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--- a/mst.tex
+++ b/mst.tex
@@ -7,40 +7,42 @@
 \section{The Problem}
 
 The problem of finding a minimum spanning tree of a weighted graph is one of the
-best studied problems in the area of combinatorial optimization and it can be said
-that it stood at the cradle of this discipline. Its colorful history (see \cite{graham:msthistory}
-and \cite{nesetril:history} for the full account) begins in~1926 with
-the pioneering work of Bor\accent23uvka
+best studied problems in the area of combinatorial optimization since its birth.
+Its colorful history (see \cite{graham:msthistory} and \cite{nesetril:history} for the full account)
+begins in~1926 with the pioneering work of Bor\o{u}vka
 \cite{boruvka:ojistem}\foot{See \cite{nesetril:boruvka} for an English translation with commentary.},
 who studied primarily an Euclidean version of the problem related to planning
 of electrical transmission lines (see \cite{boruvka:networks}), but gave an efficient
-algorithm for the general version of the problem. As it was well before the birth of graph
-theory, the language of his paper was complicated, so we will rather state the problem
+algorithm for the general version of the problem. As it was well before the dawn of graph
+theory, the language of his paper was complicated, so we will better state the problem
 in contemporary terminology:
 
 \proclaim{Problem}Given an undirected graph~$G$ with weights $w:E(G)\rightarrow {\bb R}$,
-find its minimum spanning tree, where:
+find its minimum spanning tree, defined as follows:
 
-\defn\thmid{mstdef}%
+\defn\id{mstdef}%
 For a given graph~$G$ with weights $w:E(G)\rightarrow {\bb R}$:
 \itemize\ibull
-\:A~tree $T$ is a \df{spanning tree} of~$G$ if and only if $V(T)=V(G)$ and $E(T)\subseteq E(G)$.
+\:A~subgraph $H\subseteq G$ is called a \df{spanning subgraph} if $V(H)=V(G)$.
+\:A~\df{spanning tree} of $G$ is any its spanning subgraph which is a tree.
 \:For any subgraph $H\subseteq G$ we define its \df{weight} $w(H):=\sum_{e\in E(H)} w(e)$.
-\:A~spanning tree~$T$ is \df{minimal} iff $w(T)$ is the smallest possible of all spanning trees.
-  We use an abbreviation \df{MST} for such trees.
-\:For a disconnected graph, a \df{(minimal) spanning forest (MSF)} is defined as
-  a union of (minimal) spanning trees of its connected components.
+  When comparing two weights, we will use the terms \df{lighter} and \df{heavier} in the
+  obvious sense.
+\:A~\df{minimum spanning tree (MST)} of~$G$ is a spanning tree~$T$ such that its weight $w(T)$
+  is the smallest possible of all the spanning trees of~$G$.
+\:For a disconnected graph, a \df{(minimum) spanning forest (MSF)} is defined as
+  a union of (minimum) spanning trees of its connected components.
 \endlist
 
-Bor\accent23uvka's work was further extended by Jarn\'\i{}k \cite{jarnik:ojistem}, again in
-mostly geometric setting, giving another polynomial algorithm. However, when
+Bor\o{u}vka's work was further extended by Jarn\'\i{}k \cite{jarnik:ojistem}, again in
+mostly geometric setting, giving another efficient algorithm. However, when
 computer science and graph theory started forming in the 1950's and the
 spanning tree problem was one of the central topics of the flourishing new
-disciplines, the previous work was not well known and the algorithms have been
+disciplines, the previous work was not well known and the algorithms had to be
 rediscovered several times.
 
 Recently, several significantly faster algorithms were discovered, most notably the
-$\O(m\beta(m,n))$-time algorithm by Fredman and Tarjan \cite{ft:fibonacci} and
+$\O(m\timesbeta(m,n))$-time algorithm by Fredman and Tarjan \cite{ft:fibonacci} and
 algorithms with inverse-Ackermann type complexity by Chazelle \cite{chazelle:ackermann}
 and Pettie \cite{pettie:ackermann}.
 
@@ -49,27 +51,29 @@ and Pettie \cite{pettie:ackermann}.
 This chapter attempts to survery the important algorithms for finding the MST and it
 also presents several new ones.
 
-\section{Basic Properties}
+%--------------------------------------------------------------------------------
+
+\section{Basic properties}
 
 In this section, we will examine the basic properties of spanning trees and prove
 several important theorems to base the algorithms upon. We will follow the theory
 developed by Tarjan in~\cite{tarjan:dsna}.
 
-For the whole section, we will fix a graph~$G$ with edge weights~$w$ and all other
-graphs will be subgraphs of~$G$ containing all of its vertices. We will use the
-same notation for the subgraph and for the corresponding set of edges.
+For the whole section, we will fix a graph~$G$ with edge weights~$w$ and all
+other graphs will be spanning subgraphs of~$G$. We will use the same notation
+for the subgraphs as for the corresponding sets of edges.
 
 First of all, let us show that the weights on edges are not necessary for the
 definition of the MST. We can formulate an equivalent characterization using
 an ordering of edges instead.
 
