Maintaining and updating shortest paths information in a graph is a fundamental problem with many applications. As computations on dense graphs can be prohibitively expensive, and it is preferable to perform the computations on a sparse skeleton of the given graph that roughly preserves the shortest paths information. Spanners and emulators serve this purpose. This paper develops fast dynamic algorithms for sparse spanner and emulator maintenance and provides evidence from fine-grained complexity that these algorithms are tight. Under the popular OMv conjecture, we show that there can be no decremental or incremental algorithm that maintains an $n^{1+o(1)}$ edge (purely additive) $+n^{\delta}$-emulator for any $\delta<1/2$ with arbitrary polynomial preprocessing time and total update time $m^{1+o(1)}$. Also, under the Combinatorial $k$-Clique hypothesis, any fully dynamic combinatorial algorithm that maintains an $n^{1+o(1)}$ edge $(1+\epsilon,n^{o(1)})$-spanner or emulator must either have preprocessing time $mn^{1-o(1)}$ or amortized update time $m^{1-o(1)}$. Both of our conditional lower bounds are tight. As the above fully dynamic lower bound only applies to combinatorial algorithms, we also develop an algebraic spanner algorithm that improves over the $m^{1-o(1)}$ update time for dense graphs. For any constant $\epsilon\in (0,1]$, there is a fully dynamic algorithm with worst-case update time $O(n^{1.529})$ that whp maintains an $n^{1+o(1)}$ edge $(1+\epsilon,n^{o(1)})$-spanner. Our new algebraic techniques and spanner algorithms allow us to also obtain (1) a new fully dynamic algorithm for All-Pairs Shortest Paths (APSP) with update and path query time $O(n^{1.9})$; (2) a fully dynamic $(1+\epsilon)$-approximate APSP algorithm with update time $O(n^{1.529})$; (3) a fully dynamic algorithm for near-$2$-approximate Steiner tree maintenance.


翻译:在图形中保存和更新最短路径信息是许多应用程序的根本问题。 由于在密度图形上计算的费用可能高得令人望而却步, 并且更可取的做法是在一个粗略的图表骨架上进行计算, 以大致保存最短路径信息。 Spanners 和模拟器为此目的。 本文开发了快速动态算法, 用于稀疏的打字器和模拟器维护, 并提供了这些精细复杂度的证据 。 在流行的 OMv 预测下, 我们显示, 任何用于保持 $%1+1美元( 美元+1美元) 的快速或递增算法 。 任何用于保持 $%1 美元( 0. 1美元) 的快速或递增 美元( 1 美元) 的快速算法, 也能够完全更新我们的动态 。

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