Counting Problems in Parameterized Complexity

This survey is an invitation to parameterized counting problems for readers with a background in parameterized algorithms and complexity. After an introduction to the peculiarities of counting complexity, we survey the parameterized approach to counting problems, with a focus on two topics of recent interest: Counting small patterns in large graphs, and counting perfect matchings and Hamiltonian cycles in well-structured graphs. While this survey presupposes familiarity with parameterized algorithms and complexity, we aim at explaining all relevant notions from counting complexity in a self-contained way

Counting Matchings with k Unmatched Vertices in Planar Graphs

We consider the problem of counting matchings in planar graphs. While perfect matchings in planar graphs can be counted by a classical polynomial-time algorithm [Kasteleyn 1961], the problem of counting all matchings (possibly containing unmatched vertices, also known as defects) is known to be #P-complete on planar graphs [Jerrum 1987]. To interpolate between matchings and perfect matchings, we study the parameterized problem of counting matchings with k unmatched vertices in a planar graph G, on input G and k. This setting has a natural interpretation in statistical physics, and it is a special case of counting perfect matchings in k-apex graphs (graphs that become planar after removing k vertices). Starting from a recent #W[1]-hardness proof for counting perfect matchings on k-apex graphs [Curtican and Xia 2015], we obtain: - Counting matchings with k unmatched vertices in planar graphs is #W[1]-hard. - In contrast, given a plane graph G with s distinguished faces, there is an O(2^s n^3) time algorithm for counting those matchings with k unmatched vertices such that all unmatched vertices lie on the distinguished faces. This implies an f(k,s)n^O(1) time algorithm for counting perfect matchings in k-apex graphs whose apex neighborhood is covered by s faces

The simple, little and slow things count : on parameterized counting complexity

In this thesis, we study the parameterized complexity of counting problems, as introduced by Flum and Grohe. This area mainly involves questions of the following kind: On inputs x with a parameter k, can we solve a given counting problem in time f(k)*|x|^c for a function f that depends only on k? In the positive case, we call the problem fixed-parameter tractable (fpt). Otherwise, we try to prove its #W[1]-hardness, which is the parameterized analogue of #P-hardness. We introduce a general technique that bridges parameterized counting complexity and the so-called Holant framework. We then apply this technique to the problem of counting perfect matchings (or equivalently, the permanent) subject to structural parameters of the input graph G: On the algorithmic side, we introduce a new tractable structural parameter, namely, the minimal size of an excluded single-crossing minor of G. We complement this by showing that counting perfect matchings is #W[1]-hard when parameterized by the size of an arbitrary excluded minor. Then we turn our attention to counting general subgraphs H other than perfect matchings in a host graph G. Instead of imposing structural parameters on G, we parameterize by the size of H, giving rise to the problems #Sub(C) for fixed graph classes C: For inputs H and G with H in C, we wish to count H-copies in G. Here, C could be the class of matchings, cycles, paths, or any other recursively enumerable class. We give a full dichotomy for these problems: Either #Sub(C) has a polynomial-time algorithm or it is #W[1]-complete. Assuming that FPT and #W[1] do not coincide, we can thus precisely identify the graph classes C for which the subgraph counting problem #Sub(C) admits polynomial-time algorithms. Furthermore, we obtain an unexpected application of our extensions to the Holant framework: We show that, given two unweighted graphs, it is C=P-complete to decide whether they have the same number of perfect matchings. Finally, we prove conditional lower bounds for counting problems under the counting exponential-time hypothesis #ETH. This hypothesis, introduced by Dell et al., asserts that the satisfying assignments to n-variable formulas in 3-CNF cannot be counted in time 2^o(n). Building upon this, we introduce a general technique that allows to derive tight lower bounds for other counting problems, such as counting perfect matchings, the Tutte polynomial, and the matching polynomial.Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der parametrisierten Komplexität von Zählproblemen, einem von Flum und Grohe gegründeten Gebiet, in welchem Fragen der folgenden Art betrachtet werden: Können gegebene Probleme auf Eingaben x mit Parameter k in Zeit f(k)*|x|^c gelöst werden, wobei f eine Funktion ist, die nur von k abhängt? Im positiven Falle bezeichnen wir das Problem als parametrisierbar (FPT). Andernfalls versuchen wir typischerweise, dessen #W[1]-Härte zu beweisen - diese lässt sich vereinfachend als ein parametrisiertes Äquivalent der #P-Härte auffassen. Wir führen zunächst eine allgemeine Technik ein, welche die parametrisierte Zählkomplexität mit dem sogenannten Holant-Rahmenwerk verbindet. Anschließend setzen wir diese zum Zählen perfekter Paarungen (oder äquivalent, zur Auswertung der Permanente) unter strukturellen Parametern des Eingabegraphens G ein: Wir zeigen, dass das Zählen perfekter Paarungen parametrisierbar ist durch die minimale Größe eines ausgeschlossenen Minors von G, der höchstens eine Kreuzung besitzt. Dieses algorithmische Resultat komplementieren wir durch die #W[1]-Härte des Zählens perfekter Paarungen, wenn die minimale Größe eines beliebigen ausgeschlossenen Minors als Parameter betrachtet wird. Anschließend widmen wir uns dem Zählen beliebiger Subgraphen H in Graphen G. Anstelle von strukturellen Parametern betrachten wir die Größe von H als Parameter und erhalten hierdurch die Probleme #Sub(C) für feste Graphklassen C: Auf Eingaben H und G mit H in C gilt es, die H-Kopien in G zu zählen. Hierbei kann C die Klasse der Paarungen, Zyklen, Pfade, oder eine beliebige andere Klasse von Graphen darstellen. Wir zeigen eine vollständige Dichotomie für diese Probleme: Das Problem #Sub(C) ist entweder in P oder #W[1]-hart. Unter der gängigen Annahme, dass FPT und #W[1] nicht zusammenfallen, erhalten wir somit eine vollständige Klassifikation der Polynomialzeit-lösbaren Probleme #Sub(C). Weiterhin erhalten wir eine unerwartete Anwendung unserer Erweiterungen des Holant-Rahmenwerks: Wir zeigen die C=P-Vollständigkeit der Frage, ob die Anzahlen perfekter Paarungen in zwei gegebenen ungewichteten Graphen übereinstimmen. Schlussendlich zeigen wir bedingte untere Schranken für Zählprobleme unter der Zählversion der Exponentialzeithypothese #ETH, eingeführt durch Dell et al. Diese postuliert, dass die erfüllenden Belegungen in 3-KNF-Formeln mit n Variablen nicht in Zeit 2^o(n) gezählt werden können. Darauf aufbauend führen wir eine allgemeine Technik ein, die es ermöglicht, scharfe untere Schranken für andere Zählprobleme zu erhalten: Dies umfasst das Zählen perfekter Paarungen, das Tutte-Polynom und das Paarungs-Polynom