]> mj.ucw.cz Git - saga.git/blobdiff - notation.tex
Larger cover letters.
[saga.git] / notation.tex
index 8693a5d541655030d5cdaa7351c550020adb77e8..e1e424f4ea29e21399375eac188f26167d2424a2 100644 (file)
@@ -2,53 +2,86 @@
 \input macros.tex
 \fi
 
-\chapter{Notation}
+\chapter{Notation}\id{notapp}%
+
+\section{Symbols}
 
 {\obeylines\parskip=0pt
-\def\n#1#2{\>\hbox to 6em{#1 \dotfill} #2}
+\def\n#1#2{\>\hangindent=6em\hangafter=1 \hbox to 6em{#1 \dotfill~}#2}
 \def\[#1]{~{\it(\ref{#1})}}
-\n{$\bb R$}{the set of all real numbers}
-\n{$\bb N$}{the set of all natural numbers, including 0}
-\n{${\bb N}^+$}{the set of all positive integers}
+
+\n{$A(x,y)$}{Ackermann's function \[ackerdef]}
+\n{$A(x)$}{diagonal Ackermann's function \[ackerdef]}
+\n{$\band$}{bitwise conjunction: $(x\band y)[i]=1$ iff $x[i]=1 \land y[i]=1$}
+\n{$C_k$}{cycle on~$k$ vertices}
+\n{${\cal D}(G)$}{optimal MSF decision tree for a~graph~$G$ \[decdef]}
+\n{$D(G)$}{depth of ${\cal D}(G)$ \[decdef]}
+\n{$D(m,n)$}{decision tree complexity of MSF \[decdef]}
+\n{$D_n$}{$n\times n$ matrix with 0's on the main diagonal and 1's elsewhere \[hatrank]}
+\n{$\deg_G(v)$}{degree of vertex~$v$ in graph~$G$; we omit $G$ if it is clear from context}
+\n{$E(G)$}{set of edges of a graph~$G$}
+\n{$E$}{$E(G)$ when the graph~$G$ is clear from context}
+\n{${\E}X$}{expected value of a~random variable~$X$}
+\n{$K_k$}{complete graph on~$k$ vertices}
+\n{$L(\pi,A)$}{lexicographic ranking function for permutations on a~set~$A\subseteq{\bb N}$ \[brackets]}
+\n{$L^{-1}(i,A)$}{lexicographic unranking function, the inverse of~$L$ \[brackets]}
+\n{$\log n$}{a binary logarithm of the number~$n$}
+\n{$\log^* n$}{iterated logarithm: $\log^*n := \min\{i \mid \log^{(i)}n \le 1\}$; the inverse of~$2\tower n$}
+\n{$\<LSB>(x)$}{position of the lowest bit set in~$x$ \[lsbmsb]}
+\n{$\<MSB>(x)$}{position of the highest bit set in~$x$ \[lsbmsb]}
+\n{MSF}{minimum spanning forest \[mstdef]}
+\n{$\msf(G)$}{the unique minimum spanning forest of a graph~$G$ \[mstnota]}
+\n{MST}{minimum spanning tree \[mstdef]}
+\n{$\mst(G)$}{the unique minimum spanning tree of a graph~$G$ \[mstnota]}
+\n{$m(G)$}{number of edges of a graph~$G$, that is $\vert E(G)\vert$}
+\n{$m$}{$m(G)$ when the graph~$G$ is clear from context}
+\n{$\bb N$}{set of all natural numbers, including 0}
+\n{${\bb N}^+$}{set of all positive integers}
+\n{$N_0(M)$}{number of permutations satisfying the restrictions~$M$ \[restnota]}
+\n{$n(G)$}{number of vertices of a graph~$G$, that is $\vert V(G)\vert$}
