On Streaming and Communication Complexity of the Set Cover Problem

We develop the first streaming algorithm and the first two-party communication protocol that uses a constant number of passes/rounds and sublinear space/communication for logarithmic approximation to the classic Set Cover problem. Specifically, for n elements and m sets, our algorithm/protocol achieves a space bound of O(m ·n [superscript δ] log[superscript 2] n logm) using O(4[superscript 1/δ]) passes/rounds while achieving an approximation factor of O(4[superscript 1/δ]logn) in polynomial time (for δ = Ω(1/logn)). If we allow the algorithm/protocol to spend exponential time per pass/round, we achieve an approximation factor of O(4[superscript 1/δ]). Our approach uses randomization, which we show is necessary: no deterministic constant approximation is possible (even given exponential time) using o(m n) space. These results are some of the first on streaming algorithms and efficient two-party communication protocols for approximation algorithms. Moreover, we show that our algorithm can be applied to multi-party communication model.National Science Foundation (U.S.) (Grant CCF-1161626)National Science Foundation (U.S.) (Grant CCF-1065125)United States. Defense Advanced Research Projects Agency (United States. Air Force Office of Scientific Research Grant FA9550-12-1-0423)David & Lucile Packard FoundationSimons FoundationDanish National Research Foundation. Center for Massiave Data Algorithmics (MADALGO

Incidence Geometries and the Pass Complexity of Semi-Streaming Set Cover

Set cover, over a universe of size $n$, may be modelled as a data-streaming problem, where the $m$ sets that comprise the instance are to be read one by one. A semi-streaming algorithm is allowed only $O(n\, \mathrm{poly}\{\log n, \log m\})$ space to process this stream. For each $p \ge 1$, we give a very simple deterministic algorithm that makes $p$ passes over the input stream and returns an appropriately certified $(p+1)n^{1/(p+1)}$-approximation to the optimum set cover. More importantly, we proceed to show that this approximation factor is essentially tight, by showing that a factor better than $0.99\,n^{1/(p+1)}/(p+1)^2$ is unachievable for a $p$-pass semi-streaming algorithm, even allowing randomisation. In particular, this implies that achieving a $\Theta(\log n)$-approximation requires $\Omega(\log n/\log\log n)$ passes, which is tight up to the $\log\log n$ factor. These results extend to a relaxation of the set cover problem where we are allowed to leave an $\varepsilon$ fraction of the universe uncovered: the tight bounds on the best approximation factor achievable in $p$ passes turn out to be $\Theta_p(\min\{n^{1/(p+1)}, \varepsilon^{-1/p}\})$. Our lower bounds are based on a construction of a family of high-rank incidence geometries, which may be thought of as vast generalisations of affine planes. This construction, based on algebraic techniques, appears flexible enough to find other applications and is therefore interesting in its own right.Comment: 20 page

Set Cover in Sub-linear Time

We study the classic set cover problem from the perspective of sub-linear algorithms. Given access to a collection of $m$ sets over $n$ elements in the query model, we show that sub-linear algorithms derived from existing techniques have almost tight query complexities. On one hand, first we show an adaptation of the streaming algorithm presented in Har-Peled et al. [2016] to the sub-linear query model, that returns an $\alpha$-approximate cover using $\tilde{O}(m(n/k)^{1/(\alpha-1)} + nk)$ queries to the input, where $k$ denotes the value of a minimum set cover. We then complement this upper bound by proving that for lower values of $k$, the required number of queries is $\tilde{\Omega}(m(n/k)^{1/(2\alpha)})$, even for estimating the optimal cover size. Moreover, we prove that even checking whether a given collection of sets covers all the elements would require $\Omega(nk)$ queries. These two lower bounds provide strong evidence that the upper bound is almost tight for certain values of the parameter $k$. On the other hand, we show that this bound is not optimal for larger values of the parameter $k$, as there exists a $(1+\varepsilon)$-approximation algorithm with $\tilde{O}(mn/k\varepsilon^2)$ queries. We show that this bound is essentially tight for sufficiently small constant $\varepsilon$, by establishing a lower bound of $\tilde{\Omega}(mn/k)$ query complexity

