47 research outputs found

    Parameterized Graph Modification Beyond the Natural Parameter

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    LIPIcs, Volume 261, ICALP 2023, Complete Volume

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    Parameterized Graph Modification Beyond the Natural Parameter

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    A survey of parameterized algorithms and the complexity of edge modification

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    The survey is a comprehensive overview of the developing area of parameterized algorithms for graph modification problems. It describes state of the art in kernelization, subexponential algorithms, and parameterized complexity of graph modification. The main focus is on edge modification problems, where the task is to change some adjacencies in a graph to satisfy some required properties. To facilitate further research, we list many open problems in the area.publishedVersio

    Perfect Roman Domination and Unique Response Roman Domination

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    The idea of enumeration algorithms with polynomial delay is to polynomially bound the running time between any two subsequent solutions output by the enumeration algorithm. While it is open for more than four decades if all minimal dominating sets of a graph can be enumerated in output-polynomial time, it has recently been proven that pointwise-minimal Roman dominating functions can be enumerated even with polynomial delay. The idea of the enumeration algorithm was to use polynomial-time solvable extension problems. We use this as a motivation to prove that also two variants of Roman dominating functions studied in the literature, named perfect and unique response, can be enumerated with polynomial delay. This is interesting since Extension Perfect Roman Domination is W[1]-complete if parameterized by the weight of the given function and even W[2]-complete if parameterized by the number vertices assigned 0 in the pre-solution, as we prove. Otherwise, efficient solvability of extension problems and enumerability with polynomial delay tend to go hand-in-hand. We achieve our enumeration result by constructing a bijection to Roman dominating functions, where the corresponding extension problem is polynomimaltime solvable. Furthermore, we show that Unique Response Roman Domination is solvable in polynomial time on split graphs, while Perfect Roman Domination is NP-complete on this graph class, which proves that both variations, albeit coming with a very similar definition, do differ in some complexity aspects. This way, we also solve an open problem from the literature

    A Graphical Proof Theory of Logical Time

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    Logical time is a partial order over events in distributed systems, constraining which events precede others. Special interest has been given to series-parallel orders since they correspond to formulas constructed via the two operations for "series" and "parallel" composition. For this reason, series-parallel orders have received attention from proof theory, leading to pomset logic, the logic BV, and their extensions. However, logical time does not always form a series-parallel order; indeed, ubiquitous structures in distributed systems are beyond current proof theoretic methods. In this paper, we explore how this restriction can be lifted. We design new logics that work directly on graphs instead of formulas, we develop their proof theory, and we show that our logics are conservative extensions of the logic BV

    LIPIcs, Volume 244, ESA 2022, Complete Volume

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    LIPIcs, Volume 248, ISAAC 2022, Complete Volume

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    Sublinear-Time Cellular Automata and Connections to Complexity Theory