+\n{$n$}{$n(G)$ when the graph~$G$ is clear from context}
+\n{$\bnot$}{bitwise negation: $(\bnot x)[i]=1-x[i]$}
 \n{$\O(g)$}{asymptotic~$O$: $f=\O(g)$ iff $\exists c>0: f(n)\le g(n)$ for all~$n\ge n_0$}
-\n{$\Omega(g)$}{asymptotic~$\Omega$: $f=\Omega(g)$ iff $\exists c>0: f(n)\ge g(n)$ for all~$n\ge n_0$}
-\n{$\Theta(g)$}{asymptotic~$\Theta$: $f=\Theta(g)$ iff $f=\O(g)$ and $f=\Omega(g)$}
 \n{$\widetilde\O(g)$}{$f=\widetilde\O(g)$ iff $f=\O(g\cdot\log^{\O(1)} g)$}
+\n{$\bor$}{bitwise disjunction: $(x\bor y)[i]=1$ iff $x[i]=1 \lor y[i]=1$}
+\n{${\cal P}_A$}{set of all permutations on a~set~$A$ \[restnota]}
+\n{${\cal P}_{A,M}$}{set of all permutations on~$A$ satisfying the restrictions~$M$ \[restnota]}
+\n{$\per M$}{permanent of a~square matrix~$M$}
 \n{$\poly(n)$}{$f=\poly(n)$ iff $f=\O(n^c)$ for some $c$}
+\n{${\rm Pr}[\varphi]$}{probability that a predicate~$\varphi$ is true}
+\n{$\bb R$}{set of all real numbers}
+\n{$R_{C,\prec}(x)$}{rank of~$x$ in a~set~$C$ ordered by~$\prec$ \[rankdef]}
+\n{$R^{-1}_{C,\prec}(i)$}{unrank of~$i$: the $i$-th smallest element of a~set~$C$ ordered by~$\prec$ \[rankdef]}
+\n{$V(G)$}{set of vertices of a graph~$G$}
+\n{$V$}{$V(G)$ when the graph~$G$ is clear from context}
+\n{$W$}{word size of the RAM \[wordsize]}
+\n{$w(e)$}{weight of an edge $e$}
+\n{$\bxor$}{bitwise non-equivalence: $(x\bxor y)[i]=1$ iff $x[i]\ne y[i]$}
+
+\n{$\alpha(n)$}{diagonal inverse of the Ackermann's function \[ackerinv]}
+\n{$\alpha(m,n)$}{$\alpha(m,n) := \min\{ x\ge 1 \mid A(x,4\lceil m/n\rceil) > \log n \}$ \[ackerinv]}
+\n{$\beta(m,n)$}{$\beta(m,n) := \min\{i \mid \log^{(i)}n \le m/n \}$ \[itjarthm]}
+\n{$\delta_G(U)$}{all edges connecting $U\subset V(G)$ with $V(G)\setminus U$; we usually omit the~$G$}
+\n{$\delta_G(v)$}{edges of a one-vertex cut, i.e., $\delta_G(\{v\})$}
+\n{$\Theta(g)$}{asymptotic~$\Theta$: $f=\Theta(g)$ iff $f=\O(g)$ and $f=\Omega(g)$}
+\n{$\lambda_i(n)$}{inverse of the $i$-th row of the Ackermann's function \[ackerinv]}
+\n{$\varrho({\cal C})$}{edge density of a graph class~$\cal C$ \[density]}
+\n{$\Omega(g)$}{asymptotic~$\Omega$: $f=\Omega(g)$ iff $\exists c>0: f(n)\ge g(n)$ for all~$n\ge n_0$}
+
 \n{$T[u,v]$}{the path in a tree~$T$ joining vertices $u$ and $v$ \[heavy]}
 \n{$T[e]$}{the path in a tree~$T$ joining the endpoints of an~edge~$e$ \[heavy]}
 \n{$A\symdiff B$}{symetric difference of sets: $(A\setminus B) \cup (B\setminus A)$}
 \n{$G-e$}{graph $G$ with edge $e$ removed}
 \n{$G+e$}{graph $G$ with edge $e$ added}
-\n{$w(e)$}{weight of an edge $e$}
-\n{$V(G)$}{set of vertices of a graph~$G$}