Tight Bounds on the Round Complexity of the Distributed Maximum Coverage Problem

We study the maximum $k$-set coverage problem in the following distributed setting. A collection of sets $S_1,\ldots,S_m$ over a universe $[n]$ is partitioned across $p$ machines and the goal is to find $k$ sets whose union covers the most number of elements. The computation proceeds in synchronous rounds. In each round, all machines simultaneously send a message to a central coordinator who then communicates back to all machines a summary to guide the computation for the next round. At the end, the coordinator outputs the answer. The main measures of efficiency in this setting are the approximation ratio of the returned solution, the communication cost of each machine, and the number of rounds of computation. Our main result is an asymptotically tight bound on the tradeoff between these measures for the distributed maximum coverage problem. We first show that any $r$-round protocol for this problem either incurs a communication cost of $k \cdot m^{\Omega(1/r)}$ or only achieves an approximation factor of $k^{\Omega(1/r)}$. This implies that any protocol that simultaneously achieves good approximation ratio ($O(1)$ approximation) and good communication cost ($\widetilde{O}(n)$ communication per machine), essentially requires logarithmic (in $k$) number of rounds. We complement our lower bound result by showing that there exist an $r$-round protocol that achieves an $\frac{e}{e-1}$-approximation (essentially best possible) with a communication cost of $k \cdot m^{O(1/r)}$ as well as an $r$-round protocol that achieves a $k^{O(1/r)}$-approximation with only $\widetilde{O}(n)$ communication per each machine (essentially best possible). We further use our results in this distributed setting to obtain new bounds for the maximum coverage problem in two other main models of computation for massive datasets, namely, the dynamic streaming model and the MapReduce model

On algorithms for large-scale graph and clustering problems

Gegenstand dieser Arbeit sind algorithmische Methoden der modernen Datenanalyse. Dabei werden vorwiegend zwei übergeordnete Themen behandelt: Datenstromalgorithmen mit Kompressionseigenschaften und Approximationsalgorithmen für Clusteringverfahren. Datenstromalgorithmen verarbeiten einen Datensatz sequentiell und haben das Ziel, Eigenschaften des Datensatzes (approximativ) zu bestimmen, ohne dabei den gesamten Datensatz abzuspeichern. Unter Clustering versteht man die Partitionierung eines Datensatzes in verschiedene Gruppen. Das erste dargestellte Problem betrifft Matching in Graphen. Hier besteht der Datensatz aus einer Folge von Einfüge- und Löschoperationen von Kanten. Die Aufgabe besteht darin, die Größe des so genannten Maximum Matchings so genau wie möglich zu bestimmen. Es wird ein Algorithmus vorgestellt, der, unter der Annahme, dass das Matching höchstens die Größe k hat, die exakte Größe bestimmt und dabei k² Speichereinheiten benötigt. Dieser Algorithmus lässt sich weiterhin verwenden um eine konstante Approximation der Matchinggröße in planaren Graphen zu bestimmen. Des Weiteren werden untere Schranken für den benötigten Speicherplatz bestimmt und eine Reduktion von gewichtetem Matching zu ungewichteten Matching durchgeführt. Anschließend werden Datenstromalgorithmen für die Nachbarschaftssuche betrachtet, wobei die Aufgabe darin besteht, für n gegebene Mengen die Paare mit hoher Ähnlichkeit in nahezu Linearzeit zu finden. Dabei ist der Jaccard Index |A ∩ B|/|A U B| das Ähnlichkeitsmaß für zwei Mengen A und B. In der Arbeit wird eine Datenstruktur beschrieben, die dies erstmalig in dynamischen Datenströmen mit geringem Speicherplatzverbrauch leistet. Dabei werden Zufallszahlen mit nur 2-facher Unabhängigkeit verwendet, was eine sehr effiziente Implementierung ermöglicht. Das dritte Problem befindet sich an der Schnittstelle zwischen den beiden Themen dieser Arbeit und betrifft das k-center Clustering Problem in Datenströmen mit einem Zeitfenster. Die Aufgabe besteht darin k Zentren zu finden, sodass die maximale Distanz unter allen Punkten zu dem jeweils nächsten Zentrum minimiert wird. Ergebnis sind ein 6-Approximationalgorithmus für ein beliebiges k und ein optimaler 4-Approximationsalgorithmus für k = 2. Die entwickelten Techniken lassen sich ebenfalls auf das Durchmesserproblem anwenden und ermöglichen für dieses Problem einen optimalen Algorithmus. Danach werden Clusteringprobleme bezüglich der Jaccard Distanz analysiert. Dabei sind wieder eine Menge N von Teilmengen aus einer Grundgesamtheit U sind und die Aufgabe besteht darin eine Teilmenge $C$ zu finden, die max 1-|X ∩ C|/|X U C| minimiert. Es wird gezeigt, dass zwar eine exakte Lösung des Problems NP-schwer ist, es aber gleichzeitig eine PTAS gibt. Abschließend wird die weit verbreitete lokale Suchheuristik für k-median und k-means Clustering untersucht. Obwohl es im Allgemeinen schwer ist, diese Probleme exakt oder auch nur approximativ zu lösen, gelten sie in der Praxis als relativ gut handhabbar, was andeutet, dass die Härteresultate auf pathologischen Eingaben beruhen. Auf Grund dieser Diskrepanz gab es in der Vergangenheit praxisrelevante Datensätze zu charakterisieren. Für drei der wichtigsten Charakterisierungen wird das Verhalten einer lokalen Suchheuristik untersucht mit dem Ergebnis, dass die lokale Suchheuristik in diesen Fällen optimale oder fast optimale Cluster ermittelt