A survey of χ\chi-boundedness

If a graph has bounded clique number, and sufficiently large chromatic number, what can we say about its induced subgraphs? Andr\'as Gy\'arf\'as made a number of challenging conjectures about this in the early 1980's, which have remained open until recently; but in the last few years there has been substantial progress. This is a survey of where we are now

Graph Theory

This workshop focused on recent developments in graph theory. These included in particular recent breakthroughs on nowhere-zero flows in graphs, width parameters, applications of graph sparsity in algorithms, and matroid structure results

Local properties of graphs with large chromatic number

This thesis deals with problems concerning the local properties of graphs with large chromatic number in hereditary classes of graphs. We construct intersection graphs of axis-aligned boxes and of lines in $\mathbb{R}^3$ that have arbitrarily large girth and chromatic number. We also prove that the maximum chromatic number of a circle graph with clique number at most $\omega$ is equal to $\Theta(\omega \log \omega)$. Lastly, extending the $\chi$-boundedness of circle graphs, we prove a conjecture of Geelen that every proper vertex-minor-closed class of graphs is $\chi$-bounded

Graph Theory

Graph theory is a rapidly developing area of mathematics. Recent years have seen the development of deep theories, and the increasing importance of methods from other parts of mathematics. The workshop on Graph Theory brought together together a broad range of researchers to discuss some of the major new developments. There were three central themes, each of which has seen striking recent progress: the structure of graphs with forbidden subgraphs; graph minor theory; and applications of the entropy compression method. The workshop featured major talks on current work in these areas, as well as presentations of recent breakthroughs and connections to other areas. There was a particularly exciting selection of longer talks, including presentations on the structure of graphs with forbidden induced subgraphs, embedding simply connected 2-complexes in 3-space, and an announcement of the solution of the well-known Oberwolfach Problem

Circle Graph Obstructions

In this thesis we present a self-contained proof of Bouchet’s characterization of the class of circle graphs. The proof uses signed graphs and is analogous to Gerards’ graphic proof of Tutte’s excluded-minor characterization of the class of graphic matroids

