472 so~$T$ must be the~MST.
473 \qed
474
475 \impl
476 Except for the initial sorting, which in general takes $\Theta(m\log m)$ time, the only
477 other non-trivial operation is the detection of cycles. What we need is a~data structure
478 for maintaining connected components, which supports queries and edge insertion.
479 This is closely related to the well-known Disjoint Set Union problem:
480
481 \problemn{Disjoint Set Union (DSU)}
482 Maintain an~equivalence relation on a~finite set under a~sequence of operations \<Union>
483 and \<Find>. The \<Find> operation tests whether two elements are equivalent and \<Union>
484 joins two different equivalence classes into one.
485
486 \para
487 We can maintain the connected components of our forest~$T$ as equivalence classes. When we want
488 to add an~edge~$uv$, we first call $\<Find>(u,v)$ to check if both endpoints of the edge lie in
489 the same components. If they do not, addition of this edge connects both components into one,
490 so we perform $\<Union>(u,v)$ to merge the equivalence classes.
491
492 Tarjan and van Leeuwen have shown that there is a~data structure for the DSU problem
493 with surprising efficiency:
494
495 \thmn{Disjoint Set Union, Tarjan and van Leeuwen \cite{tarjan:setunion}}\id{dfu}%
496 Starting with a~trivial equivalence with single-element classes, a~sequence of operations
497 comprising of $n$~\<Union>s intermixed with $m\ge n$~\<Find>s can be processed in time
498 $\O(m\timesalpha(m,n))$, where $\alpha(m,n)$ is a~certain inverse of the Ackermann's function
499 (see Definition \ref{ackerinv}).
500
501 \proof
502 See \cite{tarjan:setunion}.
503 \qed
504
505 This completes the following theorem:
506
507 \thm\id{kruskal}%
508 Kruskal's algorithm finds the MST of a given graph in time $\O(m\log n)$.
509 If the edges are already sorted by their weights, the time drops to
510 $\O(m\timesalpha(m,n))$.
511
512 \proof
513 We spend $\O(m\log n)$ on sorting, $\O(m\timesalpha(m,n))$ on processing the sequence
514 of \<Union>s and \<Find>s, and $\O(m)$ on all other work.
515 \qed
516
517 \rem
518 The cost of the \<Union> and \<Find> operations is of course dwarfed by the complexity
519 of sorting, so a much simpler (at least in terms of its analysis) data
520 structure would be sufficient, as long as it has $\O(\log n)$ amortized complexity
521 per operation. For example, we can label vertices with identifiers of the
522 corresponding components and always relabel the smaller of the two components.
523
524 We will study dynamic maintenance of connected components in more detail in Chapter~\ref{dynchap}.
525
526 %--------------------------------------------------------------------------------
527
528 \section{Contractive algorithms}\id{contalg}%
529
530 While the classical algorithms are based on growing suitable trees, they
531 can be also reformulated in terms of edge contraction. Instead of keeping
532 a forest of trees, we can keep each tree contracted to a single vertex.
533 This replaces the relatively complex tree-edge incidencies by simple
534 vertex-edge incidencies, potentially speeding up the calculation at the
535 expense of having to perform the contractions.
536
537 We will show a contractive version of the Bor\o{u}vka's algorithm
538 in which these costs are carefully balanced, leading for example to
539 a linear-time algorithm for MST in planar graphs.
540
541 There are two definitions of edge contraction that differ when an edge of
542 a~triangle is contracted. Either we unify the other two edges to a single edge
543 or we keep them as two parallel edges, leaving us with a~multigraph. We will
544 use the multigraph version and we will show that we can easily reduce the multigraph
545 to a simple graph later. (See \ref{contract} for the exact definitions.)
546
547 We only need to be able to map edges of the contracted graph to the original
548 edges, so each edge will carry a unique label $\ell(e)$ that will be preserved by
549 contractions.
