Untere Schranken für Steinerbaumalgorithmen und die Konstruktion von Bicliquen in dichten Graphen

Abstract

Die vorliegende Arbeit besteht aus zwei Teilen. Der erste Teil der Arbeit befasst sich mit unteren Schranken für approximative Steinerbaumalgorithmen. Ein Steinerbaum ist ein kürzester Teilgraph, der eine gegebene Teilmenge der Knoten eines Graphen spannt. Das Berechnen eines Steinerbaumes ist ein klassisches NP-schweres Problem, und es existieren mehrere Approximationsalgorithmen, wobei bei den meisten Algorithmen die Approximationsgüte nur durch untere und obere Schranken eingegrenzt werden kann. Für einige dieser Algorithmen werden in dieser Arbeit Instanzen vorgestellt, welche die unteren Schranken verbessern. Für den Relativen Greedy Algorithmus wird außerdem ein Verfahren vorgestellt, mit dem die Güte des Algorithmus eingeschränkt auf die Graphenklasse mit k Terminalen auf einen beliebigen Faktor genau bestimmt werden kann. Der zweite Teil der Arbeit widmet sich vollständig bipartiten Subgraphen mit gleicher Partitionsgrößse, sogenannten balancierten Bicliquen. Seit langem ist bekannt, dass in dichten bipartiten Graphen balancierte Bicliquen mit Omega(log(n)) Knoten existieren, aber es ist unbekannt, ob und wie diese in polynomieller Zeit konstruiert werden können. Der zweite Teil liefert dazu einen Beitrag, indem ein polynomieller Algorithmus vorgestellt wird, der in hinreichend großen dichten bipartiten Graphen eine balancierte Biclique mit Omega(sqrt(log(n))) Knoten konstruiert.

This thesis consists of two parts. The first part is concerned with lower bounds for approximating Steiner trees. The Steiner tree problem is to find a shortest subgraph that spans a given set of vertices in a graph and is a classical NP-hard problem. Several approximation algorithms exist, but for most algorithms only lower and upper bounds for the approximation ratio are known. For some of these algorithms we present instances which improve the lower bounds. When the problem is restricted to the class of graphs with k terminals, we also present a method which can be used to determine the approximation ratio of the Relative Greedy Algorithm with arbitrary precision. The second part is about balanced bicliques, i.e. complete bipartite subgraphs with equal partition sizes. It has been known for a long time that every dense bipartite graph contains a balanced biclique of size Omega(log(n)), but whether and how such a biclique can be constructed in polynomial time is still unknown. Our contribution to this problem is a polynomial time algorithm which constructs a balanced biclique of size Omega(sqrt(log(n))) in sufficiently large and dense bipartite graphs.