Twin-Width VIII: Delineation and Win-Wins

We introduce the notion of delineation. A graph class C is said delineated by twin-width (or simply, delineated) if for every hereditary closure D of a subclass of C, it holds that D has bounded twin-width if and only if D is monadically dependent. An effective strengthening of delineation for a class C implies that tractable FO model checking on C is perfectly understood: On hereditary closures of subclasses D of C, FO model checking on D is fixed-parameter tractable (FPT) exactly when D has bounded twin-width. Ordered graphs [BGOdMSTT, STOC \u2722] and permutation graphs [BKTW, JACM \u2722] are effectively delineated, while subcubic graphs are not. On the one hand, we prove that interval graphs, and even, rooted directed path graphs are delineated. On the other hand, we observe or show that segment graphs, directed path graphs (with arbitrarily many roots), and visibility graphs of simple polygons are not delineated. In an effort to draw the delineation frontier between interval graphs (that are delineated) and axis-parallel two-lengthed segment graphs (that are not), we investigate the twin-width of restricted segment intersection classes. It was known that (triangle-free) pure axis-parallel unit segment graphs have unbounded twin-width [BGKTW, SODA \u2721]. We show that K_{t,t}-free segment graphs, and axis-parallel H_t-free unit segment graphs have bounded twin-width, where H_t is the half-graph or ladder of height t. In contrast, axis-parallel H?-free two-lengthed segment graphs have unbounded twin-width. We leave as an open question whether unit segment graphs are delineated. More broadly, we explore which structures (large bicliques, half-graphs, or independent sets) are responsible for making the twin-width large on the main classes of intersection and visibility graphs. Our new results, combined with the FPT algorithm for first-order model checking on graphs given with O(1)-sequences [BKTW, JACM \u2722], give rise to a variety of algorithmic win-win arguments. They all fall in the same framework: If p is an FO definable graph parameter that effectively functionally upperbounds twin-width on a class C, then p(G) ? k can be decided in FPT time f(k) ? |V(G)|^O(1). For instance, we readily derive FPT algorithms for k-Ladder on visibility graphs of 1.5D terrains, and k-Independent Set on visibility graphs of simple polygons. This showcases that the theory of twin-width can serve outside of classes of bounded twin-width

On Visibility Representations of Non-planar Graphs

A rectangle visibility representation (RVR) of a graph consists of an assignment of axis-aligned rectangles to vertices such that for every edge there exists a horizontal or vertical line of sight between the rectangles assigned to its endpoints. Testing whether a graph has an RVR is known to be NP-hard. In this paper, we study the problem of finding an RVR under the assumption that an embedding in the plane of the input graph is fixed and we are looking for an RVR that reflects this embedding. We show that in this case the problem can be solved in polynomial time for general embedded graphs and in linear time for 1-plane graphs (i.e., embedded graphs having at most one crossing per edge). The linear time algorithm uses a precise list of forbidden configurations, which extends the set known for straight-line drawings of 1-plane graphs. These forbidden configurations can be tested for in linear time, and so in linear time we can test whether a 1-plane graph has an RVR and either compute such a representation or report a negative witness. Finally, we discuss some extensions of our study to the case when the embedding is not fixed but the RVR can have at most one crossing per edge