550
551 \lemman{Flattening a multigraph}\id{flattening}%
552 Let $G$ be a multigraph and $G'$ its subgraph such that all loops have been
553 removed and each bundle of parallel edges replaced by its lightest edge.
554 Then $G'$~has the same MST as~$G$.
555
556 \proof
557 Every spanning tree of~$G'$ is a spanning tree of~$G$. In the other direction:
558 Loops can be never contained in a spanning tree. If there is a spanning tree~$T$
559 containing a~removed edge~$e$ parallel to an edge~$e'\in G'$, exchaning $e'$
560 for~$e$ makes~$T$ lighter. \qed
561
562 \rem Removal of the heavier of a pair of parallel edges can be also viewed
563 as an application of the Red rule on a two-edge cycle. And indeed it is, the
564 Red-Blue procedure works on multigraphs as well as on simple graphs and all the
565 classical algorithms also do. We would only have to be more careful in the
566 formulations and proofs, which we preferred to avoid.
567
568 \algn{Contractive version of Bor\o{u}vka's algorithm}\id{contbor}
569 \algo
570 \algin A~graph~$G$ with an edge comparison oracle.
571 \:$T\=\emptyset$.
572 \:$\ell(e)\=e$ for all edges~$e$. \cmt{Initialize the labels.}
573 \:While $n(G)>1$:
574 \::For each vertex $v_k$ of~$G$, let $e_k$ be the lightest edge incident to~$v_k$.
575 \::$T\=T\cup \{ \ell(e_k) \}$. \cmt{Remember labels of all selected edges.}
576 \::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~$e$.}
577 \::Flatten $G$, removing parallel edges and loops.
578 \algout Minimum spanning tree~$T$.
579 \endalgo
580
581 \nota
582 For the analysis of the algorithm, we will denote the graph considered by the algorithm
583 at the beginning of the $i$-th iteration by $G_i$ (starting with $G_0=G$) and the number
584 of vertices and edges of this graph by $n_i$ and $m_i$ respectively.
585
586 \lemma\id{contiter}%
587 The $i$-th iteration of the algorithm (also called the \df{Bor\o{u}vka step}) can be carried
588 out in time~$\O(m_i)$.
589
590 \proof
591 The only non-trivial parts are steps 6 and~7. Contractions can be handled similarly
592 to the unions in the original Bor\o{u}vka's algorithm (see \ref{boruvkaiter}):
593 We build an auxillary graph containing only the selected edges~$e_k$, find
594 connected components of this graph and renumber vertices in each component to
595 the identifier of the component. This takes $\O(m_i)$ time.
596
597 Flattening is performed by first removing the loops and then bucket-sorting the edges
598 (as ordered pairs of vertex identifiers) lexicographically, which brings parallel
599 edges together. The bucket sort uses two passes with $n_i$~buckets, so it takes
600 $\O(n_i+m_i)=\O(m_i)$.
601 \qed
602
603 \thm\id{contborthm}%
604 The Contractive Bor\o{u}vka's algorithm finds the MST of the input graph in
605 time $\O(\min(n^2,m\log n))$.
606
607 \proof
608 As in the original Bor\o{u}vka's algorithm, the number of iterations is $\O(\log n)$.
609 When combined with the previous lemma, it gives an~$\O(m\log n)$ upper bound.
610
611 To get the $\O(n^2)$ bound, we observe that the number of trees in the non-contracting
612 version of the algorithm drops at least by a factor of two in each iteration (Lemma \ref{boruvkadrop})
613 and the same must hold for the number of vertices in the contracting version.
614 Therefore $n_i\le n/2^i$. While the number of edges need not decrease geometrically,
615 we still have $m_i\le n_i^2$ as the graphs~$G_i$ are simple (we explicitly removed multiple
616 edges and loops at the end of the previous iteration). Hence the total time spent
617 in all iterations is $\O(\sum_i n_i^2) = \O(\sum_i n^2/4^i) = \O(n^2)$.
