NLC-2 graph recognition and isomorphism

NLC-width is a variant of clique-width with many application in graph algorithmic. This paper is devoted to graphs of NLC-width two. After giving new structural properties of the class, we propose a $O(n^2 m)$-time algorithm, improving Johansson's algorithm \cite{Johansson00}. Moreover, our alogrithm is simple to understand. The above properties and algorithm allow us to propose a robust $O(n^2 m)$-time isomorphism algorithm for NLC-2 graphs. As far as we know, it is the first polynomial-time algorithm.Comment: soumis \`{a} WG 2007; 12

HH-product and HH-threshold graphs

This paper is the continuation of the research of the author and his colleagues of the {\it canonical} decomposition of graphs. The idea of the canonical decomposition is to define the binary operation on the set of graphs and to represent the graph under study as a product of prime elements with respect to this operation. We consider the graph together with the arbitrary partition of its vertex set into $n$ subsets ($n$-partitioned graph). On the set of $n$-partitioned graphs distinguished up to isomorphism we consider the binary algebraic operation $\circ_H$ ($H$-product of graphs), determined by the digraph $H$. It is proved, that every operation $\circ_H$ defines the unique factorization as a product of prime factors. We define $H$-threshold graphs as graphs, which could be represented as the product $\circ_{H}$ of one-vertex factors, and the threshold-width of the graph $G$ as the minimum size of $H$ such, that $G$ is $H$-threshold. $H$-threshold graphs generalize the classes of threshold graphs and difference graphs and extend their properties. We show, that the threshold-width is defined for all graphs, and give the characterization of graphs with fixed threshold-width. We study in detail the graphs with threshold-widths 1 and 2

Oriented coloring on recursively defined digraphs

Coloring is one of the most famous problems in graph theory. The coloring problem on undirected graphs has been well studied, whereas there are very few results for coloring problems on directed graphs. An oriented k-coloring of an oriented graph G=(V,A) is a partition of the vertex set V into k independent sets such that all the arcs linking two of these subsets have the same direction. The oriented chromatic number of an oriented graph G is the smallest k such that G allows an oriented k-coloring. Deciding whether an acyclic digraph allows an oriented 4-coloring is NP-hard. It follows, that finding the chromatic number of an oriented graph is an NP-hard problem. This motivates to consider the problem on oriented co-graphs. After giving several characterizations for this graph class, we show a linear time algorithm which computes an optimal oriented coloring for an oriented co-graph. We further prove how the oriented chromatic number can be computed for the disjoint union and order composition from the oriented chromatic number of the involved oriented co-graphs. It turns out that within oriented co-graphs the oriented chromatic number is equal to the length of a longest oriented path plus one. We also show that the graph isomorphism problem on oriented co-graphs can be solved in linear time.Comment: 14 page

Characterizing Compressibility of Disjoint Subgraphs with NLC Grammars

We consider compression of a given set S of isomorphic and disjoint subgraphs of a graph G using node label controlled (NLC) graph grammars. Given S and G, we characterize whether or not there exists a NLC graph grammar consisting of exactly one rule such that (1) each of the subgraphs S in G are compressed (i.e., replaced by a nonterminal) in the (unique) initial graph I , and (2) the set of generated terminal graphs is the singleton {G}.acceptance rate: 39%status: publishe

Line graphs of bounded clique-width

AbstractWe show that a set of graphs has bounded tree-width or bounded path-width if and only if the corresponding set of line graphs has bounded clique-width or bounded linear clique-width, respectively. This relationship implies some interesting algorithmic properties and re-proves already known results in a very simple way. It also shows that the minimization problem for NLC-width is NP-complete

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

Bounding clique-width via perfect graphs

We continue the study into the clique-width of graph classes defined by two forbidden induced graphs. We present three new classes of bounded clique-width and one of unbounded clique-width. The four new graph classes have in common that one of their two forbidden induced subgraphs is the diamond. To prove boundedness of clique-width for the first three cases we develop a technique based on bounding clique covering number in combination with reduction to subclasses of perfect graphs. We extend our proof of unboundedness for the fourth case to show that Graph Isomorphism is Graph Isomorphism-complete on the same graph class