For an $n$-vertex digraph $G=(V,E)$, a \emph{shortcut set} is a (small) subset of edges $H$ taken from the transitive closure of $G$ that, when added to $G$ guarantees that the diameter of $G \cup H$ is small. Shortcut sets, introduced by Thorup in 1993, have a wide range of applications in algorithm design, especially in the context of parallel, distributed and dynamic computation on directed graphs. A folklore result in this context shows that every $n$-vertex digraph admits a shortcut set of linear size (i.e., of $O(n)$ edges) that reduces the diameter to $\widetilde{O}(\sqrt{n})$. Despite extensive research over the years, the question of whether one can reduce the diameter to $o(\sqrt{n})$ with $\widetilde{O}(n)$ shortcut edges has been left open. We provide the first improved diameter-sparsity tradeoff for this problem, breaking the $\sqrt{n}$ diameter barrier. Specifically, we show an $O(n^{\omega})$-time randomized algorithm for computing a linear shortcut set that reduces the diameter of the digraph to $\widetilde{O}(n^{1/3})$. This narrows the gap w.r.t the current diameter lower bound of $\Omega(n^{1/6})$ by [Huang and Pettie, SWAT'18]. Moreover, we show that a diameter of $\widetilde{O}(n^{1/2})$ can in fact be achieved with a \emph{sublinear} number of $O(n^{3/4})$ shortcut edges. Formally, letting $S(n,D)$ be the bound on the size of the shortcut set required in order to reduce the diameter of any $n$-vertex digraph to at most $D$, our algorithms yield: \[ S(n,D)=\begin{cases} \widetilde{O}(n^2/D^3), & \text{for~} D\leq n^{1/3},\\ \widetilde{O}((n/D)^{3/2}), & \text{for~} D> n^{1/3}~. \end{cases} \] We also extend our algorithms to provide improved $(\beta,\epsilon)$ hopsets for $n$-vertex weighted directed graphs.


翻译:对于一个 $G = (V,E) 的顶端 = (emph{dh} directret} 是一个( 小) 由 $G 的中途关闭所拍摄的边缘( 小) 美元, 当加到 $G 的直径小。 由 Thorup 于1993 引入的捷径套件在算法设计中具有广泛的应用范围, 特别是在平行、 分布和动态计算的情况下 。 一个民俗结果显示, 每一个 美元 = 直径 = (n) 的直径 =% 3 (n) 直径 = 美元 0. 0) 直径 的捷径组( e. 美元=n 边缘), 将直径降低到 $\ call {O} 直径的直径调数。

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