618 \qed
619
620 \thmn{Contractive Bor\o{u}vka on planar graphs, \cite{mm:mst}}\id{planarbor}%
621 When the input graph is planar, the Contractive Bor\o{u}vka's algorithm runs in
622 time $\O(n)$.
623
624 \proof
625 Let us refine the previous proof. We already know that $n_i \le n/2^i$. We will
626 prove that when~$G$ is planar, the $m_i$'s are decreasing geometrically. We know that every
627 $G_i$ is planar, because the class of planar graphs is closed under edge deletion and
628 contraction. Moreover, $G_i$~is also simple, so we can use the standard theorem on
629 the number of edges of planar simple graphs (see for example \cite{diestel:gt}) to get $m_i\le 3n_i \le 3n/2^i$.
630 The total time complexity of the algorithm is therefore $\O(\sum_i m_i)=\O(\sum_i n/2^i)=\O(n)$.
631 \qed
632
633 \rem
634 There are several other possibilities how to find the MST of a planar graph in linear time.
635 For example, Matsui \cite{matsui:planar} has described an algorithm based on simultaneously
636 working on the graph and its topological dual. The advantage of our approach is that we do not need
637 to construct the planar embedding explicitly. We will show one more linear algorithm
638 in section~\ref{minorclosed}.
639
640 \rem
641 To achieve the linear time complexity, the algorithm needs a very careful implementation,
642 but we defer the technical details to section~\ref{bucketsort}.
643
644 \paran{General contractions}%
645 Graph contractions are indeed a~very powerful tool and they can be used in other MST
646 algorithms as well. The following lemma shows the gist:
647
648 \lemman{Contraction of MST edges}\id{contlemma}%
649 Let $G$ be a weighted graph, $e$~an arbitrary edge of~$\mst(G)$, $G/e$ the multigraph
650 produced by contracting $G$ along~$e$, and $\pi$ the bijection between edges of~$G-e$ and
651 their counterparts in~$G/e$. Then: $$\mst(G) = \pi^{-1}[\mst(G/e)] + e.$$
652
653 \proof
654 % We seem not to need this lemma for multigraphs...
655 %If there are any loops or parallel edges in~$G$, we can flatten the graph. According to the
656 %Flattening lemma (\ref{flattening}), the MST stays the same and if we remove a parallel edge
657 %or loop~$f$, then $\pi(f)$ would be removed when flattening~$G/e$, so $f$ never participates
658 %in a MST.
659 The right-hand side of the equality is a spanning tree of~$G$, let us denote it by~$T$ and
660 the MST of $G/e$ by~$T'$. If $T$ were not minimum, there would exist a $T$-light edge~$f$ in~$G$
661 (by Theorem \ref{mstthm}). If the path $T[f]$ covered by~$f$ does not contain~$e$,
662 then $\pi[T[f]]$ is a path covered by~$\pi(f)$ in~$T'$. Otherwise $\pi(T[f]-e)$ is such a path.
663 In both cases, $f$ is $T'$-light, which contradicts the minimality of~$T'$. (We do not have
664 a~multigraph version of the theorem, but the side we need is a~straightforward edge exchange,
665 which obviously works in multigraphs as well.)
666 \qed
667
668 \rem
669 In the previous algorithm, the role of the mapping~$\pi^{-1}$ is of course played by the edge labels~$\ell$.
670
671 \paran{A~lower bound}%
672 Finally, we will show a family of graphs where the $\O(m\log n)$ bound on time complexity
673 is tight. The graphs do not have unique weights, but they are constructed in a way that
674 the algorithm never compares two edges with the same weight. Therefore, when two such
675 graphs are monotonely isomorphic (see~\ref{mstiso}), the algorithm processes them in the same way.