-\defnn{Heavy and light edges}\thmid{heavy}%
+\defnn{Heavy and light edges}\id{heavy}%
 Let~$T$ be a~spanning tree. Then:
 \itemize\ibull
 \:For vertices $x$ and $y$, let $T[x,y]$ denote the (unique) path in~$T$ joining $x$ and~$y$.
 \:For an edge $e=xy$ we will call $T[e]:=T[x,y]$ the \df{path covered by~$e$} and
   the edges of this path \df{edges covered by~$e$}.
-\:An edge~$e$ is called \df{$T$-light} if it covers a heavier edge, i.e., if there
+\: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
   is an edge $f\in T[e]$ such that $w(f) > w(e)$.
 \:An edge~$e$ is called \df{$T$-heavy} if it is not $T$-light.
 \endlist
@@ -78,19 +82,19 @@ Let~$T$ be a~spanning tree. Then:
 Please note that the above properties also apply to tree edges
 which by definition cover only themselves and therefore they are always heavy.
 
-\lemman{Light edges}\thmid{lightlemma}%
+\lemman{Light edges}\id{lightlemma}%
 Let $T$ be a spanning tree. If there exists a $T$-light edge, then~$T$
-is not minimal.
+is not minimum.
 
 \proof
-If there is a $T$-light edge~$e$, then there exists an edge $f\in T[e]$ such
-that $w(f)>w(e)$. Now $T-f$ is a forest of two trees with endpoints of~$e$
+If there is a $T$-light edge~$e$, then there exists an edge $e'\in T[e]$ such
+that $w(e')>w(e)$. Now $T-e'$ is a forest of two trees with endpoints of~$e$
 located in different components, so adding $e$ to this forest must restore
-connectivity and $T':=T-f+e$ is another spanning tree with weight $w(T')
-= w(T)-w(f)+w(e) < w(T)$. Hence $T$ could not have been minimal.
+connectivity and $T':=T-e'+e$ is another spanning tree with weight $w(T')
+= w(T)-w(e')+w(e) < w(T)$. Hence $T$ could not have been minimum.
 \qed
 
-\figure{mst2.eps}{278pt}{An edge exchange as in the proof of Lemma~\thmref{lightlemma}}
+\figure{mst2.eps}{278pt}{An edge exchange as in the proof of Lemma~\ref{lightlemma}}
 
 The converse of this lemma is also true and to prove it, we will once again use
 technique of transforming trees by \df{exchanges} of edges. In the proof of the
@@ -99,26 +103,26 @@ a spanning tree for another edge~$f$ covered by~$e$, the result is again
 a spanning tree. In fact, it is possible to transform any spanning tree
 to any other spanning tree by a sequence of exchanges.
 
-\lemman{Exchange property for trees}\thmid{xchglemma}%
+\lemman{Exchange property for trees}\id{xchglemma}%
 Let $T$ and $T'$ be spanning trees of a common graph. Then there exists
 a sequence of edge exchanges which transforms $T$ to~$T'$. More formally,
 there exists a sequence of spanning trees $T=T_0,T_1,\ldots,T_k=T'$ such that
 $T_{i+1}=T_i - e_i + e_i^\prime$ where $e_i\in T_i$ and $e_i^\prime\in T'$.
 
 \proof
-By induction on $d(T,T'):=\vert T\symdiff T'\vert$. When $d(T,T')=0$, then
-both trees are identical and an empty sequence suffices. Otherwise, the trees are different,
-but they are of the same size, so there must exist an edge $e'\in T'\setminus T$.
+By induction on $d(T,T'):=\vert T\symdiff T'\vert$. When $d(T,T')=0$,
+both trees are identical and no exchanges are needed. Otherwise, the trees are different,
+but as they are of the same size, there must exist an edge $e'\in T'\setminus T$.
 The cycle $T[e']+e'$ cannot be wholly contained in~$T'$, so there also must
 exist an edge $e\in T[e']\setminus T'$. Exchanging $e$ for~$e'$ yields a spanning
 tree $T^*:=T-e+e'$ such that $d(T^*,T')=d(T,T')-2$ and we can apply the induction
 hypothesis to $T^*$ and $T'$ to get the rest of the exchange sequence.
 \qed
 
-\figure{mst1.eps}{295pt}{One step of the proof of Lemma~\thmref{xchglemma}}
+\figure{mst1.eps}{295pt}{One step of the proof of Lemma~\ref{xchglemma}}
 
-\lemman{Monotone exchanges}\thmid{monoxchg}%
-Let $T$ be a spanning tree such that there are no $T$-light edges and $T$
+\lemman{Monotone exchanges}\id{monoxchg}%
+Let $T$ be a spanning tree such that there are no $T$-light edges and $T'$
 be an arbitrary spanning tree. Then there exists a sequence of edge exchanges
 transforming $T$ to~$T'$ such that the weight does not increase in any step.
 