Cliques, Degrees, and Coloring: Expanding the ω, Δ, χ paradigm

Many of the most celebrated and influential results in graph coloring, such as Brooks' Theorem and Vizing's Theorem, relate a graph's chromatic number to its clique number or maximum degree. Currently, several of the most important and enticing open problems in coloring, such as Reed's $\omega, \Delta, \chi$ Conjecture, follow this theme. This thesis both broadens and deepens this classical paradigm. In Part~1, we tackle list-coloring problems in which the number of colors available to each vertex $v$ depends on its degree, denoted $d(v)$, and the size of the largest clique containing it, denoted $\omega(v)$. We make extensive use of the probabilistic method in this part. We conjecture the ``list-local version'' of Reed's Conjecture, that is every graph is $L$-colorable if $L$ is a list-assignment such that $$|L(v)| \geq \lceil (1 - \varepsilon)(d(v) + 1) + \varepsilon\omega(v))\rceil$$ for each vertex $v$ and $\varepsilon \leq 1/2$, and we prove this for $\varepsilon \leq 1/330$ under some mild additional assumptions. We also conjecture the ``$\mathrm{mad}$ version'' of Reed's Conjecture, even for list-coloring. That is, for $\varepsilon \leq 1/2$, every graph $G$ satisfies \chi_\ell(G) \leq \lceil (1 - \varepsilon)(\mad(G) + 1) + \varepsilon\omega(G)\rceil, where $\mathrm{mad}(G)$ is the maximum average degree of $G$. We prove this conjecture for small values of $\varepsilon$, assuming $\omega(G) \leq \mathrm{mad}(G) - \log^{10}\mathrm{mad}(G)$. We actually prove a stronger result that improves bounds on the density of critical graphs without large cliques, a long-standing problem, answering a question of Kostochka and Yancey. In the proof, we use a novel application of the discharging method to find a set of vertices for which any precoloring can be extended to the remainder of the graph using the probabilistic method. Our result also makes progress towards Hadwiger's Conjecture: we improve the best known bound on the chromatic number of $K_t$-minor free graphs by a constant factor. We provide a unified treatment of coloring graphs with small clique number. We prove that for $\Delta$ sufficiently large, if $G$ is a graph of maximum degree at most $\Delta$ with list-assignment $L$ such that for each vertex $v\in V(G)$, $$|L(v)| \geq 72\cdot d(v)\min\left\{\sqrt{\frac{\ln(\omega(v))}{\ln(d(v))}}, \frac{\omega(v)\ln(\ln(d(v)))}{\ln(d(v))}, \frac{\log_2(\chi(G[N(v)]) + 1)}{\ln(d(v))}\right\}$$ and $d(v) \geq \ln^2\Delta$, then $G$ is $L$-colorable. This result simultaneously implies three famous results of Johansson from the 90s, as well as the following new bound on the chromatic number of any graph $G$ with $\omega(G)\leq \omega$ and $\Delta(G)\leq \Delta$ for $\Delta$ sufficiently large: $$\chi(G) \leq 72\Delta\sqrt{\frac{\ln\omega}{\ln\Delta}}.$$ In Part~2, we introduce and develop the theory of fractional coloring with local demands. A fractional coloring of a graph is an assignment of measurable subsets of the $[0, 1]$-interval to each vertex such that adjacent vertices receive disjoint sets, and we think of vertices ``demanding'' to receive a set of color of comparatively large measure. We prove and conjecture ``local demands versions'' of various well-known coloring results in the $\omega, \Delta, \chi$ paradigm, including Vizing's Theorem and Molloy's recent breakthrough bound on the chromatic number of triangle-free graphs. The highlight of this part is the ``local demands version'' of Brooks' Theorem. Namely, we prove that if $G$ is a graph and $f : V(G) \rightarrow [0, 1]$ such that every clique $K$ in $G$ satisfies $\sum_{v\in K}f(v) \leq 1$ and every vertex $v\in V(G)$ demands $f(v) \leq 1/(d(v) + 1/2)$, then $G$ has a fractional coloring $\phi$ in which the measure of $\phi(v)$ for each vertex $v\in V(G)$ is at least $f(v)$. This result generalizes the Caro-Wei Theorem and improves its bound on the independence number, and it is tight for the 5-cycle

