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Tipo: Tese
Título: Problemas de decomposição de fluxos em redes
Título em inglês: Network flows decomposition problems
Autor(es): Carvalho Neto, Cláudio Soares de
Orientador: Sales, Cláudia Linhares
Coorientador: Oliveira, Ana Karolinna Maia de
Palavras-chave em português: Fluxos;Redes arco-coloridas;Decomposição;Ramificações;Complexidade;Redes de computadores
Palavras-chave em inglês: Flows;Arc-coloured networks;Decomposition;Branchings;Complexity
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO
Data do documento: 2025
Citação: CARVALHO NETO, Cláudio Soares de. Problemas de decomposição de fluxos em redes. 2025. 107 f. Tese (Doutorado em Ciência da Computação) - Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2025.
Resumo: Fluxos em redes são uma ferramenta fundamental na Teoria dos Grafos, com muitas aplicações práticas. uma rede N é formada por um (multi)digrafo D juntamente com uma função de capacidade u : A(D) → R+, e é denotada por N = (D, u). Um fluxo em N é uma função x : A(D) → R+ de modo que x(a) ≤ u(a) para todo a ∈ A(D). Dizemos que um fluxo é λ-uniforme se seu valor em cada arco com fluxo positivo é exatamente λ, para algum λ ∈ R∗ +. Segundo Granata et al. (2013), redes arco-coloridas são usadas para modelar diferenças qualitativas entre as diversas regiões por onde o fluxo será enviado. Elas têm aplicações em diversas áreas tais como redes de comunicação, transportes multimodais, biologia molecular, empacotamento etc. Neste trabalho, consideramos dois tipos de fluxos - (s, t)-fluxo e fluxo s-ramificado. Um (s, t)-fluxo representa a quantidade de fluxo que pode ser enviada de s a t em uma rede N = (D, u). De acordo com Baier, Köhler e Skutella (2005), um (s, t)-fluxo é k-divisível se ele pode ser decomposto em até k caminhos. Nós consideramos o problema de decompor um (s, t)-fluxo em uma rede arco-colorida com custo mínimo, isto é, com a menor soma do custo de seus caminhos, onde o custo de cada caminho é dado pelo seu número de cores. Mostramos que esse problema é N P-Difícil para (s, t)-fluxos em geral. Quando restringimos o prolema a (s, t)-fluxos λ-uniformes, mostramos que ele pode ser resolvido em tempo polinomial em redes com no máximo duas cores, e é N P-Difícil para redes em geral com três cores e para redes acíclicas com pelo menos cinco cores. Um fluxo s-ramificado deve alcançar todos os outros vértices de uma rede N = (D, u) a partir de um vértice s, perdendo exatamente uma unidade de fluxo em cada vértice diferente de s. Segundo Bang-Jensen e Bessy (2014), quando u ≡ n − 1, a rede admite k fluxos s-ramificados arco-disjuntos se e somente se D contém k s-ramificações arco-disjuntas. Assim, um resultado clássico de Edmonds (1973), que diz que um digrafo contém k s-ramificações se e somente se o grau de entrada de todo conjunto X ⊆ V (D) \ {s} for pelo menos k, também caracteriza a existência de k fluxos s-ramificados arco-disjuntos nessas redes. Neste trabalho, investigamos como uma propriedade que é uma extensão natural da caracterização de Edmonds está relacionada à existência de k fluxos s-ramificados arco-disjuntos em redes. Embora essa propriedade seja sempre necessária para a existência de tais fluxos, nós mostramos que ela nem sempre é suficiente e que é difícil decidir se os fluxos desejados existem, mesmo se tivermos o conhecimento prévio de que ela é satisfeita.
Abstract: Flows on networks are a fundamental tool in the Graph Theory, with several practical applications. A network N is formed by a (multi)digraph D together with a capacity function u : A(D) → R+, and it is denoted by N = (D, u). A flow on N is a function x : A(D) → R+ such that x(a) ≤ u(a) for all a ∈ A(D). We say that a flow is λ-uniform if its value on each arc of the network with positive flow value is exactly λ, for some λ ∈ R ∗ +. According to Granata et al. (2013), arc-coloured networks are used to model qualitative differences among different regions through which the flow will be sent. They have applications in several areas such as communication networks, multimodal transportation, molecular biology, packing etc. In this work, we deal with two types of flows - (s, t)-flow and s-branching flow. An (s, t)-flow represents the amount of flow that can be sent from s to t in a network N = (D, u). According to Baier, Köhler e Skutella (2005), an (s, t)-flow is k-splittable if it can be decomposed into up to k paths. We consider the problem of decomposing a flow over an arc-coloured network with minimum cost, that is, with minimum sum of the cost of its paths, where the cost of each path is given by its number of colours. We show that this problem is N P-Hard for general flows. When we restrict the problem to λ-uniform flows, we show that it can be solved in polynomial time for networks with at most two colours, and it is N P-Hard for general networks with three colours and for acyclic networks with at least five colours. An s-branching flow must reach every vertex of a network N = (D, u) from a vertex s while loosing exactly one unit of flow in each vertex other than s. According to Bang-Jensen e Bessy (2014), when u ≡ n − 1, the network admits k arc-disjoint s-branching flows if and only if its associated digraph D contains k arc-disjoint s-branchings. Thus, a classical result by Edmonds (1973) stating that a digraph contains k arc-disjoint s-branchings if and only if the indegree of every set X ⊆ V (D) \ {s} is at least k also characterizes the existence of k arc-disjoint s-branching flows in those networks. In this work, we investigate how a property that is a natural extension of the characterization by Edmonds is related to the existence of k arc-disjoint s-branching flows in networks. Although this property is always necessary for the existence of such flows, we show that it is not always sufficient and that it is hard to decide if the desired flows exist even if we know beforehand that the network satisfies it.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/80237
Currículo Lattes do(s) Autor(es): http://lattes.cnpq.br/5079768089207295
Currículo Lattes do Orientador: http://lattes.cnpq.br/6115379961132154
Currículo Lattes do Coorientador: http://lattes.cnpq.br/3309825374177429
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
Aparece nas coleções:DCOMP - Teses defendidas na UFC

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