676
677 \defn
678 A~\df{distractor of order~$k$,} denoted by~$D_k$, is a path on $n=2^k$~vertices $v_1,\ldots,v_n$
679 where each edge $v_iv_{i+1}$ has its weight equal to the number of trailing zeroes in the binary
680 representation of the number~$i$. The vertex $v_1$ is called a~\df{base} of the distractor.
681
682 \rem
683 Alternatively, we can use a recursive definition: $D_0$ is a single vertex, $D_{k+1}$ consists
684 of two disjoint copies of~$D_k$ joined by an edge of weight~$k$.
685
686 \figure{distractor.eps}{\epsfxsize}{A~distractor $D_3$ and its evolution (bold edges are contracted)}
687
688 \lemma
689 A~single iteration of the contractive algorithm reduces~$D_k$ to a graph isomorphic with~$D_{k-1}$.
690
691 \proof
692 Each vertex~$v$ of~$D_k$ is incident with a single edge of weight~1. The algorithm therefore
693 selects all weight~1 edges and contracts them. This produces a graph which is
694 exactly $D_{k-1}$ with all weights increased by~1, which does not change the relative order of edges.
695 \qed
696
697 \defn
698 A~\df{hedgehog}~$H_{a,k}$ is a graph consisting of $a$~distractors $D_k^1,\ldots,D_k^a$ of order~$k$
699 together with edges of a complete graph on the bases of the distractors. These additional edges
700 have arbitrary weights, but heavier than the edges of all distractors.
701
702 \figure{hedgehog.eps}{\epsfxsize}{A~hedgehog $H_{5,2}$ (quills bent to fit in the picture)}
703
704 \lemma
705 A~single iteration of the contractive algorithm reduces~$H_{a,k}$ to a graph isomorphic with $H_{a,k-1}$.
706
707 \proof
708 Each vertex is incident with an edge of some distractor, so the algorithm does not select
709 any edge of the complete graph. Contraction therefore reduces each distractor to a smaller
710 distractor (modulo an additive factor in weight) and leaves the complete graph intact.
711 This is monotonely isomorphic to $H_{a,k-1}$.
712 \qed
713
714 \thmn{Lower bound for Contractive Bor\o{u}vka}%
715 For each $n$ there exists a graph on $\Theta(n)$ vertices and $\Theta(n)$ edges
716 such that the Contractive Bor\o{u}vka's algorithm spends time $\Omega(n\log n)$ on it.
717
718 \proof
719 Consider the hedgehog $H_{a,k}$ for $a=\lceil\sqrt n\rceil$ and $k=\lceil\log_2 a\rceil$.
720 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
721 as we wanted.
722
723 By the previous lemma, the algorithm proceeds through a sequence of hedgehogs $H_{a,k},
724 H_{a,k-1}, \ldots, H_{a,0}$ (up to monotone isomorphism), so it needs a logarithmic number of iterations plus some more
725 to finish on the remaining complete graph. Each iteration runs on a graph with $\Omega(n)$
726 edges as every $H_{a,k}$ contains a complete graph on~$a$ vertices.
727 \qed
728
729 \remn{Disconnected graphs}\id{disconn}%
730 The basic properties of minimum spanning trees and the algorithms presented in
731 this chapter apply to minimum spanning forests of disconnected graphs, too.
732 The proofs of our theorems and the steps of our algorithms are based on adjacency
733 of vertices and existence of paths, so they are always local to a~single
734 connected component. The Bor\o{u}vka's and Kruskal's algorithm need no changes,
735 the Jarn\'\i{}k's algorithm has to be invoked separately for each component.
736
737 We can also extend the notion of light and heavy edges with respect
738 to a~tree to forests: When an~edge~$e$ connects two vertices lying in the same
739 tree~$T$ of a~forest~$F$, it is $F$-heavy iff it is $T$-heavy (similarly
740 for $F$-light). Edges connecting two different trees are always considered
741 $F$-light. Again, a~spanning forest~$F$ is minimum iff there are no $F$-light
742 edges.
743
744 \endpart