Cubic Augmentation of Planar Graphs

In this paper we study the problem of augmenting a planar graph such that it becomes 3-regular and remains planar. We show that it is NP-hard to decide whether such an augmentation exists. On the other hand, we give an efficient algorithm for the variant of the problem where the input graph has a fixed planar (topological) embedding that has to be preserved by the augmentation. We further generalize this algorithm to test efficiently whether a 3-regular planar augmentation exists that additionally makes the input graph connected or biconnected. If the input graph should become even triconnected, we show that the existence of a 3-regular planar augmentation is again NP-hard to decide.Comment: accepted at ISAAC 201

The Vulcan game of Kal-toh: Finding or making triconnected planar subgraphs

In the game of Kal-toh depicted in the television series Star Trek: Voyager, players attempt to create polyhedra by adding to a jumbled collection of metal rods. Inspired by this fictional game, we formulate graph-theoretical questions about polyhedral (triconnected and planar) subgraphs in an on-line environment. The problem of determining the existence of a polyhedral subgraph within a graph G is shown to be NP-hard, and we also give some non-trivial upper bounds for the problem of determining the minimum number of edge additions necessary to guarantee the existence of a polyhedral subgraph in G. A two-player formulation of Kal-toh is also explored, in which the first player to form a target subgraph is declared the winner. We show a polynomial-time solution for simple cases of this game but conjecture that the general problem is NP-hard

Algorithms for drawing planar graphs

Computers raken meer en meer ingeburgerd in de samenleving. Ze worden gebruikt om informatie uit te rekenen, op te slaan en snel weer te geven. Deze weergave kan gebeuren in tekst, tabellen of in allerlei andere schema's. Een plaatje zegt vaak meer dan 1000 woorden, mits het plaatje duidelijk en overzichtelijk is. Een schema kan bestaan uit rechthoeken met informatie en verbindingslijnen tussen deze rechthoeken. Denk maar aan een schematische weergave van de organisatie structuur van een bedrijf. Of beschouw een schematische weergave van alle relaties en links in een database of een ander software programma. Ook een plan voor een uit te voeren project moet duidelijk laten zien welke onderdelen afhankelijk van elkaar zijn en tegelijk of na elkaar uitgevoerd moeten worden. Uit een schema moeten alle onderlinge relaties direct blijken. Ook op het gebied van electrische schakelingen zijn er vaak vereenvoudigde schema's die alle verbindingen tussen de componenten weergeven. Denk maar aan de bijlagen van een televisietoestel. Een schema wordt hier veelal gebruikt om later reparaties of uitbreidingen aan de electrische schakelingen uit te voeren. De elec- trische schakelingen kunnen uit duizenden componenten bestaan. Als er zeer veel van deze schakelingen grasch weergegeven moeten worden, is het belangrijk dat tekeningen van deze netwerken snel gemaakt kunnen worden, en het resultaat moet duidelijk en overzichtelijk zijn. In meer algemene zin bestaat een netwerk uit een aantal componenten, met verbindingen tussen deze componenten. In de wiskunde worden deze netwerken ook wel grafen genoemd. De componenten worden knopen genoemd en de verbindingen lijnen. Dit proefschrift is gewijd aan het automatisch tekenen en grasch representeren van grafen. De hierboven vermelde voorbeelden geven een goed inzichtin de be- trokken vragen bij de methoden, ook wel algoritmen genoemd, om een layout van een graaf te maken. Helaas zijn esthetische criteria zoals \leesbaarheid" of een \mooie tekening" niet direct te vertalen tot wiskundige formules. Anderzijds kan een wiskundig optimaliseringcriterium een goede keus zijn voor een bepaalde graaf, maar leiden tot een onoverzichtelijke tekening in andere gevallen. Heel vaak voldoet een goede tekening aan een combinatie van optimaliseringscriteria. Een belangrijk criterium is ofdat de graaf zonder kruisende lijnen getekend kan worden. Als dit het geval is dan wordt de graaf planair genoemd. We bestuderen in dit proefschrift het automatisch tekenen en representeren van 223?224 SAMENVATTING planaire grafen in het platte vlak en op roosters (dus alle co? ordinaten zijn gehele getallen). We tekenen de planaire grafen ook zonder kruisende lijnen. Belangrijke criteria voor de representatie van planaire grafen, genoemd in de literatuur, zijn de volgende: Het minimaliseren van het aantal bochten in de verbindingen (of het tekenen van de graaf met alle verbindingen als rechte lijnen weergegeven). Het minimaliseren van het totaal gebruikte gebied waarbinnen de representatie \mooi" kan worden weergegeven. Het plaatsen van de knopen, lijnen en bochten op roostercoordinaten. Het maximaliseren van de hoeken tussen elke twee opeenvolgende uitgaande verbindingen van een knoop. Het maximaliseren van de totale afstand tussen de knopen. De interne gebieden moeten convex getekend worden. Kwantitatieve uitspraken over de kwaliteit van een tekenalgoritme worden steeds gedaan in termen van het aantal knopen van een graaf. Het proefschrift is onderverdeeld in drie delen: Deel A presenteert een inleiding tot het gebied van planaire grafen. Het geeft een uitgebreid overzicht ven de belangrijkste basistechnieken en algoritmen, die vooraf- gaan aan de algoritmen, beschreven in de andere delen. Deel B beschouwt het probleem van het uitbreiden van planaire grafen zodat een bepaalde graad van samenhangendheid wordt bereikt. Een graaf heet k-samen- hangend als na het weglaten van