Tree-Structured Problems and Parallel Computation

Turing-Maschinen sind das klassische Beschreibungsmittel für Wortsprachen und werden daher auch benützt, um Komplexitätsklassen zu definieren. Dies geschieht zum Beispiel durch das Einschränken des Platz- oder Zeitaufwandes der Berechnung zur Lösung eines Problems. Für sehr niedrige Komplexität wie etwa sublineare Laufzeit, werden Schaltkreise verwendet. Schaltkreise können auf natürliche Art Komplexitäten wie etwa logarithmische Laufzeit modellieren. Ebenso können sie als eine Art paralleles Rechenmodell gesehen werden. Eine wichtige parallele Komplexitätsklasse ist NC1. Sie wird beschrieben durch Boolesche Schaltkreise logarithmischer Tiefe und beschränktem Eingangsgrad der Gatter. Eine initiale Beobachtung, die die vorliegende Arbeit motiviert, ist, dass viele schwere Probleme in NC1 eine ähnliche Struktur haben und auf ähnliche Art und Weise gelöst werden. Das Auswertungsproblem für Boolesche Formeln ist eines der repräsentativsten Probleme aus dieser Klasse: Gegeben ist hier eine aussagenlogische Formel samt Belegung für die Variablen; gefragt ist, ob sie zu wahr oder zu falsch auswertet. Dieses Problem wird in NC1 gelöst durch den Algorithmus von Buss. Auf ähnliche Art können arithmetische Formeln in #NC1 ausgewertet oder das Wortproblem für Visibly-Pushdown-Sprachen gelöst werden. Zu besagter Klasse an Problemen gehört auch Courcelles Theorem, welches Berechnungen in Baumautomaten involviert. Zu bemerken ist, dass alle angesprochenen Probleme gemeinsam haben, dass sie aus Instanzen bestehen, die baumartig sind. Formeln sind Bäume, Visibly-Pushdown-Sprachen enthalten als Wörter kodierte Bäume und Courcelles Theorem betrachtet Graphen mit beschränkter Baumweite, d.h. Graphen, die sich als Baum darstellen lassen. Insbesondere Letzteres ist ein Schema, das häufiger auftritt. Zum Beispiel gibt es NP-vollständige Graphprobleme wie das Finden von Hamilton-Kreisen, welches unter beschränkter Baumweite in P fällt. Neuere Analysen konnten diese Schranke weiter zu SAC1 verbessern, was eine parallele Komplexitätsklasse ist. Die angesprochenen Probleme kommen aus unterschiedlichen Bereichen und haben individuelle Lösungen. Hauptthese dieser Arbeit ist, dass sich diese Vielfalt vereinheitlichen lässt. Es wird ein generisches Lösungskonzept vorgestellt, welches darauf beruht, dass sich die Probleme auf ein Termevaluierungsproblem reduzieren lassen. Kernstück ist daher ein Termevaluierungsalgorithmus, der unabhängig von der Algebra, über welche der Term evaluiert werden soll, ist. Resultat ist, dass eine Vielzahl, darunter die oben angesprochenen Probleme, sich auf analoge Art lösen lassen, und dass sich ebenso leicht neue Resultate zeigen lassen. Diese Menge an Resultaten hätte sich ohne den vereinheitlichten Lösungsansatz nicht innerhalb des Rahmens einer Arbeit wie der vorliegenden zeigen lassen. Der entwickelte Lösungsansatz führt stets zu Schaltkreisfamilien polylogarithmischer Tiefe. Es wird jedoch auch die Frage behandelt, wie mächtig Schaltkreisfamilien konstanter Tiefe noch bezüglich Termevaluierung sind. Die Klasse AC0 ist hierfür ein natürlicher Kandidat; sie entspricht der Menge der Sprachen, die durch Logik erster Ordung beschreibbar sind. Um dieses Problem anzugehen, wird zunächst das Termevaluierungsproblem über endlichen Algebren betrachtet. Dieses wiederum lässt sich in das Wortproblem von Visibly-Pushdown-Sprachen einbetten. Daher handelt dieser Teil der Arbeit vornehmlich von der Beschreibbarkeit von Visibly-Pushdown-Sprachen in Logik erster Ordnung. Hierbei treten ungelöste Probleme zu Tage, welche ein Indiz dafür sind, wie schlecht die Komplexität konstanter Tiefe bisher noch verstanden ist, und das, trotz des Resultats von Furst, Saxe und Sipser, bzw. Håstads. Die bis jetzt beschrieben Inhalte sind Teil einer kontinuierlichen Entwicklung. Es gibt jedoch ein Thema in dieser Arbeit, das orthogonal dazu ist: Automaten und im speziellen Cost-Register-Automaten. Zum einen sind, wie oben angedeutet, Automaten Beispiele für Anwendungen des hier entwickelten generischen Lösungsansatzes. Zum anderen können sie selbst zur Beschreibung von Termevaluierungsproblemen dienen; so können Visibly-Pushdown-Automaten Termevaluierung über endlichen Algebren ausführen. Um über endliche Algebren hinauszugehen, benötigen die Automaten mehr Speicher. Visibly-Pushdown-Automaten haben einen Keller, der genau dafür geeignet ist, die Baumstruktur einer Eingabeformel zu verifizieren. Für nichtendliche Algebren eignet sich ein Modell, welches hier vorgestellt werden soll. Es kombiniert Visibly-Pushdown-Automaten mit Cost-Register-Automaten. Ein Cost-Register-Automat ist ein endlicher Automat, welcher mit zusätzlichen Registern ausgestattet ist. Die Register können Werte einer Algebra speichern und werden in jedem Schritt in Abhängigkeit des Eingabezeichens und des Zustandes aktualisiert. Dieser Einwegdatenfluss von Zuständen zu Registern sorgt dafür, dass dieses Modell nicht nur entscheidbar bleibt, sondern, in Abhängigkeit der Algebra, auch niedrige Komplexität hat. Das neue Modell der Cost-Register-Visibly-Pushdown-Automaten kann nun Terme evaluieren. Es werden grundlegende Eigenschaften gezeigt, einschließlich Komplexitätsaussagen