We consider the \emph{massively parallel computation} (MPC) model, which is a theoretical abstraction of large-scale parallel processing models such as MapReduce. In this model, assuming the widely believed 1-vs-2-cycles conjecture, it is not possible to solve many basic graph problems in constant rounds with strongly sublinear memory size per machine. Recently, Holm and T\v{e}tek [SODA 2023] showed that it is possible to get around this barrier for planar graphs when a planar straight-line embedding of the graph is given. For such inputs on $n$ vertices, they obtained constant-round MPC algorithms for connected components, minimum spanning tree (MST), and $O(1)$-approximation of $st$-shortest path, diameter, and radius, as long as the memory size per machine is $\mathcal{S} = n^{2/3 + \Omega(1)}$. In this work, we provide an improved recursive framework to obtain constant-round algorithms in the more challenging \emph{fully scalable} regime where memory size per machine can be $\mathcal{S} = n^\delta$ for any given constant $\delta > 0$. This gives the first constant-round algorithms in this regime for fundamental problems such as connected components, MST, and EMST. Moreover, we show that $\varepsilon$-emulators can be incorporated into our recursive framework to obtain constant-round $(1+\varepsilon)$-approximation algorithms for single source shortest path (SSSP) and shortest cycle in embedded planar graphs. We show that it is possible to construct a dual graph of the given embedded planar graph in constant rounds, which allows us to solve the $(1+\varepsilon)$-approximate $st$-maximum flow and minimum cut problem as both reduce to a shortest cycle problem in the dual graph. Using $O(n^2)$ total space, we also obtain constant-round algorithms for $(1+\varepsilon)$-approximate all-pairs shortest paths (APSP), diameter, and radius.


翻译:本文考虑 \emph{大规模并行计算} (MPC) 模型,该模型是 MapReduce 等大规模并行处理模型的理论抽象。在该模型下,假设广泛认为的 1-vs-2-cycles 猜想成立,则在强次线性内存限制的情况下,无法以恒定的回合数解决许多基本图问题。最近,Holm 和 T\v{e}tek [SODA 2023] 在给定嵌入平面直线图的情况下展示了如何规避此限制。对于这种 $n$ 个顶点的输入,只要机器每台具有 $\mathcal{S} = n^{2/3 + \Omega(1)}$ 的内存,则可以获得连通分量、最小生成树(MST)和 $st$-最短路径、直径和半径的 $\mathcal {O}(1)$ 近似算法。在本文中,为了更具挑战性的 \emph{完全可扩展} 环境下,每台机器的内存大小可为 $\mathcal {S} = n^\delta$,其中 $\delta> 0$ 是常数。我们提供了一种改进的递归框架,以在此环境下获得连通分量、MST 和 EMST 等基本问题的常数回合算法。此外,我们展示了如何将 $\varepsilon$-模拟器并入我们的递归框架中,以获得嵌入平面图中的单源最短路径(SSSP)和最短周期的常数回合 $(1+\varepsilon)$-近似算法。我们展示了如何在常数回合内构建给定嵌入平面图的对偶图,这允许我们解决 $(1+\varepsilon)$-近似的 $st$-最大流和最小割问题,因为两者都可以简化为对偶图中的最短周期问题。使用 $O(n^2)$ 的总空间,我们还获得了常数回合的 $(1+\varepsilon)$-近似算法,如全对最短路径(APSP)、直径和半径。

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