An Empirical Analysis of Approximation Algorithms for the Unweighted Tree Augmentation Problem

In this thesis, we perform an experimental study of approximation algorithms for the tree augmentation problem (TAP). TAP is a fundamental problem in network design. The goal of TAP is to add the minimum number of edges from a given edge set to a tree so that it becomes 2-edge connected. Formally, given a tree T = (V, E), where V denotes the set of vertices and E denotes the set of edges in the tree, and a set of edges (or links) L ⊆ V × V disjoint from E, the objective is to find a set of edges to add to the tree F ⊆ L such that the augmented tree (V, E ∪ F) is 2-edge connected. Our goal is to establish a baseline performance for each approximation algorithm on actual instances rather than worst-case instances. In particular, we are interested in whether the algorithms rank on practical instances is consistent with their worst-case guarantee rankings. We are also interested in whether preprocessing times, implementation difficulties, and running times justify the use of an algorithm in practice. We profiled and analyzed five approximation algorithms, viz., the Frederickson algorithm, the Nagamochi algorithm, the Even algorithm, the Adjiashivili algorithm, and the Grandoni algorithm. Additionally, we used an integer program and a simple randomized algorithm as benchmarks. The performance of each algorithm was measured using space, time, and quality comparison metrics. We found that the simple randomized is competitive with the approximation algorithms and that the algorithms rank according to their theoretical guarantees. The randomized algorithm is simpler to implement and understand. Furthermore, the randomized algorithm runs faster and uses less space than any of the more sophisticated approximation algorithms

Optimal Morphs of Convex Drawings

We give an algorithm to compute a morph between any two convex drawings of the same plane graph. The morph preserves the convexity of the drawing at any time instant and moves each vertex along a piecewise linear curve with linear complexity. The linear bound is asymptotically optimal in the worst case.Comment: To appear in SoCG 201

Two-Page Book Embeddings of 4-Planar Graphs

Back in the Eighties, Heath showed that every 3-planar graph is subhamiltonian and asked whether this result can be extended to a class of graphs of degree greater than three. In this paper we affirmatively answer this question for the class of 4-planar graphs. Our contribution consists of two algorithms: The first one is limited to triconnected graphs, but runs in linear time and uses existing methods for computing hamiltonian cycles in planar graphs. The second one, which solves the general case of the problem, is a quadratic-time algorithm based on the book-embedding viewpoint of the problem.Comment: 21 pages, 16 Figures. A shorter version is to appear at STACS 201