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Tipo do documento: Tese
Título: Connected and Disconnected Matchings
Título(s) alternativo(s): Emparelhamentos Conexos e Desconexos
Autor: Masquio, Bruno Porto 
Primeiro orientador: Pinto, Paulo Eustáquio Duarte
Segundo orientador: Szwarcfiter, Jayme Luiz
Primeiro membro da banca: Faria, Luerbio
Segundo membro da banca: Gomes, Guilherme de Castro Mendes
Terceiro membro da banca: Klein, Sulamita
Quarto membro da banca: Oliveira, Fabiano de Souza
Quinto membro da banca: Santos, Vinicius Fernandes dos
Resumo: Problemas de emparelhamentos em grafos vêm sendo estudados há muito tempo, tendo importantes resultados tanto teóricos quanto práticos. Ao longo das décadas, variações de problemas de emparelhamentos foram estudadas. Algumas dessas podem ser resolvidas em tempo polinomial, enquanto outras não, a menos que P = NP. Nesta tese, apresentamos brevemente a história dos emparelhamentos e algumas de suas variações, juntamente com seu estado da arte. Também apresentamos resultados em uma dessas variações: P-emparelhamentos. Um emparelhamento M é um P-emparelhamento se o subgrafo induzido pelas extremidades das arestas de M satisfaz a propriedade P. Como exemplos, para escolhas apropriadas de P, os problemas Emparelhamento Induzido, Emparelhamento Unicamente Restrito, Emparelhamento Acíclico, Emparelhamento Conexo e Emparelhamento Desconexo surgem. Para muitos desses problemas, sabe-se que encontrar um P-emparelhamento de cardinalidade máxima é um problema NP-difícil. Duas exceções, que são foco desta tese, são emparelhamentos conexos e emparelhamentos desconexos, em que a propriedade P é que o subgrafo induzido pelo emparelhamento seja conexo ou desconexo, respectivamente. Enquanto podemos obter um emparelhamento conexo máximo em tempo polinomial, a complexidade de encontrar um emparelhamento desconexo máximo ainda era desconhecida, apesar de perguntada em 2005 por Goddard, Hedetniemi, Hedetniemi e Laskar [Generalized subgraph-restricted matchings in graphs, Discrete Mathematics, 293 (2005) 129 – 138]. Nesta tese, respondemos essa pergunta. De fato, consideramos o problema de forma generalizada, em que deseja-se encontrar c-emparelhamentos desconexos; para tais emparelhamentos, os subgrafos induzidos pelos seus conjuntos de vértices devem possuir pelo menos c componentes conexas. Mostramos que, para todo c ≥ 2 fixo, esse problema é NP-completo mesmo se restringirmos a entrada para grafos bipartidos de diâmetro limitado, enquanto que pode ser resolvido em tempo polinomial para c = 1. Para o caso em que c é parte da entrada, mostramos que o problema é NP-completo para grafos cordais e grafos com grau limitado, podendo ser resolvido em tempo polinomial para grafos de intervalo. Exploramos, também, a complexidade parametrizada do problema. Apresentamos um algoritmo FPT para o parâmetro treewidth e um algoritmo XP para grafos com um número polinomial de separadores minimais quando parametrizado por c. Complementamos esses resultados mostrando que, a menos que NP ⊆ coNP=poly, o problema relacionado Emparelhamento Induzido não admite kernel polinomial quando parametrizado pela cobertura de vértices e pelo tamanho do emparelhamento, nem quando parametrizamos pela distância para clique e tamanho do emparelhamento. Para emparelhamentos conexos, apresentamos um algoritmo de tempo linear para encontrar emparelhamentos conexos máximos e um emparelhamento máximo é dado na entrada. Então, voltamos nossa atenção para uma generalização de emparelhamentos conexos que considera grafos ponderados em arestas e cujo problema chamamos de Emparelhamento Conexo Ponderado Máximo. Esse problema foi motivado pelo problema clássico Emparelhamento Ponderado Máximo, estudado há décadas, e com várias aplicações, incluindo o problema bem conhecido Atribuição. Além disso, alguns outros P-emparelhamentos, tais como acíclicos e induzidos, também já foram considerados para grafos ponderados. No Emparelhamento Conexo Ponderado Máximo, queremos encontrar um emparelhamento M tal que as extremidades das suas arestas induzem um subgrafo conexo e a soma dos pesos das arestas de M é máxima. Ao contrário do problema não ponderado Emparelhamento Conexo, que pode ser resolvido em tempo polinomial para grafos gerais, mostramos que Emparelhamento Conexo Ponderado Máximo é NP-difícil mesmo para grafos bipartidos de diâmetro limitado, grafos starlike, grafos planares bipartidos e grafos subcúbicos planares, enquanto pode ser resolvido em tempo linear para árvores e grafos com grau máximo dois. Quando restringimos as arestas para terem pesos somente não negativos, mostramos que o problema pode ser resolvido em tempo polinomial para grafos cordais, enquanto que continua NP-difícil para a maior parte dos casos. Também estudamos a complexidade parametrizada do Emparelhamento Conexo Ponderado Máximo. Como resultados positivos, apresentamos um algoritmo de tempo exponencial parametrizado pela treewidth. Em relação a kernelização, mostramos que, quando restringimos os pesos a valores binários, o seu problema de decisão, Emparelhamento Conexo Ponderado, não admite kernel polinomial quando parametrizado pelo tamanho da cobertura de vértices sob hipóteses teóricas de complexidade padrão.