-\n{$E(G)$}{set of edges of a graph~$G$}
-\n{$n(G)$}{number of vertices of a graph~$G$, that is $\vert V(G)\vert$}
-\n{$m(G)$}{number of edges of a graph~$G$, that is $\vert E(G)\vert$}
-\n{$V,E,n,m$}{when used without $(G)$, they refer to the input of the current algorithm}
 \n{$G[U]$}{subgraph induced by a~set $U\subset V(G)$}
-\n{$\delta_G(U)$}{all edges connecting $U\subset V(G)$ with $V(G)\setminus U$; we usually omit the~$G$}
-\n{$\delta_G(v)$}{the edges of a one-vertex cut, i.e., $\delta_G(\{v\})$}
-\n{MST}{minimum spanning tree \[mstdef]}
-\n{MSF}{minimum spanning forest \[mstdef]}
-\n{$\mst(G)$}{the unique minimum spanning tree of a graph~$G$ \[mstnota]}
-\n{$\msf(G)$}{the unique minimum spanning forest of a graph~$G$ \[mstnota]}
 \n{$X \choose k$}{the set of all $k$-element subsets of a set~$X$}
 \n{$G/e$}{multigraph contraction \[contract]}
-\n{$G.e$}{simple graph contraction \[simpcont]}
+\n{$G\sgc e$}{simple graph contraction \[simpcont]}
 \n{$G/X$, $G.X$}{contraction by a~set $X$ of vertices or edges \[setcont]}
-\n{$f[X]$}{function applied to a set: $f[X]:=\{ f(x) ; x\in X \}$}
+\n{$f[X]$}{function applied to a set: $f[X]:=\{ f(x) \mid x\in X \}$}
 \n{$f[e]$}{as edges are two-element sets, $f[e]$ maps both endpoints of an edge~$e$}
-\n{$\varrho({\cal C})$}{edge density of a graph class~$\cal C$ \[density]}
-\n{$\deg_G(v)$}{degree of vertex~$v$ in graph~$G$; we omit $G$ if it is clear from context}
-\n{${\E}X$}{expected value of a~random variable~$X$}
-\n{${\rm Pr}[\varphi]$}{probability that a predicate~$\varphi$ is true}
-\n{$\log n$}{a binary logarithm of the number~$n$}
 \n{$f^{(i)}$}{function~$f$ iterated $i$~times: $f^{(0)}(x):=x$, $f^{(i+1)}(x):=f(f^{(i)}(x))$}
 \n{$2\tower n$}{the tower function (iterated exponential): $2\tower 0:=1$, $2\tower (n+1):=2^{2\tower n}$}
-\n{$\log^* n$}{the iterated logarithm: $\log^*n := \min\{i: \log^{(i)}n \le 1\}$; the inverse of~$2\tower n$}
-\n{$\beta(m,n)$}{$\beta(m,n) := \min\{i: \log^{(i)}n \le m/n \}$ \[itjarthm]}
-\n{$W$}{word size of the RAM \[wordsize]}
 \n{$\(x)$}{number~$x\in{\bb N}$ written in binary \[bitnota]}
 \n{$\(x)_b$}{$\(x)$ zero-padded to exactly $b$ bits \[bitnota]}
 \n{$x[i]$}{when $x\in{\bb N}$: the value of the $i$-th bit of~$x$ \[bitnota]}
 \n{$\sigma^k$}{the string~$\sigma$ repeated $k$~times \[bitnota]}
 \n{$\0$, $\1$}{bits in a~bit string \[bitnota]}
 \n{$\equiv$}{congruence modulo a~given number}
-\n{$\<LSB>(x)$}{the position of the lowest bit set in~$x$ \[lsbmsb]}
-\n{$\<MSB>(x)$}{the position of the highest bit set in~$x$ \[lsbmsb]}