Visibility Domains and Complexity

Two problems in discrete and computational geometry are considered that are related to questions about the combinatorial complexity of arrangements of visibility domains and about the hardness of path planning under cost measures defined using visibility domains. The first problem is to estimate the VC-dimension of visibility domains. The VC-dimension is a fundamental parameter of every range space that is typically used to derive upper bounds on the size of hitting sets. Better bounds on the VC-dimension directly translate into better bounds on the size of hitting sets. Estimating the VC-dimension of visibility domains has proven to be a hard problem. In this thesis, new tools to tackle this problem are developed. Encircling arguments are combined with decomposition techniques of a new kind. The main ingredient of the novel approach is the idea of relativization that makes it possible to replace in the analysis of intersections the complicated visibility domains by simpler geometric ranges. The main result here is the new upper bound of 14 on the VC-dimension of visibility polygons in simple polygons that improves significantly upon the previously known best upper bound of 23. For the VC-dimension of perimeter visibility domains, the new techniques yield an upper bound of 7 that leaves only a very small gap to the best known lower bound of 5. The second problem considered is to compute the barrier resilience of visibility domains. In barrier resilience problems, one is given a set of barriers and two points s and t in R^d. The task is to find the minimum number of barriers one has to remove such that there is a way between s and t that does not cross a barrier. In the field of sensor networks, the barriers are interpreted as sensor ranges and the barrier resilience of a network is a measure for its vulnerability. In this thesis the very natural special case where the barriers are visibility domains is investigated. It can also be formulated in terms of finding a so-called minimum witness path. For visibility domains in simple polygons it is shown that one can find an optimal path efficiently. For polygons with holes an approximation hardness result is shown that is stronger than previous hardness results in geometric settings. Two different three-dimensional settings are considered and their respective relations to the Minimum Neighborhood Path problem and the Minimum Color Path problem in graphs are demonstrated. For one of the three-dimensional problems a 2-approximation algorithm is designed. For the general problem of finding minimum witness paths among polyhedral obstacles it turns out that it is not approximable in a strong sense

Computing pseudotriangulations via branched coverings

We describe an efficient algorithm to compute a pseudotriangulation of a finite planar family of pairwise disjoint convex bodies presented by its chirotope. The design of the algorithm relies on a deepening of the theory of visibility complexes and on the extension of that theory to the setting of branched coverings. The problem of computing a pseudotriangulation that contains a given set of bitangent line segments is also examined.Comment: 66 pages, 39 figure

Combinatorial Problems in Energy Networks - Graph-theoretic Models and Algorithms

