Graph colouring is a fundamental problem for networks, serving as a tool for avoiding conflicts via symmetry breaking, for example, avoiding multiple computer processes simultaneously updating the same resource. This paper considers a generalisation of this problem to \emph{temporal graphs}, i.e., to graphs whose structure changes according to an ordered sequence of edge sets. In the simultaneous resource updating problem on temporal graphs, the resources which can be accessed will change, however, the necessity of symmetry breaking to avoid conflicts remains. In this paper, we focus on the problem of \emph{maintaining proper colourings} on temporal graphs in general, with a particular focus on bipartite colourings. Our aim is to minimise the total number of times that the vertices change colour, or, in the form of a decision problem, whether we can maintain a proper colouring by allowing not more colour changes than some given \emph{budget}. On the negative side, we show that, despite bipartite colouring being easy on static graphs, the problem of maintaining such a colouring on graphs that are bipartite in each snapshot is NP-Hard to even approximate within \emph{any} constant factor unless the Unique Games Conjecture fails. On the positive side, we provide an exact algorithm for a temporal graph with $n$ vertices, a lifetime $T$ and at most $k$ components in any given snapshot in $O(T \vert E \vert 2^{k} + n T 2^{2k})$ time, and an $O\left(\sqrt{\log(nT)}\right)$-factor approximation algorithm running in $\tilde{O}((nT)^3)$ time. Our results contribute to the structural complexity of networks that change with time with respect to a fundamental computational problem.


翻译:图着色是网络中的基础问题,作为一种通过对称性破缺避免冲突的工具,例如避免多个计算机进程同时更新同一资源。本文将该问题推广至\\emph{时态图},即其结构按照边集的有序序列变化的图。在时态图上的同步资源更新问题中,可访问的资源会发生变化,但通过对称性破缺避免冲突的必要性依然存在。本文重点研究时态图上\\emph{维持正确着色}的一般性问题,特别关注二部着色。我们的目标是最小化顶点改变颜色的总次数,或以决策问题的形式表述为:在不超过给定\\emph{预算}的颜色改变次数下,能否维持正确的着色。在负面结果方面,我们证明尽管静态图上的二部着色问题易于求解,但在每个快照均为二部图的时态图上维持此类着色的问题是NP-难的,且除非唯一游戏猜想不成立,否则无法在\\emph{任意}常数因子内近似求解。在正面结果方面,我们提出了一个精确算法,适用于具有$n$个顶点、生命周期$T$且任意快照中至多包含$k$个连通分量的时态图,时间复杂度为$O(T \\vert E \\vert 2^{k} + n T 2^{2k})$;同时给出了一个$O\\left(\\sqrt{\\log(nT)}\\right)$因子近似算法,运行时间为$\\tilde{O}((nT)^3)$。我们的研究结果从基础计算问题的角度,为随时间变化的网络结构复杂性提供了理论贡献。

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