We introduce and discuss the Minimum Capacity-Preserving Subgraph (MCPS) problem: given a directed graph and a retention ratio $\alpha \in (0,1)$, find the smallest subgraph that, for each pair of vertices $(u,v)$, preserves at least a fraction $\alpha$ of a maximum $u$-$v$-flow's value. This problem originates from the practical setting of reducing the power consumption in a computer network: it models turning off as many links as possible while retaining the ability to transmit at least $\alpha$ times the traffic compared to the original network. First we prove that MCPS is NP-hard already on directed acyclic graphs (DAGs). Our reduction also shows that a closely related problem (which only considers the arguably most complicated core of the problem in the objective function) is NP-hard to approximate within a sublogarithmic factor already on DAGs. In terms of positive results, we present a simple linear time algorithm that solves MCPS optimally on directed series-parallel graphs (DSPs). Further, we introduce the family of laminar series-parallel graphs (LSPs), a generalization of DSPs that also includes cyclic and very dense graphs. Not only are we able to solve MCPS on LSPs in quadratic time, but our approach also yields straightforward quadratic time algorithms for several related problems such as Minimum Equivalent Digraph and Directed Hamiltonian Cycle on LSPs.


翻译:------ 我们介绍并讨论了最小容量保持子图(MCPS)问题: 给定一个有向图和一个保留比$\alpha\in(0,1)$,找到至少保留最大$u-v$流值$\alpha$部分的最小子图。该问题源自于减少计算机网络功耗的实用设置: 它模拟了在保留与原始网络相比至少$\alpha$倍的流量的能力的同时关闭尽可能多的连接。首先,我们证明了MCPS即使在有向无环图(DAGs)上也是NP难的。我们的约化也表明,一个密切相关的问题(仅考虑目标函数中最复杂的核心)在DAGs上的近似难以在子对数因子内实现。在积极的结果方面,我们提出了一种简单的线性时间算法,它在有向串并图(DSPs)上最优地解决了MCPS问题。此外,我们介绍了层状串并图(LSPs)家族,它是DSP的一种广义形式,也包括循环和非常密集的图。我们不仅能够在二次时间内在LSP上解决MCPS问题,而且这种方法还为几个相关问题提供了简单的二次时间算法,例如在LSP上的最小等价有向图和定向哈密顿库。

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