 \n{$\bf x$}{a~vector with elements $x_1,\ldots,x_d$; $x$ is its bitwise encoding \[vecnota]}
-\n{$\band$}{bitwise conjunction: $(x\band y)[i]=1$ iff $x[i]=1 \land y[i]=1$}
-\n{$\bor$}{bitwise disjunction: $(x\bor y)[i]=1$ iff $x[i]=1 \lor y[i]=1$}
-\n{$\bnot$}{bitwise negation: $(\bnot x)[i]=1-x[i]$}
-\n{$\bxor$}{bitwise non-equivalence: $(x\bxor y)[i]=1$ iff $x[i]\ne y[i]$}
 \n{$x \shl n$}{bitwise shift of~$x$ by $n$~positions to the left: $x\shl n = x\cdot 2^n$}
 \n{$x \shr n$}{bitwise shift of~$x$ by $n$~positions to the right: $x\shr n = \lfloor x/2^n \rfloor$}
-\n{$R_{C,\prec}(x)$}{the rank of~$x$ in a~set~$C$ ordered by~$\prec$ \[rankdef]}
-\n{$R^{-1}_{C,\prec}(i)$}{the unrank of~$i$: the $i$-th smallest element of a~set~$C$ ordered by~$\prec$ \[rankdef]}
 \n{$[n]$}{the set $\{1,2,\ldots,n\}$ \[pranksect]}
-\n{$L(\pi,A)$}{lexicographic ranking function for permutations on a~set~$A\subseteq{\bb N}$ \[brackets]}
-\n{$L^{-1}(i,A)$}{lexicographic unranking function, the inverse of~$L$ \[brackets]}
 \n{$n^{\underline k}$}{the $k$-th falling factorial power: $n\cdot(n-1)\cdot\ldots\cdot(n-k+1)$ \[kpranksect]}
 \n{$H\minorof G$}{$H$ is a~minor of~$G$ \[minordef]}
-\n{$K_k$}{the complete graph on~$k$ vertices}
-\n{$C_k$}{the cycle on~$k$ vertices}
-\n{${\cal P}_A$}{the set of all permutations on a~set~$A$ \[restnota]}
-\n{${\cal P}_{A,M}$}{the set of all permutations on~$A$ satisfying the restrictions~$M$ \[restnota]}
-\n{$N_0(M)$}{the number of permutations satisfying the restrictions~$M$ \[restnota]}
-\n{$M^{i,j}$}{the matrix $M$ with $i$-th row and $j$-th column deleted \[restnota]}
-\n{$D_n$}{the $n\times n$ matrix with $D[i,i]=0$ for all~$i$ and ones elsewhere else \[hatrank]}
-\n{$\per M$}{the permanent of a~square matrix~$M$}
 \n{$G\crpt R$}{graph~$G$ with edges in~$R$ corrupted \[corrnota]}
 \n{$R^C$}{$R^C = R\cap \delta(C)$ \[corrnota]}
-\n{${\cal D}(G)$}{The optimal MSF decision tree for a~graph~$G$ \[decdef]}
-\n{$D(G)$}{The depth of ${\cal D}(G)$ \[decdef]}
-\n{$D(m,n)$}{Decision tree complexity of MSF \[decdef]}
-\n{$A(x,y)$}{The Ackermann's function \[ackerdef]}
-\n{$A(x)$}{The diagonal Ackermann's function \[ackerdef]}
-\n{$a(x,n)$}{The inverse of the $x$-th row of the Ackermann's function \[ackerinv]}
-\n{$a(n)$}{The diagonal inverse of the Ackermann's function \[ackerinv]}
-\n{$\alpha(m,n)$}{$\alpha(m,n) := \min\{ x\ge 1 \mid A(x,4\lceil m/n\rceil) > \log n \}$ \[ackerinv]}
+\n{$M^{i,j}$}{the matrix $M$ with $i$-th row and $j$-th column deleted \[restnota]}
+
 }
 