@@ -126,113 +130,542 @@ transforming $T$ to~$T'$ such that the weight does not increase in any step.
 We improve the argument from the previous proof, refining the induction step.
 When we exchange $e\in T$ for $e'\in T'\setminus T$ such that $e\in T[e']$,
 the weight never drops, since $e'$ is not a $T$-light edge and therefore
-$w(e') \ge w(e)$, so $w(T^*)=w(T)-w(e)+w(e')\le w(T)$.
-
-To allow the induction to proceed, we have to make sure that there are still
-no light edges with respect to~$T^*$. In fact, it is enough to avoid $T^*$-light
-edges in $T'\setminus T^*$, since these are the only edges considered by the
-induction step. Instead of picking $e'$ arbitrarily, we will pick the lightest
-edge available. Now consider an edge $f\in T'\setminus T^*$. We want to show
-that $f$ is heavier than all edges on $T^*[f]$.
-
-The path $T^*[f]$ is either the original path $T[f]$ (if $e\not\in T[f]$)
-or $T[f] \symdiff C$, where $C$ is the cycle $T[e']+e$. The first case is
-trivial, in the second case $w(f)\ge w(e')$ and all other edges on~$C$
-are lighter than~$e'$.
+$w(e') \ge w(e)$, so $w(T^*)=w(T)-w(e)+w(e')\ge w(T)$.
+
+To keep the induction going, we have to make sure that there are still no light
+edges with respect to~$T^*$. In fact, it is enough to avoid such edges in
+$T'\setminus T^*$, since these are the only edges considered by the induction
+steps. To accomplish that, we replace the so far arbitrary choice of $e'\in T'\setminus T$
+by picking the lightest such edge.
+
+Now consider an edge $f\in T'\setminus T^*$. We want to show that $f$ is not
+$T^*$-light, i.e., that it is heavier than all edges on $T^*[f]$. The path $T^*[f]$ is
+either equal to the original path $T[f]$ (if $e\not\in T[f]$) or to $T[f] \symdiff C$,
+where $C$ is the cycle $T[e']+e'$. The former case is trivial, in the latter one
+$w(f)\ge w(e')$ due to the choice of $e'$ and all other edges on~$C$ are lighter
+than~$e'$ as $e'$ was not $T$-light.
 \qed
 
-\theorem
-A~spanning tree~$T$ is minimal iff there is no $T$-light edge.
+\thmn{Minimality by order}\id{mstthm}%
+A~spanning tree~$T$ is minimum iff there is no $T$-light edge.
 
 \proof
-If~$T$ is minimal, then by Lemma~\thmref{lightlemma} there are no $T$-light
+If~$T$ is minimum, then by Lemma~\ref{lightlemma} there are no $T$-light
 edges.
 Conversely, when $T$ is a spanning tree without $T$-light edges
-and $T_{min}$ is an arbitrary minimal spanning tree, then according to the Monotone
-exchange lemma (\thmref{monoxchg}) there exists a non-decreasing sequence
+and $T_{min}$ is an arbitrary minimum spanning tree, then according to the Monotone
+exchange lemma (\ref{monoxchg}) there exists a non-decreasing sequence
 of exchanges transforming $T$ to $T_{min}$, so $w(T)\le w(T_{min})$
-and thus $T$~is also minimal.
+and thus $T$~is also minimum.
 \qed
 
-In general, a single graph can have many minimal spanning trees (for example
+In general, a single graph can have many minimum spanning trees (for example
 a complete graph on~$n$ vertices and unit edge weights has $n^{n-2}$
 minimum spanning trees according to the Cayley's formula \cite{cayley:trees}).
-However, this is possible only if the weight function is not injective.
+However, as the following theorem shows, this is possible only if the weight
+function is not injective.
 
-\lemman{MST uniqueness}
+\thmn{MST uniqueness}%
 If all edge weights are distinct, then the minimum spanning tree is unique.
 
 \proof
-Consider two minimal spanning trees $T_1$ and~$T_2$. According to the previous
+Consider two minimum spanning trees $T_1$ and~$T_2$. According to the previous
 theorem, there are no light edges with respect to neither of them, so by the
-Monotone exchange lemma (\thmref{monoxchg}) there exists a non-decreasing sequence
-of edge exchanges going from $T_1$ to $T_2$. Each exchange in this sequence is
-strictly increasing, because all edge weights all distinct. On the other hand,
+Monotone exchange lemma (\ref{monoxchg}) there exists a sequence of non-decreasing
+edge exchanges going from $T_1$ to $T_2$. As all edge weights all distinct,
+these edge exchanges must be in fact strictly increasing. On the other hand,
 we know that $w(T_1)=w(T_2)$, so the exchange sequence must be empty and indeed
 $T_1$ and $T_2$ must be identical.
 \qed
 
