Algorithmic Applications of Baur-Strassen's Theorem: Shortest Cycles, Diameter and Matchings

Consider a directed or an undirected graph with integral edge weights from the set [-W, W], that does not contain negative weight cycles. In this paper, we introduce a general framework for solving problems on such graphs using matrix multiplication. The framework is based on the usage of Baur-Strassen's theorem and of Strojohann's determinant algorithm. It allows us to give new and simple solutions to the following problems: * Finding Shortest Cycles -- We give a simple \tilde{O}(Wn^{\omega}) time algorithm for finding shortest cycles in undirected and directed graphs. For directed graphs (and undirected graphs with non-negative weights) this matches the time bounds obtained in 2011 by Roditty and Vassilevska-Williams. On the other hand, no algorithm working in \tilde{O}(Wn^{\omega}) time was previously known for undirected graphs with negative weights. Furthermore our algorithm for a given directed or undirected graph detects whether it contains a negative weight cycle within the same running time. * Computing Diameter and Radius -- We give a simple \tilde{O}(Wn^{\omega}) time algorithm for computing a diameter and radius of an undirected or directed graphs. To the best of our knowledge no algorithm with this running time was known for undirected graphs with negative weights. * Finding Minimum Weight Perfect Matchings -- We present an \tilde{O}(Wn^{\omega}) time algorithm for finding minimum weight perfect matchings in undirected graphs. This resolves an open problem posted by Sankowski in 2006, who presented such an algorithm but only in the case of bipartite graphs. In order to solve minimum weight perfect matching problem we develop a novel combinatorial interpretation of the dual solution which sheds new light on this problem. Such a combinatorial interpretation was not know previously, and is of independent interest.Comment: To appear in FOCS 201

NC Algorithms for Weighted Planar Perfect Matching and Related Problems

Consider a planar graph G=(V,E) with polynomially bounded edge weight function w:E -> [0, poly(n)]. The main results of this paper are NC algorithms for finding minimum weight perfect matching in G. In order to solve this problems we develop a new relatively simple but versatile framework that is combinatorial in spirit. It handles the combinatorial structure of matchings directly and needs to only know weights of appropriately defined matchings from algebraic subroutines. Moreover, using novel planarity preserving reductions, we show how to find: maximum weight matching in G when G is bipartite; maximum multiple-source multiple-sink flow in G where c:E -> [1, poly(n)] is a polynomially bounded edge capacity function; minimum weight f-factor in G where f:V -> [1, poly(n)]; min-cost flow in G where c:E -> [1, poly(n)] is a polynomially bounded edge capacity function and b:V -> [1, poly(n)] is a polynomially bounded vertex demand function. There have been no known NC algorithms for these problems previously

Matchings, matroids and submodular functions

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 2008.Includes bibliographical references (p. 111-118).This thesis focuses on three fundamental problems in combinatorial optimization: non-bipartite matching, matroid intersection, and submodular function minimization. We develop simple, efficient, randomized algorithms for the first two problems, and prove new lower bounds for the last two problems. For the matching problem, we give an algorithm for constructing perfect or maximum cardinality matchings in non-bipartite graphs. Our algorithm requires O(n") time in graphs with n vertices, where w < 2.38 is the matrix multiplication exponent. This algorithm achieves the best-known running time for dense graphs, and it resolves an open question of Mucha and Sankowski (2004). For the matroid intersection problem, we give an algorithm for constructing a common base or maximum cardinality independent set for two so-called "linear" matroids. Our algorithm has running time O(nrw-1) for matroids with n elements and rank r. This is the best-known running time of any linear matroid intersection algorithm. We also consider lower bounds on the efficiency of matroid intersection algorithms, a question raised by Welsh (1976). Given two matroids of rank r on n elements, it is known that O(nr1.5) oracle queries suffice to solve matroid intersection. However, no non-trivial lower bounds are known. We make the first progress on this question. We describe a family of instances for which (log2 3)n - o(n) queries are necessary to solve these instances. This gives a constant factor improvement over the trivial lower bound for a certain range of parameters. Finally, we consider submodular functions, a generalization of matroids. We give three different proofs that [omega](n) queries are needed to find a minimizer of a submodular function, and prove that [omega](n2/ log n) queries are needed to find all minimizers.by Nicholas James Alexander Harvey.Ph.D

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