Paths and walks, forests and planes : arcadian algorithms and complexity

Abstract

This dissertation is concerned with new results in the area of parameterized algorithms and complexity. We develop a new technique for hard graph problems that generalizes and unifies established methods such as Color-Coding, representative families, labelled walks and algebraic fingerprinting. At the heart of the approach lies an algebraic formulation of the problems, which is effected by means of a suitable exterior algebra. This allows us to estimate the number of simple paths of given length in directed graphs faster than before. Additionally, we give fast deterministic algorithms for finding paths of given length if the input graph contains only few of such paths. Moreover, we develop faster deterministic algorithms to find spanning trees with few leaves. We also consider the algebraic foundations of our new method. Additionally, we investigate the fine-grained complexity of determining the precise number of forests with a given number of edges in a given undirected graph. To wit, this happens in two ways. Firstly, we complete the complexity classification of the Tutte plane, assuming the exponential time hypothesis. Secondly, we prove that counting forests with a given number of edges is at least as hard as counting cliques of a given size.

Diese Dissertation befasst sich mit neuen Ergebnissen auf dem Gebiet parametrisierter Algorithmen und Komplexitätstheorie. Wir entwickeln eine neue Technik für schwere Graphprobleme, die etablierte Methoden wie Color-Coding, representative families, labelled walks oder algebraic fingerprinting verallgemeinert und vereinheitlicht. Kern der Herangehensweise ist eine algebraische Formulierung der Probleme, die vermittels passender Graßmannalgebren geschieht. Das erlaubt uns, die Anzahl einfacher Pfade gegebener Länge in gerichteten Graphen schneller als bisher zu schätzen. Außerdem geben wir schnelle deterministische Verfahren an, Pfade gegebener Länge zu finden, falls der Eingabegraph nur wenige solche Pfade enthält. Übrigens entwickeln wir schnellere deterministische Algorithmen, um Spannbäume mit wenigen Blättern zu finden. Wir studieren außerdem die algebraischen Grundlagen unserer neuen Methode. Weiters untersuchen wir die fine-grained-Komplexität davon, die genaue Anzahl von Wäldern einer gegebenen Kantenzahl in einem gegebenen ungerichteten Graphen zu bestimmen. Und zwar erfolgt das auf zwei verschiedene Arten. Erstens vervollständigen wir die Komplexitätsklassifizierung der Tutte-Ebene unter Annahme der Expo- nentialzeithypothese. Zweitens beweisen wir, dass Wälder mit gegebener Kantenzahl zu zählen, wenigstens so schwer ist, wie Cliquen gegebener Größe zu zählen.