-\rem\thmid{edgeoracle}%
-To simplify the description of MST algorithms, we will expect that the input
-graph has all edge weights distinct. We will also assume that instead of explicit
-edge weights we will be given a comparison oracle, that is a function which answers
-questions ``$w(e)<w(f)$?'' in constant time. Please note that this is without loss
-of generality, because when some edges have identical weights, we can determine their
-relative order by comparing some unique identifiers of these edges and every MST
-of the new graph will be also a MST of the original one.
-In the few cases where we need a more concrete input, we will explicitly say so.
+\rem\id{edgeoracle}%
+To simplify the description of MST algorithms, we will expect that the weights
+of all edges are distinct and that instead of numeric weights (usually accompanied
+by problems with representation of real numbers in algorithms) we will be given
+a comparison oracle, that is a function which answers questions ``$w(e)<w(f)$?'' in
+constant time. In case the weights are not distinct, we can easily break ties by
+comparing some unique edge identifiers and according to our characterization of
+minimum spanning trees, the unique MST of the new graph will still be a MST of the
+original graph. In the few cases where we need a more concrete input, we will
+explicitly state so.
+
+\nota\id{mstnota}%
+When $G$ is a graph with distinct edge weights, we will use $\mst(G)$ to denote
+its unique minimum spanning tree.
+
+Another useful consequence is that whenever two graphs are isomorphic and the
+isomorphism preserves weight order, the isomorphism applies to their MST's
+as well:
+
+\defn
+A~\df{monotone isomorphism} of two weighted graphs $G_1=(V_1,E_1,w_1)$ and
+$G_2=(V_2,E_2,w_2)$ is a bijection $\pi: V_1\rightarrow V_2$ such that
+for each $u,v\in V_1: uv\in E_1 \Leftrightarrow \pi(u)\pi(v)\in E_2$ and
+for each $e,f\in E_1: w_1(e)<w_1(f) \Leftrightarrow w_2(\pi[e]) < w_2(\pi[f])$.
+
+\lemman{MST of isomorphic graphs}\id{mstiso}%
+Let~$G_1$ and $G_2$ be two weighted graphs with unique edge weights and $\pi$
+their monotone isomorphism. Then $\mst(G_2) = \pi[\mst(G_1)]$.
+
+\proof
+The isomorphism~$\pi$ maps spanning trees onto spanning trees and it preserves
+the relation of covering. Since it is monotone, it preserves the property of
+being a light edge (an~edge $e\in E(G_1)$ is $T$-light $\Leftrightarrow$
+the edge $\pi[e]\in E(G_2)$ is~$f[T]$-light). Therefore by Theorem~\ref{mstthm}, $T$
+is the MST of~$G_1$ if and only if $\pi[T]$ is the MST of~$G_2$.
+\qed
+
+%--------------------------------------------------------------------------------
 
-\section{The Red-Blue Meta-Algorithm}
+\section{The Red-Blue meta-algorithm}
 
 Most MST algorithms can be described as special cases of the following procedure
 (again following \cite{tarjan:dsna}):
 
-\algn{Red-Blue Meta-Algorithm}
+\algn{Red-Blue Meta-Algorithm}\id{rbma}%
 \algo
-\algin A~graph $G$ with an edge comparison oracle (see \thmref{edgeoracle})
-\:In the beginning, all edges are uncolored.
-\:While possible, use one of the following rules:
-\::Pick a cut~$C$ such that its lightest edge is not blue and color it blue. \cmt{Blue rule}
-\::Pick a cycle~$C$ such that its heaviest edge is not red and color it red. \cmt{Red rule}
+\algin A~graph $G$ with an edge comparison oracle (see \ref{edgeoracle})
+\:In the beginning, all edges are colored black.
+\:Apply rules as long as possible:
+\::Either pick a cut~$C$ such that its lightest edge is not blue \hfil\break and color this edge blue, \cmt{Blue rule}
+\::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}
 \algout Minimum spanning tree of~$G$ consisting of edges colored blue.
 \endalgo
 
 \rem
-This is not a proper algorithm, since the selection of rules to apply is not specified.
-We will however prove that for any such selection the procedure stops with the correct result.
-Also, it will turn out that each of the classical MST algorithms can be stated as a
-specific rule selection strategy of this procedure, which justifies the name
-meta-algorithm for it.
+This procedure is not a proper algorithm, since it does not specify how to choose
+the rule to apply. We will however prove that no matter how the rules are applied,
+the procedure always stops and gives the correct result. Also, it will turn out
+that each of the classical MST algorithms can be described as a specific way
+of choosing the rules in this procedure, which justifies the name meta-algorithm.
+
+\nota
+We will denote the unique minimum spanning tree of the input graph by~$T_{min}$.
+We intend to prove that this is also the output of the procedure.
 
-\lemman{Blue lemma}
+\lemman{Blue lemma}%
 When an edge is colored blue in any step of the procedure, it is contained in the minimum spanning tree.
 
 \proof
-\qed
-
-\lemman{Red lemma}
+By contradiction. Let $e$ be an edge painted blue as the lightest edge of a cut~$C$.
+If $e\not\in T_{min}$, then there must exist an edge $e'\in T_{min}$ which is
+contained in~$C$ (take any pair of vertices separated by~$C$, the path
+in~$T_{min}$ joining these vertices must cross~$C$ at least once). Exchanging
+$e$ for $e'$ in $T_{min}$ yields an even lighter spanning tree since
+$w(e)<w(e')$. \qed
+
+\lemman{Red lemma}%
 When an edge is colored red in any step of the procedure, it is not contained in the minimum spanning tree.
 
 \proof
+Again by contradiction. Suppose that $e$ is an edge painted red as the heaviest edge
+of a cycle~$C$ and that $e\in T_{min}$. Removing $e$ causes $T_{min}$ to split to two
+components, let us call them $T_x$ and $T_y$. Some vertices of~$C$ now lie in $T_x$,
+the others in $T_y$, so there must exist in edge $e'\ne e$ such that its endpoints
+lie in different components. Since $w(e')<w(e)$, exchanging $e$ for~$e'$ yields
+a lighter spanning tree than $T_{min}$.
 \qed
 
-\lemman{Colorless lemma}
-When there exists an uncolored edge, then at least one rule can be applied.
+\figure{mst-rb.eps}{289pt}{Proof of the Blue (left) and Red (right) lemma}
+
+\lemman{Black lemma}%
+As long as there exists a black edge, at least one rule can be applied.
 
