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[算法理论] 整数权重有向无环图最短路保持器的指数下界

发布于:2026-09-14 22:00 最后更新:2026-09-15 01:15
#algorithm #Graph

我们研究的是 Bernstein、Bodwin 与 Wein 在 ITCS'24 提出的图简化问题。给定一个带有任意大正权重的图,目标是重新赋权,使得所有最短路的顶点序列保持不变,同时边权的比例(最大权重除以最小权重)尽可能小。作者证明,对一般有向或无向图,任何保持最短路结构的重新赋权都可能需要指数级的比例,因此多项式比例并非总是可行。相反,他们展示了每个有向无环图(DAG)都可以通过线性比例的重新赋权实现,但得到的权重往往不是整数。于是出现了一个自然的开放问题:是否所有 DAG 都存在多项式上界的整数权重重新赋权

本文给出否定答案。我们构造了一类极其简单的 DAG,使得任何保持最短路结构的整数重新赋权都必须使用大小至少为 $2^{\Omega(n)}$ 的权重。具体而言,这些 DAG 只包含三层顶点,且中间层仅有三个顶点,但仍迫使权重指数增长。进一步地,我们证明如果将中间层的顶点数降至两个,则可以实现线性上界的整数重新赋权,表明层数和中间层规模对问题的难度有关键影响。

此外,我们将下界扩展到近似版本:仅要求原图中任意一条 $\alpha$‑近似最短路在重新赋权后成为精确最短路。即使在任意有限的近似比 $\alpha > 1$ 下,上述指数下界仍然成立。该结果表明,即使放宽到单条近似最短路的保持,整数权重的需求仍然可能是指数级的。

点评:本文通过极简结构的 DAG 展示了整数权重保持最短路的本质难度,填补了此前仅有实数权重上界的空白,并揭示了层数与中间层规模在可行性中的微妙作用,为后续在整数权重约束下的图简化研究指明了方向。

原文链接: https://arxiv.org/abs/2609.12211

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