Cyclability: combinatorial properties, algorithms and complexity

Abstract

A graph G is called k-cyclable, if for every k of its vertices there exists a cycle in G that contains them. The cyclability of G is the maximum integer k for which G is k-cyclable and it is a connectivity related graph parameter. In this doctoral thesis we study, mainly from the Parameterized Complexity point of view, the Cyclability problem: Given a graph G = (V,E) and an integer k (the parameter), decide whether the cyclability of G is equal to k. Our first result is a negative one and shows that the existence of an FPT-algorithm for solving Cyclability is unlikely (unless FPT = co-W[1], which is considered unlikely). More specifically, we prove that Cyclability is co-W[1]-hard, even if we restrict the input to be a split graph. On the other hand, we give an FPT-algorithm for the same problem when restricted to the class of planar graphs. To do this, we prove a series of combinatorial results regarding cyclability and apply a two-step version of the so called irrelevant vertex technique, which was introduced by Robertson and Seymour in their Graph Minors series (Irrelevant vertices in linkage problems) as a crucial ingredient for their algorithm solving the Disjoint Paths problem. To prove the correctness of our algorithm, we introduce notions, like the one of vital cyclic linkages, and give results of independent graph-theoretic interest.We conclude our study with a negative result: We prove that Cyclability admits no polynomial kernel, even when restricted to cubic planar graphs, unless a classical complexity theoretic assumption (that NP is a subset of co-NP/poly) fails.

Ένα γράφημα G καλείται k-κυκλώσιμο, αν για κάθε k από τις κορυφές του υπάρχει ένας κύκλος στο G που τις περιέχει. Η κυκλωσιμότητα ενός γραφήματος G είναι ο μέγιστος ακέραιος k για τον οποίο το G είναι k-κυκλώσιμο και είναι μία παράμετρος που σχετίζεται με τη συνεκτικότητα. Σε αυτή τη διδακτορική διατριβή μελετάμε, κυρίως από τη σκοπιά της Παραμετρικής Πολυπλοκότητας, το πρόβλημα ΚΥΚΛΩΣΙΜΟΤΗΤΑ: Δεδομένου ενός γραφήματος G = (V,E) και ενός μη αρνητικού ακεραίου k (η παράμετρος), να αποφασιστεί αν η κυκλωσιμότητα του G είναι ίση με k.Το πρώτο μας αποτέλεσμα είναι αρνητικό και δείχνει ότι η ύπαρξη ενός FPT-αλγορίθμου για την επίλυση του προβλήματος ΚΥΚΛΩΣΙΜΟΤΗΤΑ είναι απίθανη (εκτός αν FPT = co-W[1], το οποίο θεωρείται απίθανο). Πιο συγκεκριμένα, αποδεικνύουμε ότι το πρόβλημα ΚΥΚΛΩΣΙΜΟΤΗΤΑ είναι co-W[1]-δύσκολο, ακόμα και αν περιορίσουμε την είσοδο στο να είναι χωριζόμενο γράφημα.Από την άλλη, δίνουμε έναν FPT-αλγόριθμο για το ίδιο πρόβλημα περιορισμένο στην κλάση των επίπεδων γραφημάτων. Για να το πετύχουμε αυτό αποδεικνύουμε μια σειρά από συνδυαστικά αποτελέσματα σχετικά με την κυκλωσιμότητα και εφαρμόζουμε μια εκδοχή δύο βημάτων της περίφημης τεχνικής της άσχετης κορυφής, που εισήχθη από τους Robertson και Seymour στη σειρά εργασιών τους για Ελλάσονα Γραφήματα, ως ένα κρίσιμο συστατικό του αλγορίθμου τους για την επίλυση του προβλήματος των ΔΙΑΚΕΚΡΙΜΕΝΩΝ ΜΟΝΟΠΑΤΙΩΝ. Για να αποδείξουμε την ορθότητα του αλγορίθμου μας εισάγουμε έννοιες, όπως αυτή των ζωτικών κυκλικών συνδέσμων, και αποδεικνύουμε αποτελέσματα με ανεξάρτητου γραφοθεωρητικού ενδιαφέροντος.Κλείνουμε τη μελέτη μας με ένα δεύτερο αρνητικό αποτέλεσμα: Αποδεικνύουμε ότι για το πρόβλημα της ΚΥΚΛΩΣΙΜΟΤΗΤΑΣ δεν υπάρχουν πολυωνυμικοί πυρήνες, ακόμα και αν περιοριστούμε σε κυβικά επίπεδα γραφήματα, εκτός και αν δεν ισχύει μια υπόθεση της κλασσικής Θεωρίας Πολυπλοκότητας (ότι NP υποσύνολο του co-NP/poly).