 \proof
+Assume that $e=xy$ be a black edge. Let us denote $M$ the set of vertices
+reachable from~$x$ using only blue edges. If $y$~lies in~$M$, then $e$ together
+with some blue path between $x$ and $y$ forms a cycle and it must be the heaviest
+edge on this cycle. This holds because all blue edges have been already proven
+to be in $T_{min}$ and there can be no $T_{min}$-light edges (see Theorem~\ref{mstthm}).
+In this case we can apply the red rule.
+
+On the other hand, if $y\not\in M$, then the cut formed by all edges between $M$
+and $V(G)\setminus M$ contains no blue edges, therefore we can use the blue rule.
 \qed
 
-\theoremn{Red-Blue correctness}
+\figure{mst-bez.eps}{295pt}{Configurations in the proof of the Black lemma}
+
+\thmn{Red-Blue correctness}%
 For any selection of rules, the Red-Blue procedure stops and the blue edges form
 the minimum spanning tree of the input graph.
 
 \proof
+To prove that the procedure stops, let us notice that no edge is ever recolored,
+so we must run out of black edges after at most~$m$ steps. Recoloring
+to the same color is avoided by the conditions built in the rules, recoloring to
+a different color would mean that the an edge would be both inside and outside~$T_{min}$
+due to our Red and Blue lemmata.
+
+When no further rules can be applied, the Black lemma guarantees that all edges
+are colored, so by the Blue lemma all blue edges are in~$T_{min}$ and by the Red
+lemma all other (red) edges are outside~$T_{min}$, so the blue edges are exactly~$T_{min}$.
+\qed
+
+%--------------------------------------------------------------------------------
+
+\section{Classical algorithms}
+
+The three classical MST algorithms can be easily stated in terms of the Red-Blue meta-algorithm.
+For each of them, we first show the general version of the algorithm, then we prove that
+it gives the correct result and finally we discuss the time complexity of various
+implementations.
+
+\algn{Bor\o{u}vka \cite{boruvka:ojistem}, Choquet \cite{choquet:mst}, Sollin \cite{sollin:mst} and others}
+\algo
+\algin A~graph~$G$ with an edge comparison oracle.
+\:$T\=$ a forest consisting of vertices of~$G$ and no edges.
+\:While $T$ is not connected:
+\::For each component $T_i$ of~$T$, choose the lightest edge $e_i$ from the cut
+   separating $T_i$ from the rest of~$T$.
+\::Add all $e_i$'s to~$T$.
+\algout Minimum spanning tree~$T$.
+\endalgo
+
+\lemma\id{boruvkadrop}%
+In each iteration of the algorithm, the number of trees in~$T$ drops at least twice.
+
+\proof
+Each tree gets merged with at least one of its neighbors, so each of the new trees
+contains two or more original trees.
+\qed
+
+\cor
+The algorithm stops in $\O(\log n)$ iterations.
+
+\lemma
+Bor\o{u}vka's algorithm outputs the MST of the input graph.
+
+\proof
+In every iteration of the algorithm, $T$ is a blue subgraph,
+because every addition of some edge~$e_i$ to~$T$ is a straightforward
+application of the Blue rule. We stop when the blue subgraph is connected, so
+we do not need the Red rule to explicitly exclude edges.
+
+It remains to show that adding the edges simultaneously does not
+produce a cycle. Consider the first iteration of the algorithm where $T$ contains a~cycle~$C$. Without
+loss of generality we can assume that $C=T_1[u_1v_1]\,v_1u_2\,T_2[u_2v_2]\,v_2u_3\,T_3[u_3v_3]\, \ldots \,T_k[u_kv_k]\,v_ku_1$.
+Each component $T_i$ has chosen its lightest incident edge~$e_i$ as either the edge $v_iu_{i+1}$
+or $v_{i-1}u_i$ (indexing cyclically). Suppose that $e_1=v_1u_2$ (otherwise we reverse the orientation
+of the cycle). Then $e_2=v_2u_3$ and $w(e_2)<w(e_1)$ and we can continue in the same way,
+getting $w(e_1)>w(e_2)>\ldots>w(e_k)>w(e_1)$, which is a contradiction.
+(Note that distinctness of edge weights was crucial here.)
+\qed
+
+\lemma\id{boruvkaiter}%
+Each iteration can be carried out in time $\O(m)$.
+
+\proof
+We assign a label to each tree and we keep a mapping from vertices to the
+labels of the trees they belong to. We scan all edges, map their endpoints
+to the particular trees and for each tree we maintain the lightest incident edge
+so far encountered. Instead of merging the trees one by one (which would be too
+slow), we build an auxilliary graph whose vertices are the labels of the original
+trees and edges correspond to the chosen lightest inter-tree edges. We find connected
+components of this graph, these determine how are the original labels translated
+to the new labels.
+\qed
+
+\thm
+Bor\o{u}vka's algorithm finds the MST in time $\O(m\log n)$.
+
+\proof
+Follows from the previous lemmata.
+\qed
+
+\algn{Jarn\'\i{}k \cite{jarnik:ojistem}, Prim \cite{prim:mst}, Dijkstra \cite{dijkstra:mst}}\id{jarnik}%