Energienetze bilden das Rückgrat unserer Gesellschaft, die unter anderem unsere Nahrungskette und andere wichtige Infrastrukturen, wie die Wasser- und Wärmeversorgung, bestimmen. Um die grundlegenden menschlichen Bedürfnisse zu befriedigen, müssen wir ein nachhaltigeres und umweltfreundlicheres Verhalten im Allgemeinen und in Energienetzen im Speziellen an den Tag legen. In dieser Arbeit geht es um Energienetze, wobei wir uns auf Stromnetze spezialisieren und uns darauf fokussieren, wie wir die vorhandene Infrastruktur besser ausnutzen können. Wir merken an, dass die Ergebnisse aus dieser Arbeit auch auf andere Energienetze übertragen werden können [Gro+19] und bestimmte auftretende Phänomene legen es nahe, dass sich einige Ergebnisse eventuell auch auf Verkehrsnetze übertragen lassen. Diese Arbeit besteht aus vier inhaltlichen Teilen. Der erste Teil beschäftigt sich mit der Funktionsweise und Struktur von elektrischen Flüssen. Der zweite und dritte inhaltliche Teil der Arbeit beschäftigt sich jeweils mit der effizienten Ausnutzung der vorhandenen Energienetzinfrastruktur. Dabei verstehen wir hier unter effizienter Ausnutzung entweder die Maximierung der Gesamterzeugung und die damit verbundene Erweiterung des Betriebspunktes oder die Minimierung der Erzeugungskosten verstehen. Das elektrische Netz besteht aus drei Spannungsebenen, die wir als Hoch-, Mittel-, und Niederspannungsebene bezeichnen. Das traditionelle elektrische Netz ist auf eine zentrale Energieversorgung ausgelegt, bei der die Erzeuger sich in der Hochspannungsebene befinden. Der elektrische Fluss im klassischen Sinne fließt von der Hoch- in die Mittel- und Niederspannungsebene. Die industriellen Verbraucher befinden sich zumeist auf der Mittelspannungsebene, während sich die Haushalte und kleineren Industrien in der Niederspannungsebene befinden. Durch nachhaltige Erzeuger, die ihre Energie aus erneuerbaren Energien wie beispielsweise Wind gewinnen, findet nun ein Paradigmenwechsel im elektrischen Netz statt. Diese nachhaltigen Erzeuger befinden sich zumeist im Nieder- und Mittelspannungsnetz und der elektrische Fluss könnte nun bidirektional fließen. Dieser Paradigmenwechsel kann zu Engpässen und anderen Problemen führen, da das elektrische Netz für ein solches Szenario nicht konzipiert ist. Eine Hauptaufgabe dieser Arbeit war die Identifizierung von Problemstellungen in elektrischen Netzen. Die extrahierten Problemstellungen haben wir dann in graphentheoretische Modelle übersetzt und Algorithmen entwickelt, die oftmals Gütegarantien besitzen. Wir haben uns dabei zunächst auf die Modellierung von elektrischen Netzen und das Verhalten von Flüssen in diesen Netzen mit Hilfe von Graphentheorie konzentriert. Zur Modellierung des elektrischen Flusses nutzen wir eine linearisierte Modellierung, die mehrere vereinfachende Annahmen trifft. Diese linearisierte Modellierung ist für Hochspannungsnetze im Allgemeinen eine gute Annäherung und macht das Entscheidungsproblem für elektrische Flüsse, das heißt, ob ein gültiger elektrischer Fluss für eine bestimmte Konfiguration des Netzes und für einen bestimmten Verbrauch und eine bestimmte Erzeugung existiert, in Polynomialzeit lösbar. Leistungsfluss. Fokusiert man sich auf das vereinfachte Zulässigkeitsproblem von elektrischen Flüssen und den Maximalen Leistungsflüssen, so existieren verschiedene mathematische Formulierungen, die den Leistungsfluss beschreiben. Auf allgemeinen Graphen ist es oftmals der Fall, dass graphentheoretischen Flüsse keine zulässigen Leistungsflüsse darstellen. Im Gegensatz zu graphentheoretischen Flüssen balancieren sich Leistungsflüsse. Wir diskutieren diese Eigenschaft aus graphentheoretischer Sicht. Die verschiedenen mathematischen Formulierungen geben uns strukturelle Einblicke in das Leistungsflussproblem. Sie zeigen uns die Dualität der zwei Kirchhoffschen Regeln. Diese nutzen wir um einen algorithmischen Ansatz zur Berechnung von Leistungsflüssen zu formulieren, der zu einem Algorithmus für Leistungsflüsse auf planaren Graphen führen könnte. Die Einschränkung auf planare zweifachzusammenhängende Graphen ist vertretbar, da elektrische Netze im Allgemeinen planar sind [COC12,S.13]. Zudem hilft uns diese Sichtweise, um Analogien zu anderen geometrischen Problemen herzustellen. Kontinuierliche Änderungen. Da graphentheoretische Flüsse sich in vielen Fällen anders als elektrische Flüsse verhalten, haben wir