Techniques combinatoires pour les algorithmes paramétrés et les noyaux, avec applications aux problèmes de multicoupe.

by Jean Daligault

Doctoral thesis in Informatique

Under the supervision of Stéphan Thomassé.

Thesis committee President: Alain Jean-Marie.

Thesis committee members: Victor Chepoi, Cyril Gavoille, Ioan Todinca.

Examiners: Cristina Bazgan, Fedor Fomin.

  • Alternative Title

    Combinatorial Techniques for Parameterized Algorithms and Kernels, with Applications to Multicut.


  • Abstract

    This thesis tackles NP-hard problems with combinatorial techniques, focusing on the framework of Fixed-Parameter Tractability. The main problems considered here are Multicut and Maximum Leaf Out-branching. Multicut is a natural generalisation of the cut problem, and consists in simultaneously separating prescribed pairs of vertices by removing as few edges as possible in a graph. Maximum Leaf Out-branching consists in finding a spanning directed tree with as many leaves as possible in a directed graph. The main results of this thesis are the following. We show that Multicut is FPT when parameterized by the solution size, i.e. deciding the existence of a multicut of size $k$ in a graph with $n$ vertices can be done in time $f(k)*poly(n)$. We show that Multicut In Trees admits a polynomial kernel, i.e. can be reduced to instances of size polynomial in $k$. We give an $O^*(3.72^k)$ algorithm for Maximum Leaf Out-branching and the first non-trivial (better than $2^n$) exact algorithm. We also provide a quadratic kernel and a constant factor approximation algorithm. These algorithmic results are based on combinatorial results and structural properties, involving tree decompositions, minors, reduction rules and $s-t$ numberings, among others. We present results obtained with combinatorial techniques outside the scope of parameterized complexity: a characterization of Helly circle graphs as the diamond-free circle graphs, and a partial characterisation of 2-well-quasi-ordered classes of graphs.


  • Abstract

    Dans cette thèse, nous abordons des problèmes NP-difficiles à l'aide de techniques combinatoires, en se focalisant sur le domaine de la complexité paramétrée. Les principaux problèmes que nous considérons sont les problèmes de Multicoupe et d'Arbre Orienté Couvrant avec Beaucoup de Feuilles. La Multicoupe est une généralisation naturelle du très classique problème de coupe, et consiste à séparer un ensemble donné de paires de sommets en supprimant le moins d'arêtes possible dans un graphe. Le problème d'Arbre Orienté Couvrant avec Beaucoup de Feuilles consiste à trouver un arbre couvrant avec le plus de feuilles possible dans un graphe dirigé. Les résultats principaux de cette thèse sont les suivants. Nous montrons que le problème de Multicoupe paramétré par la taille de la solution est FPT (soluble à paramètre fixé), c'est-à-dire que l'existence d'une multicoupe de taille $k$ dans un graphe à $n$ sommets peut être décidée en temps $f(k)*poly(n)$. Nous montrons que Multicoupe dans les arbres admet un noyau polynomial, c'est-à-dire est réductible aux instances de taille polynomiale en $k$. Nous donnons un algorithme en temps $O^*(3.72^k)$ pour le problème d'Arbre Orienté Couvrant avec Beaucoup de Feuilles et le premier algorithme exponentiel exact non trivial (c'est-à-dire meilleur que $2^n$). Nous fournissons aussi un noyau quadratique et une approximation à facteur constant. Ces résultats algorithmiques sont basés sur des résultats combinatoires et des propriétés structurelles qui concernent, entre autres, les décompositions arborescentes, les mineurs, des règles de réduction et les $s-t$ numberings. Nous présentons des résultats combinatoires hors du domaine de la complexité paramétrée: une caractérisation des graphes de cercle Helly comme les graphes de cercle sans diamant induit, et une caractérisation partielle des classes de graphes 2-bel-ordonnées.


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