+\algo
+\algin A~graph~$G$ with an edge comparison oracle.
+\:$T\=$ a single-vertex tree containing an~arbitrary vertex of~$G$.
+\:While there are vertices outside $T$:
+\::Pick the lightest edge $uv$ such that $u\in V(T)$ and $v\not\in V(T)$.
+\::$T\=T+uv$.
+\algout Minimum spanning tree~$T$.
+\endalgo
+
+\lemma
+Jarn\'\i{}k's algorithm computers the MST of the input graph.
+
+\proof
+If~$G$ is connected, the algorithm always stops. Let us prove that in every step of
+the algorithm, $T$ is always a blue tree. Step~4 corresponds to applying
+the Blue rule to the cut $\delta(T)$ separating~$T$ from the rest of the given graph. We need not care about
+the remaining edges, since for a connected graph the algorithm always stops with the right
+number of blue edges.
+\qed
+
+\impl
+The most important part of the algorithm is finding \em{neighboring edges,} i.e., edges
+of the cut $\delta(T)$. In a~straightforward implementation,
+searching for the lightest neighboring edge takes $\Theta(m)$ time, so the whole
+algorithm runs in time $\Theta(mn)$.
+
+We can do much better by using a binary
+heap to hold all neighboring edges. In each iteration, we find and delete the
+minimum edge from the heap and once we expand the tree, we insert the newly discovered
+neighboring edges to the heap while deleting the neighboring edges which become
+internal to the new tree. Since there are always at most~$m$ edges in the heap,
+each heap operation takes $\O(\log m)=\O(\log n)$ time. For every edge, we perform
+at most one insertion and at most one deletion, so we spend $\O(m\log n)$ time in total.
+From this, we can conclude:
+
+\thm
+Jarn\'\i{}k's algorithm finds the MST of a~given graph in time $\O(m\log n)$.
+
+\rem
+We will show several faster implementations in section \ref{fibonacci}.
+
+\algn{Kruskal \cite{kruskal:mst}, the Greedy algorithm}
+\algo
+\algin A~graph~$G$ with an edge comparison oracle.
+\:Sort edges of~$G$ by their increasing weight.
+\:$T\=\emptyset$. \cmt{an empty spanning subgraph}
+\:For all edges $e$ in their sorted order:
+\::If $T+e$ is acyclic, add~$e$ to~$T$.
+\::Otherwise drop~$e$.
+\algout Minimum spanning tree~$T$.
+\endalgo
+
+\lemma
+Kruskal's algorithm returns the MST of the input graph.
+
+\proof
+In every step, $T$ is a forest of blue trees. Adding~$e$ to~$T$
+in step~4 applies the Blue rule on the cut separating some pair of components of~$T$ ($e$ is the lightest,
+because all other edges of the cut have not been considered yet). Dropping~$e$ in step~5 corresponds
+to the Red rule on the cycle found ($e$~must be the heaviest, since all other edges of the
+cycle have been already processed). At the end of the algorithm, all edges are colored,
+so~$T$ must be the~MST.
+\qed
+
+\impl
+Except for the initial sorting, which in general takes $\Theta(m\log m)$ time, the only
+other non-trivial operation is the detection of cycles. What we need is a data structure
+for maintaining connected components, which supports queries and edge insertion.
+(This is also known under the name Disjoint Set Union problem, i.e., maintenance
+of an~equivalence relation on a~set with queries on whether two elements are equivalent
+and the operation of joining two equivalence classes into one.)
+The following theorem shows that it can be done with surprising efficiency.
+
+\thmn{Incremental connectivity}%
+When only edge insertions and connectivity queries are allowed, connected components
+can be maintained in $\O(\alpha(n))$ time amortized per operation.
+
+\proof
+Proven by Tarjan and van Leeuwen in \cite{tarjan:setunion}.
+\qed
+
+\FIXME{Define Ackermann's function. Use $\alpha(m,n)$?}
+
+\rem
+The cost of the operations on components is of course dwarfed by the complexity
+of sorting, so a much simpler (at least in terms of its analysis) data
+structure would be sufficient, as long as it has $\O(\log n)$ amortized complexity
+per operation. For example, we can label vertices with identifiers of the
+corresponding components and always recolor the smaller of the two components.
+
+\thm
+Kruskal's algorithm finds the MST of a given graph in time $\O(m\log n)$
+or $\O(m\timesalpha(n))$ if the edges are already sorted by their weights.
+
+\proof
+Follows from the above analysis.
+\qed
+
+%--------------------------------------------------------------------------------
+
+\section{Contractive algorithms}\id{contalg}%
+
+While the classical algorithms are based on growing suitable trees, they
+can be also reformulated in terms of edge contraction. Instead of keeping
+a forest of trees, we can keep each tree contracted to a single vertex.
+This replaces the relatively complex tree-edge incidencies by simple