 %--------------------------------------------------------------------------------
@@ -115,38 +124,40 @@ consider multigraphs with no multiple edges nor loops and simple graphs to be
 the same objects, although they formally differ.
 
 \defn\id{contract}%
-Let $G=(V,E,M)$ be a multigraph and $e=xy$ its edge. \df{(Multigraph) contraction of~$G$ along~$e$}
+Let $G=(V,E,M)$ be a multigraph and $e=xy$ its arbitrary edge.
+The \df{(multigraph) contraction of~$e$ in~$G$}
 produces a multigraph $G/e=(V',E',M')$ such that:
 $$\eqalign{
 V' &= (V(G) \setminus \{x,y\}) \cup \{v_e\},\quad\hbox{where $v_e$ is a new vertex,}\cr
 E' &= E(G) - \{e\},\cr
-M'(f) &= \{ m(v) ; v\in M(f) \} \quad\hbox{for every $f=\in E'$, and}\cr
+M'(f) &= \{ m(v) \mid v\in M(f) \} \quad\hbox{for every $f=\in E'$, and}\cr
 m(x) &= \cases{v_e & \hbox{for $v=x,y,$}\cr v & \hbox{otherwise.}} \cr
 }$$
 
-Sometimes we need contraction for simple graphs as well. It corresponds to performing
-the multigraph contraction, unifying parallel edges and deleting loops.
+Sometimes we need contraction for simple graphs as well. It is equivalent to performing
+the multigraph contraction and then unifying parallel edges and deleting loops.
 
 \defn\id{simpcont}%
-Let $G=(V,E)$ a simple graph and $e=xy$ its edge. \df{(Simple graph) contraction of~$G$ along~$e$}
-produces a graph $G.e=(V',E')$ such that:
+Let $G=(V,E)$ a simple graph and $e=xy$ its arbitrary edge.
+The \df{(simple graph) contraction of~$e$ in~$G$}
+produces a graph $G\sgc e=(V',E')$ such that:
 $$\eqalign{
 V' &= (V(G) \setminus \{x,y\}) \cup \{v_e\},\quad\hbox{where $v_e$ is a new vertex,}\cr
-E' &= \{ \{m(x),m(y)\} ; xy\in E \land m(x)\ne m(y) \},\cr
-m(x) &= \cases{v_e & \hbox{for $v=x,y,$}\cr v & \hbox{otherwise.}} \cr
+E' &= \{ \{m(x),m(y)\} \mid xy\in E \land m(x)\ne m(y) \},\cr
+m(x) &= \cases{v_e & \hbox{for $v=x,y,$}\cr \noalign{\vskip5pt} v & \hbox{otherwise.}} \cr
 }$$
 
 \defn\id{setcont}%
-We can also extend the above definitions to contractions by a~set of vertices or edges.
+We can also extend the above definitions to contractions of a~set of vertices or edges.
 For $F\subseteq E(G)$, the graph $G/F$ is defined as $(G/f_1)/f_2/\ldots/f_k$ where
 $f_1,\ldots,f_k$ are the elements of~$F$ (you can observe that the result
 does not depend on the order of edges). For $U\subseteq V(G)$, we define $G/U$
 as the graph with all vertices of~$U$ merged to a~single vertex, that is $(G\cup U^*)/U^*$,
-where $U^*$ is the complete graph on~$U$. Similarly for $G.F$ and $G.U$.
+where $U^*$ is the complete graph on~$U$. Similarly for $G\sgc F$ and $G\sgc U$.
 
 %--------------------------------------------------------------------------------
 
-\section{Ackermann's function and its inverse}\id{ackersec}%
+\section{Ackermann's function and its inverses}\id{ackersec}%
 
 The Ackermann's function is an~extremely quickly growing function which has been
 introduced by Ackermann \cite{ackermann:function} in the context of
@@ -163,7 +174,10 @@ related to the topic of our study.
 
