Weighted F-free Edge Editing

Ein F-freier Graph besitzt keinen induzierten Teilgraphen aus einer Menge von verbotenen Teilgraphen F. Man kann Kanten in einem Graphen editieren (einfügen oder entfernen) um einen Graphen zu erreichen, der F-frei ist. Das Ziel von F-free Edge Editing ist es, eine minimale Menge an Editierungsoperation zu finden, die zu einem F-freien Graphen führen. Wir betrachten eine Generalisierung, Weighted F-free Edge Editing, die beliebige Kosten für die Editierungsoperationen erlaubt. In dieser Arbeit fokussieren wir uns auf einen parametrisierten Suchbaumalgorithmus (FPT) mit den Editierungskosten als Parameter. Wir adaptieren bereits existierende Beschleunigungstechniken für das ungewichteten Editieren für den gewichteten Fall. Unter anderem betrachten wir Algorithmen zum Berechnen von unteren Schranken und Strategien für die Auswahl von Teilgraphen zum Verzweigen. Außerdem diskutieren wir das Problem, die optimalen Editierungskosten für den Suchbaumalgorithmus zu finden und präsentieren dafür zwei neue Suchstrategien. Zusätzlich behandeln wir einen Algorithmus basierend auf ganzahliger linearer Optimierung (ILP) und Methoden, die die Anzahl der generierten Bedingungen beschränken. Des Weiteren evaluieren wir die FPT und ILP Algorithmen und ihre Beschleunigungstechniken auf Protein-Protein Interaktionsgraphen für F = {C4, P4}. Wir stellen fest, dass der FPT Algorithmus am meisten von dem Greedy-Algorithmus für untere Schranken und der Auswahlstrategie “most adjacent” profitiert. Letztere präferiert Teilgraphen, die zu vielen anderen verbotenen Teilgraphen adjazent sind. Auch fanden wir heraus, dass der Algorithmus für die untere Schranken, der auf lokaler Suche basiert, im gewichteten Fall größere Probleme mit lokalen Maxima hat. Weiterhin bemerken wir, dass das Beschränken der Anzahl der generierten Bedingungen den ILP Algorithmus signifikant schneller werden lässt. Schlussendlich haben wir beide Lösungsalgorithmen verglichen und kamen zum Schluss, dass der ILP Algorithmus konsistent besser ist als der FPT Algorithmus

Efficiently listing bounded length st-paths

The problem of listing the $K$ shortest simple (loopless) $st$-paths in a graph has been studied since the early 1960s. For a non-negatively weighted graph with $n$ vertices and $m$ edges, the most efficient solution is an $O(K(mn + n^2 \log n))$ algorithm for directed graphs by Yen and Lawler [Management Science, 1971 and 1972], and an $O(K(m+n \log n))$ algorithm for the undirected version by Katoh et al. [Networks, 1982], both using $O(Kn + m)$ space. In this work, we consider a different parameterization for this problem: instead of bounding the number of $st$-paths output, we bound their length. For the bounded length parameterization, we propose new non-trivial algorithms matching the time complexity of the classic algorithms but using only $O(m+n)$ space. Moreover, we provide a unified framework such that the solutions to both parameterizations -- the classic $K$-shortest and the new length-bounded paths -- can be seen as two different traversals of a same tree, a Dijkstra-like and a DFS-like traversal, respectively.Comment: 12 pages, accepted to IWOCA 201

Combinatorial algorithm for counting small induced graphs and orbits

Graphlet analysis is an approach to network analysis that is particularly popular in bioinformatics. We show how to set up a system of linear equations that relate the orbit counts and can be used in an algorithm that is significantly faster than the existing approaches based on direct enumeration of graphlets. The algorithm requires existence of a vertex with certain properties; we show that such vertex exists for graphlets of arbitrary size, except for complete graphs and $C_4$, which are treated separately. Empirical analysis of running time agrees with the theoretical results

Stronger 3-SUM Lower Bounds for Approximate Distance Oracles via Additive Combinatorics