+vertex-edge incidencies, potentially speeding up the calculation at the
+expense of having to perform the contractions.
+
+We will show a contractive version of the Bor\o{u}vka's algorithm
+in which these costs are carefully balanced, leading for example to
+a linear-time algorithm for MST in planar graphs.
+
+There are two definitions of edge contraction which differ when an edge of a
+triangle is contracted. Either we unify the other two edges to a single edge
+or we keep them as two parallel edges, leaving us with a~multigraph. We will
+use the multigraph version and we will show that we can easily reduce the multigraph
+to a simple graph later. (See \ref{contract} for the exact definitions.)
+
+We only need to be able to map edges of the contracted graph to the original
+edges, so each edge will carry a unique label $\ell(e)$ that will be preserved by
+contractions.
+
+\lemman{Flattening a multigraph}\id{flattening}%
+Let $G$ be a multigraph and $G'$ its subgraph such that all loops have been
+removed and each bundle of parallel edges replaced by its lightest edge.
+Then $G'$~has the same MST as~$G$.
+
+\proof
+Every spanning tree of~$G'$ is a spanning tree of~$G$. In the other direction:
+Loops can be never contained in a spanning tree. If there is a spanning tree~$T$
+containing a removed edge~$e$ parallel to an edge~$e'\in G'$, exchaning $e'$
+for~$e$ makes~$T$ lighter. \qed
+
+\rem Removal of the heavier of a pair of parallel edges can be also viewed
+as an application of the Red rule on a two-edge cycle. And indeed it is, the
+Red-Blue procedure works on multigraphs as well as on simple graphs and all the
+classical algorithms also do. We would only have to be more careful in the
+formulations and proofs, which we preferred to avoid.
+
+\algn{Contractive version of Bor\o{u}vka's algorithm}\id{contbor}
+\algo
+\algin A~graph~$G$ with an edge comparison oracle.
+\:$T\=\emptyset$.
+\:$\ell(e)\=e$ for all edges~$e$. \cmt{Initialize the labels.}
+\:While $n(G)>1$:
+\::For each vertex $v_i$ of~$G$, let $e_i$ be the lightest edge incident to~$v_i$.
+\::$T\=T\cup \{ \ell(e_i) \}$. \cmt{Remember labels of all selected edges.}
+\::Contract $G$ along all edges $e_i$, inheriting labels and weights.\foot{In other words, we ask the comparison oracle for the edge $\ell(e)$ instead of~$e$.}
+\::Flatten $G$, removing parallel edges and loops.
+\algout Minimum spanning tree~$T$.
+\endalgo
+
+\lemma\id{contiter}%
+Each iteration of the algorithm can be carried out in time~$\O(m)$.
+
+\proof
+The only non-trivial parts are steps 6 and~7. Contractions can be handled similarly
+to the unions in the original Bor\o{u}vka's algorithm (see \ref{boruvkaiter}):
+We build an auxillary graph containing only the selected edges~$e_i$, find
+connected components of this graph and renumber vertices in each component to
+the identifier of the component. This takes $\O(m)$ time.
+
+Flattening is performed by first removing the loops and then bucket-sorting the edges
+(as ordered pairs of vertex identifiers) lexicographically, which brings parallel
+edges together. The bucket sort uses two passes with $n$~buckets, so it takes
+$\O(n+m)=\O(m)$.
+\qed
+
+\thm
+The Contractive Bor\o{u}vka's algorithm finds the MST in time $\O(m\log n)$.
+
+\proof
+As in the original Bor\o{u}vka's algorithm, the number of iterations is $\O(\log n)$.
+Then apply the previous lemma.
+\qed
+
+\thmn{\cite{mm:mst}}\id{planarbor}%
+When the input graph is planar, the Contractive Bor\o{u}vka's algorithm runs in
+time $\O(n)$.
+
+\proof
+Let us denote the graph considered by the algorithm at the beginning of the $i$-th
+iteration by $G_i$ (starting with $G_0=G$) and its number of vertices and edges
+by $n_i$ and $m_i$ respectively. As we already know from the previous lemma,
+the $i$-th iteration takes $\O(m_i)$ time. We are going to prove that the
+$m_i$'s are decreasing geometrically.
+
+The number of trees in the non-contracting version of the algorithm drops
+at least by a factor of two in each iteration (Lemma \ref{boruvkadrop}) and the
+same must hold for the number of vertices in the contracting version.
+Therefore $n_i\le n/2^i$.
+
+However, every $G_i$ is planar, because the class of planar graphs is closed
+under edge deletion and contraction. The~$G_i$ is also simple as we explicitly removed multiple edges and
+loops at the end of the previous iteration. Hence we can use the standard theorem on
+the number of edges of planar simple graphs (see for example \cite{diestel:gt}) to get $m_i\le 3n_i \le 3n/2^i$.
+From this we get that the total time complexity is $\O(\sum_i m_i)=\O(\sum_i n/2^i)=\O(n)$.
 \qed
 