versucht, das Stromnetz mittels Kontrolleinheiten so auszustatten, dass der elektrische Fluss den gleichen Wert hat wie der graphentheoretische Fluss. Um dieses Ziel zu erreichen, platzieren wir die Kontrolleinheiten entweder an den Knoten oder an den Kanten. Durch eine Suszeptanz-Skalierung, die durch die Kontrolleinheiten ermöglicht wird, ist es nun prinzipiell möglich jeden graphentheoretischen Fluss elektrisch zulässig zu machen. Dabei konnten wir zeigen, dass das gezielte Platzieren von Kontrolleinheiten die Kosten der Erzeugung von elektrischer Leistung durch Generatoren im elektrischen Netz senken kann und den Betriebspunkt des Netzes in vielen Fällen auch erweitert. Platziert man Kontrolleinheiten so, dass der verbleibende Teil (d.h. das Netz ohne die Kontrolleinheiten) ein Baum oder Kaktus unter geeigneter Begrenzung der Kapazitäten ist, so ist es möglich, jeden graphentheoretischen Fluss als elektrisch zulässigen Fluss mit gleichwertigen Kosten zu realisieren. Die Kostensenkung und die Erweiterung des Betriebspunktes konnten wir experimentell auf IEEE-Benchmark-Daten bestätigen. Diskrete Änderungen. Die oben beschriebenen Kontrolleinheiten sind eine idealisierte, aktuell nicht realisierbare Steuereinheit, da sie den elektrischen Fluss im gesamten Leistungsspektrum einstellen können. Damit ist vor allem gemeint, dass sie den elektrischen Fluss auf einer Leitung von „Die Leitung ist abgeschaltet.“ bis zur maximalen Kapazität stufenlos einstellen können. Diese Idealisierung ist auch ein großer Kritikpunkt an der Modellierung. Aus diesem Grund haben wir versucht, unser Modell realistischer zu gestalten. Wir haben zwei mögliche Modellierungen identifiziert. In der ersten Modellierung können Leitungen ein- und ausgeschaltet werden. Dieser Prozess wird als Switching bezeichnet und kann in realen Netzen mittels Circuit Breakers (dt. Leistungsschaltern) realisiert werden. Die zweite Modellierung kommt der Kontrolleinheiten-Modellierung sehr nahe und beschäftigt sich mit der Platzierung von Kontrolleinheiten, die die Suszeptanz innerhalb eines gewissen Intervalls einstellen können. Diese wirkt im ersten Moment wie eine Verallgemeinerung der Schaltungsflussmodellierung. Nutzt man jedoch eine realistischere Modellierung der Kontrolleinheiten, so ist das Einstellen der Suszeptanz durch ein Intervall begrenzt, das das Ausschalten einer Leitung nicht mit beinhaltet. Sowohl ein optimales (im Sinne der Minimierung der Gesamterzeugungskosten oder der Maximierung des Durchsatzes) Platzieren von Switches als auch ein optimales Platzieren von Kontrolleinheiten ist im Allgemeinen NP-schwer [LGH14]. Diese beiden Probleme ergänzen sich dahingehend, dass man den maximalen graphentheoretischen Fluss, mit den zuvor genannten Platzierungen annähern kann. Für Switching konnten wir zeigen, dass das Problem bereits schwer ist, wenn der Graph serien-parallel ist und das Netzwerk nur einen Erzeuger und einen Verbraucher besitzt [Gra+18]. Wir haben sowohl für den Maximalen Übertragungsschaltungsfluss (engl. Maximum Transmission Switching Flow; kurz MTSF) als auch für den optimalen Übertragungsschaltungsfluss (engl. Optimal Switching Flow; kurz OSF) erste algorithmische Ansätze vorgeschlagen und gezeigt, dass sie auf bestimmten graphentheoretischen Strukturen exakt sind, und dass auf anderen graphentheoretischen Strukturen Gütegarantien möglich sind [Gra+18]. Die Algorithmen haben wir dann auf allgemeinen Netzen evaluiert. Simulationen führen zu guten Ergebnissen auf den NESTA-Benchmark-Daten. Erweiterungsplanung auf der Grünen Wiese. Eine vom Rest der Arbeit eher losgelöste Fragestellung war die Verkabelung von Windturbinen. Unter Verwendung einer Metaheuristik haben wir gute Ergebnisse im Vergleich zu einem „Mixed Integer Linear Program“ (MILP; dt. gemischt-ganzzahliges lineares Programm) erzielt, das wir nach einer Stunde abgebrochen haben. Die Modellierung der Problemstellung und die Evaluation des Algorithmus haben wir auf der ACM e-Energy 2017 veröffentlicht [Leh+17]. Schlusswort. Abschließend kann man sagen, dass mit dieser Arbeit allgemeine, tiefliegende Aussagen über elektrische Netze getroffen wurden, unter der Berücksichtigung struktureller Eigenschaften unterschiedlicher Netzklassen. Diese Arbeit zeigt wie das Netz ausgestaltet sein muss, um bestimmte Eigenschaften garantieren zu können und zeigt verschiedene Lösungsansätze mit oft beweisbaren Gütegarantien auf