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Tipo: Tese
Título: Structural and complexity studies in inversions and colouring heuristics of (oriented) graphs
Título em inglês: Structural and complexity studies in inversions and colouring heuristics of (oriented) graphs
Autor(es): Silva, Jonas Costa Ferreira da
Orientador: Oliveira, Ana Karolinna Maia de
Coorientador: Sales, Cláudia Linhares
Palavras-chave em português: Feedback vertex set;Feedback arc set;Inversões;Torneios;Coloração de grafos;Algoritmos de coloração;Coloração gulosa;b-coloração
Palavras-chave em inglês: Feedback vertex set;Feedback arc set;Inversion;Tournament;Graph colouring;Colouring algorithms;Greedy colourings;b-colourings
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO
Data do documento: 2023
Citação: SILVA, Jonas Costa Ferreira da. Structural and complexity studies in inversions and colouring heuristics of (oriented) graphs. 2023. 127 f. Tese (Doutorado em Ciência da Computação) - Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2023.
Resumo: Esta tese está dividida em duas partes. A primeira trata do número de inversão de grafos orientados. Seja D um grafo orientado. A inversão de um conjunto de vértices X ⊆ V(D) em D consiste na reversão da orientação de todos os arcos com ambas as extremidades em X. O número de inversão de D, denotado por inv(D), é dado pelo menor número de inversões que são necessárias para que D se torne acíclico. Nós estudamos a relação entre o número de inversão e alguns parâmetros relacionados aos problemas de FEEDBACK ARC SET e FEEDBACK VERTEX SET. Denotamos por τ(D) (resp. τ′ (D)) o tamanho mínimo de um conjunto de vértices (resp. arcos) cuja remoção torna o digrafo acíclico, isto é, o tamanho do menor feedback vertex set (resp. feeedback arc set). Denotamos por ν(D) o tamanho do maior conjunto de ciclos disjuntos de D. Nós mostramos que inv(D) ≤ τ′ (D), inv(D) ≤ 2τ(D), que existe uma função g tal que inv(D) ≤ g(ν(D)) e que g(1) ≤ 4. O dijoin de dois grafos orientados L e R, denotado por L → R, é dado pela a união disjunta de destes acrescida de todos os possíveis arcos dos vértices de L para os de R. Nós conjecturamos que para quaisquer grafos orientados L e R, inv(L → R) = inv(L) +inv(R). Isso implicaria que as duas primeiras desigualdades são apertadas. Nós provamos essa conjectura para quando inv(L) ≤ 1 e inv(R) ≤ 2 e quando inv(L) = inv(R) = 2 e ambos L e R são fortemente conexos. Consideramos também a complexidade de decidir se inv(D) ≤ k para um dado grafo orientado D. Nós mostramos que é esse problema é NP-completo para k = 1 e k = 2 o que, juntamente com a conjectura mencionada acima, implicaria a NP-completude desse problema para qualquer valor de k. Isso contrasta com um outro resultado de Belkhechine et al. (BELKHECHINE et al., 2010) que afirma que, para um dado torneio T, é possível decidir em tempo polinomial se inv(T) ≤ k. A segunda parte desta tese aborda colorações b-gulosas e z-colorações. Um b-vértice em uma coloração própria é um vértice que tem pelo menos um vizinho de todas as demais cores. Se em uma coloração própria há um b-vértice de cada cor, então dizemos que esta é uma b-coloração. Uma coloração própria é gulosa se todo vértice é guloso, isto é, adjacente a pelo menos um vértice de cada cor menor que a sua. Por sua vez, coloração b-gulosa é uma coloração que é, ao mesmo tempo, uma b-coloração e uma coloração gulosa. Uma z-coloração é uma coloração b-gulosa que possui um b-vértice de cor máxima que é adjacente a pelo menos um b-vértice de cada uma das demais cores. O número b-cromático de Grundy (resp. número z-cromático) de um grafo é o maior número de cores possível em uma coloração b-gulosa (resp. z-coloração) deste grafo. Na segunda parte nós estudamos esses dois parâmetros. Nós mostramos que eles não são monotônicos e que a distância entre eles e o mínimo entre o número de Grundy e o número b-cromático pode ser arbitrariamente grande. Além disso, provamos que é NP-difícil obter cada um desses parâmetros. Por outro lado, descrevemos um algoritmo polinomial que decide se um dado grafo k-regular tem número b-cromático de Grundy (resp. z-cromático) igual a k+1. Também provamos que, exceto pelo grafo de Petersen, todo grafo cúbico sem C4 induzido tem número b-cromático de Grundy e número z-cromático igual a 4. Por fim, apresentamos um resumo de outros tópicos envolvendo fluxos que foram estudados durante este doutorado.