+\rem
+There are several other possibilities how to find the MST of a planar graph in linear time.
+For example, Matsui \cite{matsui:planar} has described an algorithm based on simultaneously
+working on the graph and its topological dual. The advantage of our approach is that we do not need
+to construct the planar embedding explicitly. We will show one more linear algorithm
+in section~\ref{minorclosed}.
+
+\rem
+To achieve the linear time complexity, the algorithm needs a very careful implementation,
+but we defer the technical details to section~\ref{bucketsort}.
+
+\para
+Graph contractions are indeed a~very powerful tool and they can be used in other MST
+algorithms as well. The following lemma shows the gist:
 
+\lemman{Contraction of MST edges}\id{contlemma}%
+Let $G$ be a weighted graph, $e$~an arbitrary edge of~$\mst(G)$, $G/e$ the multigraph
+produced by contracting $G$ along~$e$, and $\pi$ the bijection between edges of~$G-e$ and
+their counterparts in~$G/e$. Then: $$\mst(G) = \pi^{-1}[\mst(G/e)] + e.$$
+
+\proof
+% We seem not to need this lemma for multigraphs...
+%If there are any loops or parallel edges in~$G$, we can flatten the graph. According to the
+%Flattening lemma (\ref{flattening}), the MST stays the same and if we remove a parallel edge
+%or loop~$f$, then $\pi(f)$ would be removed when flattening~$G/e$, so $f$ never participates
+%in a MST.
+The right-hand side of the equality is a spanning tree of~$G$, let us denote it by~$T$ and
+the MST of $G/e$ by~$T'$. If $T$ were not minimum, there would exist a $T$-light edge~$f$ in~$G$
+(by Theorem \ref{mstthm}). If the path $T[f]$ covered by~$f$ does not contain~$e$,
+then $\pi[T[f]]$ is a path covered by~$\pi(f)$ in~$T'$. Otherwise $\pi(T[f]-e)$ is such a path.
+In both cases, $f$ is $T'$-light, which contradicts the minimality of~$T'$. (We do not have
+a~multigraph version of the theorem, but the side we need is a~straightforward edge exchange,
+which obviously works in multigraphs as well.)
+\qed
+
+\rem
+In the previous algorithm, the role of the mapping~$\pi^{-1}$ is of course played by the edge labels~$\ell$.
+
+Finally, we will show a family of graphs where the $\O(m\log n)$ bound on time complexity
+is tight. The graphs do not have unique weights, but they are constructed in a way that
+the algorithm never compares two edges with the same weight. Therefore, when two such
+graphs are monotonely isomorphic (see~\ref{mstiso}), the algorithm processes them in the same way.
+
+\defn
+A~\df{distractor of order~$k$,} denoted by~$D_k$, is a path on $n=2^k$~vertices $v_1,\ldots,v_n$
+where each edge $v_iv_{i+1}$ has its weight equal to the number of trailing zeroes in the binary
+representation of the number~$i$. The vertex $v_1$ is called a~\df{base} of the distractor.
+
+\rem
+Alternatively, we can use a recursive definition: $D_0$ is a single vertex, $D_{k+1}$ consists
+of two disjoint copies of~$D_k$ joined by an edge of weight~$k$.
 
-% mention Steiner trees
-% mention matroids
-% sorted weights
+\figure{distractor.eps}{\epsfxsize}{A~distractor $D_3$ and its evolution (bold edges are contracted)}
+
+\lemma
+A~single iteration of the contractive algorithm reduces~$D_k$ to a graph isomorphic with~$D_{k-1}$.
+
+\proof
+Each vertex~$v$ of~$D_k$ is incident with a single edge of weight~1. The algorithm therefore
+selects all weight~1 edges and contracts them. This produces a graph which is
+exactly $D_{k-1}$ with all weights increased by~1, which does not change the relative order of edges.
+\qed
+
+\defn
+A~\df{hedgehog}~$H_{a,k}$ is a graph consisting of $a$~distractors $D_k^1,\ldots,D_k^a$ of order~$k$
+together with edges of a complete graph on the bases of the distractors. These additional edges
+have arbitrary weights, but heavier than the edges of all distractors.
+
+\figure{hedgehog.eps}{\epsfxsize}{A~hedgehog $H_{5,2}$ (quills bent to fit in the picture)}
+
+\lemma
+A~single iteration of the contractive algorithm reduces~$H_{a,k}$ to a graph isomorphic with $H_{a,k-1}$.
+
+\proof
+Each vertex is incident with an edge of some distractor, so the algorithm does not select
+any edge of the complete graph. Contraction therefore reduces each distractor to a smaller
+distractor (modulo an additive factor in weight) and leaves the complete graph intact.
+This is monotonely isomorphic to $H_{a,k-1}$.
+\qed
+
+\thmn{Lower bound for Contractive Bor\o{u}vka}%
+For each $n$ there exists a graph on $\Theta(n)$ vertices and $\Theta(n)$ edges
+such that the Contractive Bor\o{u}vka's algorithm spends time $\Omega(n\log n)$ on it.
+
+\proof
+Consider the hedgehog $H_{a,k}$ for $a=\lceil\sqrt n\rceil$ and $k=\lceil\log_2 a\rceil$.
+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
+as we wanted.
+
+By the previous lemma, the algorithm proceeds through a sequence of hedgehogs $H_{a,k},
+H_{a,k-1}, \ldots, H_{a,0}$ (up to monotone isomorphism), so it needs a logarithmic number of iterations plus some more
+to finish on the remaining complete graph. Each iteration runs on a graph with $\Omega(n)$
+edges as every $H_{a,k}$ contains a complete graph on~$a$ vertices.
+\qed
 
 \endpart