 Various sources differ in the exact definition of both the Ackermann's
 function and its inverse, but most of the differences are in factors that
-are negligible in the light of the giant asymptotic growth of the function.
+are negligible in the light of the giant asymptotic growth of the function.\foot{%
+To quote Pettie \cite{pettie:onlineverify}: ``In the field of algorithms \& complexity,
+Ackermann's function is rarely defined the same way twice. We would not presume to buck
+such a~well-established precedent. Here is a~slight variant.''}
 We will use the definition by double recursion given by Tarjan \cite{tarjan:setunion},
 which is predominant in the literature on graph algorithms:
 
@@ -196,22 +210,22 @@ A(4,3) &= A(3,A(4,2)) = A(3,4) = A(2,A(3,3)) = A(2,A(2,A(3,2))) = \cr
 Three functions related to the inverse of the function~$A$ are usually considered:
 
 \defn\id{ackerinv}%
-The \df{row inverse} $a(x,y)$ of the Ackermann's function is defined by:
+The \df{$i$-th row inverse} $\lambda_i(n)$ of the Ackermann's function is defined by:
 $$
-a(x,n) := \min\{ y \mid A(x,y) > \log n \}.
+\lambda_i(n) := \min\{ y \mid A(i,y) > \log n \}.
 $$
-The \df{diagonal inverse} $a(n)$ is defined by:
+The \df{diagonal inverse} $\alpha(n)$ is defined by:
 $$
-a(n) := \min\{ x \mid A(x) > \log n \}.
+\alpha(n) := \min\{ x \mid A(x) > \log n \}.
 $$
-The \df{alpha function} $\alpha(m,n)$ is defined for $m\ge n$ by:
+The two-parameter \df{alpha function} $\alpha(m,n)$ is defined for $m\ge n$ by:
 $$
 \alpha(m,n) :=  \min\{ x\ge 1 \mid A(x,4\lceil m/n\rceil) > \log n \}.
 $$
 
 \example
-$a(1,n) = \O(\log\log n)$, $a(2,n) = \O(\log^* n)$, $a(3,n)$ grows even slower
-and $a(n)$ is asymptotically smaller than $a(x,n)$ for any fixed~$x$.
+$\lambda_1(n) = \O(\log\log n)$, $\lambda_2(n) = \O(\log^* n)$, $\lambda_3(n)$ grows even slower
+and $\alpha(n)$ is asymptotically smaller than $\lambda_i(n)$ for any fixed~$i$.
 
 \obs
 It is easy to verify that all the rows are strictly increasing and so are all
@@ -220,19 +234,20 @@ $\alpha(m,n)$ is maximized at $m=n$. So $\alpha(m,n) \le 3$ when $\log n < A(3,4
 which covers all values of~$m$ that are likely to occur in practice.
 
 \lemma
-$\alpha(m,n) \le a(n)+1$.
+$\alpha(m,n) \le \alpha(n)+1$.
 
 \proof
+We know that
 $A(x,4\lceil m/n\rceil) \ge A(x,4) = A(x-1,A(x,3)) \ge A(x-1,x-1)$, so $A(x,4\lceil m/n\rceil)$
 rises above $\log n$ no later than $A(x-1,x-1)$ does.
 \qed
 
 \lemma\id{alphaconst}%
-When $k$~is a~fixed constant and $m\ge n\cdot a(k,n)$, then $\alpha(m,n) \le k$.
+When $i$~is a~fixed constant and $m\ge n\cdot \lambda_i(n)$, then $\alpha(m,n) \le i$.
 
 \proof
-The choice of~$m$ guarantees that $A(x,4\lceil m/n\rceil) \ge A(x,a(k,n))$, which
-is greater than $\log n$ for all $x \ge k$.
+The choice of~$m$ guarantees that $A(x,4\lceil m/n\rceil) \ge A(x,\lambda_i(n))$, which
+is greater than $\log n$ for all $x \ge i$.
 \qed
 
 \endpart