Abstract: Matching problems in graphs have been studied for a long time, achieving important results in both theoretical and practical aspects. Over the decades, many variations of matching problems were studied. Some of them can be solved in polynomial time, while others can not, unless P = NP. In this thesis, we briefly present the history of matchings and a survey of some of its variations along with its state of the art. We also give results on one of these variations: P-matchings. A matching M is a P- matching if the subgraph induced by the endpoints of the edges of M satisfies property P. As examples, for appropriate choices of P, the problems Induced Matching, Uniquely Restricted Matching, Acyclic Matching, Connected Matching and Disconnected Matching arise. For many of these problems, finding a maximum P-matching is a knowingly NP-hard problem. Two exceptions, that are the focus of this thesis, are connected matchings and disconnected matchings, where P is that the graph is connected and disconnected, respectively. While we can obtain a maximum connected matching in polynomial time, the complexity of finding a maximum disconnected matching was still unknown, though asked since 2005 by Goddard, Hedetniemi, Hedetniemi, and Laskar [Generalized subgraph-restricted matchings in graphs, Discrete Mathematics, 293 (2005) 129 – 138]. In this thesis, we answer this question. In fact, we consider the generalized problem of finding c-disconnected matchings; such matchings are ones whose vertex sets induce subgraphs with at least c connected components. We show that, for every fixed c ≥ 2, this problem is NP-complete even if we restrict the input to bounded diameter bipartite graphs, while can be solved in polynomial time if c = 1. For the case when c is part of the input, we show that the problem is NP-complete for chordal graphs and bounded degree graphs while being solvable in polynomial time for interval graphs. Then, we explore the parameterized complexity of the problem. We present an FPT algorithm under the treewidth parameterization, and an XP algorithm for graphs with a polynomial number of minimal separators when parameterized by c. We complement these results by showing that, unless NP ⊆ coNP=poly, the related Induced Matching problem does not admit a polynomial kernel when parameterized by vertex cover and size of the matching nor when parameterized by vertex deletion distance to clique and size of the matching. As for connected matchings, we give a linear-time algorithm for finding a maximum connected matching if a maximum matching is given. So, we turn our attention to a generalization of connected matchings that considers edge-weighted graphs and whose problem we name Maximum Weight Connected Matching. This problem is motivated by the usual Maximum Weight Matching, studied for decades, and with many applications, including the well-known Assignment problem. Besides, some other P-matchings, such as acyclic matchings and induced matchings, were also considered under weighted graphs before. In Maximum Weight Connected Matching, we want to find a matching M such that the endpoints of its edges induce a connected subgraph and the sum of the edge weights of M is maximum. Unlike the unweighted Connected Matching problem, which can be solved in polynomial time for general graphs, we show that Maximum Weight Connected Matching is NP-hard even for bounded diameter bipartite graphs, starlike graphs, planar bipartite graphs, and subcubic planar graphs, while solvable in linear time for trees and graphs having a degree at most two. When we restrict edge weights to be non-negative only, we show that the problem turns out to be polynomially solvable for chordal graphs, while it remains NP-hard for most of the other cases. We also consider the parameterized complexity of Maximum Weight Connected Matching. On the positive side, we present a single exponential time algorithm when parameterized by treewidth. As for kernelization, we show that, even when restricted to binary weights, its decision problem, Weighted Connected Matching, does not admit a polynomial kernel when parameterized by vertex cover number under standard complexity-theoretical hypotheses.
Palavras-chave: Algorithms
Complexity
Matching
Chordal graphs
Disconnected Matching
Connected Matching
Grafos - Teoria
Algoritmos
Complexidade
Emparelhamento
Grafos bipartidos
Grafos cordais
Emparelhamento Desconexo
Emparelhamento Conexo
Bipartite graphs
Área(s) do CNPq: CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO::TEORIA DA COMPUTACAO
Idioma: eng
País: Brasil
Instituição: Universidade do Estado do Rio de Janeiro
Sigla da instituição: UERJ
Departamento: Centro de Tecnologia e Ciências::Instituto de Matemática e Estatística
Programa: Programa de Pós-Graduação em Ciências Computacionais
Citação: MASQUIO, Bruno Porto. Connected and Disconnected Matchings. 2022. 102 f. Tese (Doutorado em Ciências Computacionais) - Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2022.
Tipo de acesso: Acesso Aberto
URI: http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/20424
Data de defesa: 18-Nov-2022
Aparece nas coleções:Doutorado em Ciências Computacionais

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