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    Im Gebiet des verteilten Rechnens werden Modelle untersucht, in denen sich mehrere Berechnungseinheiten koordinieren, um zusammen ein gemeinsames Ziel zu erreichen, wobei sie aber nur über begrenzte Ressourcen verfügen — sei diese Zeit-, Platz- oder Kommunikationskapazitäten. Das Hauptuntersuchungsobjekt dieser Dissertation ist das wohl einfachste solche Modell überhaupt: (eindimensionale) Zellularautomaten. Unser Ziel ist es, einen besseren Überblick über die Fähigkeiten und Einschränkungen des Modells und ihrer Varianten zu erlangen in dem Fall, dass die gesamte Bearbeitungszeit deutlich kleiner als die Größe der Eingabe ist (d. h. Sublinear-Zeit). Wir führen unsere Analyse von dem Standpunkt der Komplexitätstheorie und stellen dabei auch Bezüge zwischen Zellularautomaten und anderen Gebieten wie verteiltes Rechnen und Streaming-Algorithmen her. Sublinear-Zeit Zellularautomaten. Ein Zellularautomat (ZA) besteht aus identischen Zellen, die entlang einer Linie aneinandergereiht sind. Jede Zelle ist im Wesentlichen eine sehr primitive Berechnungseinheit (nämlich ein deterministischer endlicher Automat), die mit deren beiden Nachbarn interagieren kann. Die Berechnung entsteht durch die Aktualisierung der Zustände der Zellen gemäß derselben Zustandsüberführungsfunktion, die gleichzeitig überall im Automaten angewendet wird. Die von uns betrachteten Varianten sind unter anderem schrumpfende ZAs, die (gewissermaßen) dynamisch rekonfigurierbar sind, sowie eine probabilistische Variante, in der jede Zelle mit Zugriff auf eine faire Münze ausgestattet ist. Trotz überragendem Interesse an Linear- und Real-Zeit-ZAs scheint der Fall von Sublinear-Zeit im Großen und Ganzen von der wissenschaftlichen Gemeinschaft vernachlässigt worden zu sein. Wir arbeiten die überschaubare Anzahl an Vorarbeiten zu dem Thema auf, die vorhanden ist, und entwickeln die daraus stammenden Techniken weiter, sodass deren Spektrum an Anwendungsmöglichkeiten wesentlich breiter wird. Durch diese Bemühungen entsteht unter anderem ein Zeithierarchiesatz für das deterministische Modell. Außerdem übertragen wir Techniken zum Beweis unterer Schranken aus der Komplexitätstheorie auf das Modell der schrumpfenden ZAs und entwickeln neue Techniken, die auf probabilistische Sublinear-Zeit-ZAs zugeschnitten sind. Ein Bezug zu Härte-Magnifizierung. Ein Bezug zu Komplexitätstheorie, die wir im Laufe unserer Untersuchungen herstellen, ist ein Satz über Härte-Magnifizierung (engl. hardness magnification) für schrumpfende ZAs. Hier bezieht sich Härte-Magnifizierung auf eine Reihe neuerer Arbeiten, die bezeugen, dass selbst geringfügig nicht-triviale untere Schranken sehr beeindruckende Konsequenzen in der Komplexitätstheorie haben können. Unser Satz ist eine Abwandlung eines neuen Ergebnisses von McKay, Murray und Williams (STOC, 2019) für Streaming-Algorithmen. Wie wir zeigen kann die Aussage dabei genauso in Bezug auf schrumpfende ZAs formuliert werden, was sie auch beweisbar verstärkt. Eine Verbindung zu Sliding-Window Algorithmen. Wir verknüpfen das verteilte Zellularautomatenmodell mit dem sequenziellen Streaming-Algorithmen-Modell. Wie wir zeigen, können (gewisse Varianten von) ZAs von Streaming-Algorithmen simuliert werden, die bestimmten Lokalitätseinschränkungen unterliegen. Konkret ist der aktuelle Zustand des Algorithmus vollkommen bestimmt durch den Inhalt eines Fensters fester Größe, das wenige letzte Symbole enthält, die vom Algorithmus verarbeitet worden sind. Dementsprechend nennen wir diese eingeschränkte Form eines Streaming-Algorithmus einen Sliding-Window-Algorithmus. Wir zeigen, dass Sliding-Window-Algorithmen ZAs sehr effizient simulieren können und insbesondere in einer solchen Art und Weise, dass deren Platzkomplexität eng mit der Zeitkomplexität des simulierten ZA verbunden ist. Derandomisierungsergebnisse. Wir zeigen Derandomisierungsergebnisse für das Modell von Sliding-Window-Algorithmen, die Zufall aus einer binären Zufallsquelle beziehen. Dazu stützen wir uns auf die robuste Maschinerie von Branching-Programmen, die den gängigen Ansatz zur Derandomisierung von Platz-beschränkten Maschinen in der Komplexitätstheorie darstellen. Als eine Anwendung stellen sich Derandomisierungsergebnisse für probabilistische Sublinear-Zeit-ZAs heraus, die durch die oben genannten Verknüpfung erlangt werden. Vorhersageproblem für Pilz-Sandhaufen. Ein letztes Problem, das wir behandeln und das auch einen Bezug zu Sublinear-Zeitkomplexität im Rahmen von Zellularautomaten hat (obwohl nicht zu Sublinear-Zeit-Zellularautomaten selber), ist das Vorhersageproblem für Sandhaufen-Zellularautomaten. Diese Automaten sind basierend auf zweidimensionalen ZAs definiert und modellieren einen deterministischen Prozess, in dem sich Partikel (in der Regel denkt man an Sandkörnern) durch den Raum verbreiten. Das Vorhersageproblem fragt ob, gegeben eine Zellennummer yy und eine initiale Konfiguration für den Sandhaufen, die Zelle mit Nummer yy irgendwann vor einer gewissen Zeitschranke einen von Null verschiedenen Zustand erreichen wird. Die Komplexität dieses mindestens zwei Jahrzehnte alten Vorhersageproblems ist für zweidimensionelle Sandhaufen bemerkenswerterweise nach wie vor offen. Wir lösen diese Frage im Wesentlichen für eine neue Variante von Sandhaufen namens Pilz-Sandhaufen, die von Goles u. a. (Phys. Lett. A, 2020) vorgeschlagen worden ist. Unser Ergebnis ist besonders relevant, weil es innovative Erkenntnisse und neue Techniken liefert, die für die Lösung des offenen Problems im allgemeinen Fall von hoher Relevanz sein könnten

    Scalable Community Detection

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