Abstract: This thesis is divided in two parts, where the first one concerns the inversion number of oriented graphs. Let D be an oriented graph. The inversion of a set X of vertices in D consists in reversing the direction of all arcs with both extremities in X. The inversion number of D, denoted by inv(D), is the minimum number of inversions needed to make D acyclic. We studied the relation between the inversion number and other parameters related to problems of FEEDBACK ARC SET and FEEDBACK VERTEX SET. We denote by τ(D) (resp. τ′ (D)), the size of a minimum set of vertices (resp. arcs) whose removal makes D acyclic, that is, the minimum size of a feedback vertex set (resp. feedback arc set). For a digraph D, we denote by ν(D), the maximum size of a disjoint set of cycles of D. We show that inv(D) ≤ τ′(D), inv(D) ≤ 2τ(D) and that there exists a function g such that inv(D) ≤ g(ν(D)) and g(1) ≤ 4. For two oriented graphs L and R, the dijoin from L to R, denoted by L → R, is the oriented graph formed by the disjoint union of L and R along with the set of all possible arcs from the vertices of L to those in R. We conjecture that inv(L → R) = inv(L) +inv(R), for any two oriented graphs L and R. This would imply that the first two inequalities are tight. We prove this conjecture when inv(L) ≤ 1 and inv(R) ≤ 2 and when inv(L) = inv(R) = 2 and L and R are strongly connected. We then consider the complexity of deciding whether inv(D) ≤ k for a given oriented graph D. We show that it is NP-complete for k = 1, which together with the above conjecture would imply that it is NP-complete for every k. This contrasts with a result of Belkhechine et al. (BELKHECHINE et al., 2010) which states that deciding whether inv(T) ≤ k for a given tournament T is polynomial-time solvable. The second part of this work is about b-greedy colourings and z-colourings. A b-vertex in a proper colouring is a vertex that has at least one neighbour of every other colour. If in a proper colouring there is a b-vertex of each colour, we say that it is a b-colouring. A greedy colouring is a proper colouring in which every vertex is greedy, that is, it has at least one neighbour of every colour smaller than its own. In its turn, a b-greedy colouring is a proper colouring which is both a b-colouring and a greedy colouring. A z-colouring is a b-greedy colouring such that a b-vertex of the largest colour is adjacent to a b-vertex of every other colour. The b-Grundy number (resp. z-number) of a graph is the maximum number of colours in a b-greedy colouring (resp. z-colouring) of it. In this part, we study those two parameters. We show that they are not monotone and that they can be arbitrarily smaller than the minimum of the Grundy number and the b-chromatic number. We prove that it is NP-hard to compute each of those parameters. However, we describe a polynomial-time algorithm that decides whether a given k-regular graph has b-Grundy number (resp. z-number) equal to k+1. We also prove that, except for the Petersen graph, every cubic graph with no induced 4-cycle has b-Grundy number and z-number exactly 4. Finally, we present a summary of other topics involving flows studied during this PhD.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/74507
Currículo Lattes do(s) Autor(es): http://lattes.cnpq.br/9721127678684659
Currículo Lattes do Orientador: http://lattes.cnpq.br/3309825374177429
Currículo Lattes do Coorientador: http://lattes.cnpq.br/6115379961132154
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
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