The "short cycle removal" technique was recently introduced by Abboud, Bringmann, Khoury and Zamir (STOC '22) to prove fine-grained hardness of approximation. Its main technical result is that listing all triangles in an $n^{1/2}$-regular graph is $n^{2-o(1)}$-hard under the 3-SUM conjecture even when the number of short cycles is small; namely, when the number of $k$-cycles is $O(n^{k/2+\gamma})$ for $\gamma<1/2$. Abboud et al. achieve $\gamma\geq 1/4$ by applying structure vs. randomness arguments on graphs. In this paper, we take a step back and apply conceptually similar arguments on the numbers of the 3-SUM problem. Consequently, we achieve the best possible $\gamma=0$ and the following lower bounds under the 3-SUM conjecture: * Approximate distance oracles: The seminal Thorup-Zwick distance oracles achieve stretch $2k\pm O(1)$ after preprocessing a graph in $O(m n^{1/k})$ time. For the same stretch, and assuming the query time is $n^{o(1)}$ Abboud et al. proved an $\Omega(m^{1+\frac{1}{12.7552 \cdot k}})$ lower bound on the preprocessing time; we improve it to $\Omega(m^{1+\frac1{2k}})$ which is only a factor 2 away from the upper bound. We also obtain tight bounds for stretch $2+o(1)$ and $3-\epsilon$ and higher lower bounds for dynamic shortest paths. * Listing 4-cycles: Abboud et al. proved the first super-linear lower bound for listing all 4-cycles in a graph, ruling out $(m^{1.1927}+t)^{1+o(1)}$ time algorithms where $t$ is the number of 4-cycles. We settle the complexity of this basic problem by showing that the $\widetilde{O}(\min(m^{4/3},n^2) +t)$ upper bound is tight up to $n^{o(1)}$ factors. Our results exploit a rich tool set from additive combinatorics, most notably the Balog-Szemer\'edi-Gowers theorem and Rusza's covering lemma. A key ingredient that may be of independent interest is a subquadratic algorithm for 3-SUM if one of the sets has small doubling.Comment: Abstract shortened to fit arXiv requirement

Algorithms for sparse convolution and sublinear edit distance

In this PhD thesis on fine-grained algorithm design and complexity, we investigate output-sensitive and sublinear-time algorithms for two important problems. (1) Sparse Convolution: Computing the convolution of two vectors is a basic algorithmic primitive with applications across all of Computer Science and Engineering. In the sparse convolution problem we assume that the input and output vectors have at most t nonzero entries, and the goal is to design algorithms with running times dependent on t. For the special case where all entries are nonnegative, which is particularly important for algorithm design, it is known since twenty years that sparse convolutions can be computed in near-linear randomized time O(t log^2 n). In this thesis we develop a randomized algorithm with running time O(t \log t) which is optimal (under some mild assumptions), and the first near-linear deterministic algorithm for sparse nonnegative convolution. We also present an application of these results, leading to seemingly unrelated fine-grained lower bounds against distance oracles in graphs. (2) Sublinear Edit Distance: The edit distance of two strings is a well-studied similarity measure with numerous applications in computational biology. While computing the edit distance exactly provably requires quadratic time, a long line of research has lead to a constant-factor approximation algorithm in almost-linear time. Perhaps surprisingly, it is also possible to approximate the edit distance k within a large factor O(k) in sublinear time O~(n/k + poly(k)). We drastically improve the approximation factor of the known sublinear algorithms from O(k) to k^{o(1)} while preserving the O(n/k + poly(k)) running time.In dieser Doktorarbeit über feinkörnige Algorithmen und Komplexität untersuchen wir ausgabesensitive Algorithmen und Algorithmen mit sublinearer Lauf-zeit für zwei wichtige Probleme. (1) Dünne Faltungen: Die Berechnung der Faltung zweier Vektoren ist ein grundlegendes algorithmisches Primitiv, das in allen Bereichen der Informatik und des Ingenieurwesens Anwendung findet. Für das dünne Faltungsproblem nehmen wir an, dass die Eingabe- und Ausgabevektoren höchstens t Einträge ungleich Null haben, und das Ziel ist, Algorithmen mit Laufzeiten in Abhängigkeit von t zu entwickeln. Für den speziellen Fall, dass alle Einträge nicht-negativ sind, was insbesondere für den Entwurf von Algorithmen relevant ist, ist seit zwanzig Jahren bekannt, dass dünn besetzte Faltungen in nahezu linearer randomisierter Zeit O(t \log^2 n) berechnet werden können. In dieser Arbeit entwickeln wir einen randomisierten Algorithmus mit Laufzeit O(t \log t), der (unter milden Annahmen) optimal ist, und den ersten nahezu linearen deterministischen Algorithmus für dünne nichtnegative Faltungen. Wir stellen auch eine Anwendung dieser Ergebnisse vor, die zu scheinbar unverwandten feinkörnigen unteren Schranken gegen Distanzorakel in Graphen führt. (2) Sublineare Editierdistanz: Die Editierdistanz zweier Zeichenketten ist ein gut untersuchtes Ähnlichkeitsmaß mit zahlreichen Anwendungen in der Computerbiologie. Während die exakte Berechnung der Editierdistanz nachweislich quadratische Zeit erfordert, hat eine lange Reihe von Forschungsarbeiten zu einem Approximationsalgorithmus mit konstantem Faktor in fast-linearer Zeit geführt. Überraschenderweise ist es auch möglich, die Editierdistanz k innerhalb eines großen Faktors O(k) in sublinearer Zeit O~(n/k + poly(k)) zu approximieren. Wir verbessern drastisch den Approximationsfaktor der bekannten sublinearen Algorithmen von O(k) auf k^{o(1)} unter Beibehaltung der O(n/k + poly(k))-Laufzeit