Um estudo computacional sobre o problema de decomposiÃÃo de grafos em Ãrvore - Ana Shirley Ferreira da Silva (2005)
A noÃÃo de DecomposiÃÃo em Ãrvore foi introduzida por Robertson e Seymour em sua sÃrie de artigos sobre menores de grafos e pode ser definida, intuitivamente, como uma organizaÃÃo dos vÃrtices e arestas do grafo em uma estrutura de Ãrvore, sendo a largura da decomposiÃÃo igual ao tamanho do maior subconjunto de vÃrtices relacionado a um nÃ desta estrutura menos um. A largura mÃnima de uma decomposiÃÃo em Ãrvore de um grafo G Ã chamada de largura em Ãrvore de G. VÃrios problemas difÃceis podem ser resolvidos em tempo polinomial, dada uma decomposiÃÃo em Ãrvore de largura limitada, como, por exemplo, Ciclo Hamiltoniano, Conjunto Independente MÃximo, Isomorfismo, ColoraÃÃo de VÃrtices, etc. A complexidade dos algoritmos que resolvem tais problemas sÃo geralmente exponenciais na largura da decomposiÃÃo fornecida. Logo, Ã esperado que encontrar uma decomposiÃÃo de largura mÃnima seja um problema difÃcil. De fato, Arnborg, Corneil e Proskurowski [2] mostraram que o problema Ã NP - difÃcil. O problema de encontrar a largura em Ãrvore de um grafo qualquer Ã o objeto de estudo da presente dissertaÃÃo de mestrado. Uma restriÃÃo desse problema Ã o de decidir, para um inteiro k fixo, se a largura em Ãrvore de G Ã no mÃximo k. Apresentamos a prova de que o problema para k fixo pode ser resolvido polinomialmente. Na Ãltima dÃcada foram propostas vÃrias heurÃsticas que fornecem limites superiores para o problema [3, 10], heurÃsticas para o cÃlculo de limites inferiores [6, 8, 11], alÃm de mÃtodos enumerativos [5] e algoritmos aproximativos [1, 7, 4]. PorÃm, nenhum resultado obtido pode ser considerado bom, uma vez que nÃo existe um benchmark para o qual se conhece a largura em Ãrvore e os limites inferiores e superiores tÃm se mostrado muito distantes. AlÃm disso, o algoritmo enumerativo existente mostrou-se ineficiente mesmo para o problema de decisÃo com k fixo em valores pequenos (por exemplo, k = 4) [12]. Ã neste quadro que propomos um mÃtodo enumerativo para o problema. Na verdade, abordamos o problema de triangularizaÃÃo, que Ã equivalente ao problema de decomposiÃÃo em Ãrvore. Isso nos permitiu a proposta de uma nova representaÃÃo para uma soluÃÃo do problema que utiliza o conceito de ordens totais. Uma vez que as soluÃÃes podem assim ser representadas, um algoritmo que enumere as extensÃes totais de uma dada ordem parcial pode ser utilizado para enumerar todas as soluÃÃes do problema, bastando que fornecemos uma ordem que contenha apenas os pares reflexivos vv, onde v Ã um vÃrtice do grafo de entrada. O mÃtodo enumerativo proposto Ã uma modificaÃÃo do algoritmo de CorrÃa e Szwarcfiter [9]. Esta modificaÃÃo faz com que apenas as extensÃes totais da ordem fornecida seja enumerada. O algoritmo apresenta duas principais vantagens com relaÃÃo ao mÃtodo enumerativo proposto por Bodlaender e Kloks: pode ser utilizado juntamente com o mÃtodo âbranch and boundâ; e pode enumerar um sub-espaÃo de soluÃÃes, o que pode ser Ãtil caso se conheÃa algumas relaÃÃes existentes na soluÃÃo Ãtima, ou mesmo para investigar determinados sub-espaÃos de soluÃÃes. Implementamos e testamos o algoritmo proposto, aplicando o mÃtodo âbranch and boundâ e restringindo o espaÃo de soluÃÃes. As ordens parciais utilizadas para definir os sub-espaÃos explorados foram obtidas baseando-se nas heurÃsticas de limite superior que utilizam rotulaÃÃo. Infelizmente, nÃo obtivemos bons resultados, pois, mesmo restringindo o espaÃo de busca, a quantidade de nÃs gerados da Ãrvore de âbranch and boundâ foi muito grande, excedendo a quantidade de memÃria disponÃvel da mÃquina utilizada para os testes. No texto da dissertaÃÃo apresentamos tambÃm um estudo da complexidade do problema, um algoritmo para calcular uma decomposiÃÃo em Ãrvore Ãtima de um grafo cordal, alÃm das vÃrias heurÃsticas para o cÃlculo de limites superiores e inferiores existentes. AlÃm disso, implementamos e testamos as heurÃsticas de limite superior que utilizam rotulaÃÃo e uma heurÃstica GRASP, tendo sido o primeiro estudo de uma aplicaÃÃo da meta-heurÃstica GRASP para o problema de decomposiÃÃo em Ãrvore.