We study the directed global minimum vertex-cut problem: given a directed vertex-weighted graph $G$, compute a vertex-cut $(L,S,R)$ in $G$ of minimum value, which is defined to be the total weight of all vertices in $S$. The problem, together with its edge-based variant, is one of the most basic in graph theory and algorithms, and has been studied extensively. The fastest currently known algorithm for directed global minimum vertex-cut (Henzinger, Rao and Gabow, FOCS 1996 and J. Algorithms 2000) has running time $\tilde{O}(mn)$, where $m$ and $n$ denote the number of edges and vertices in the input graph, respectively. A long line of work over the past decades led to faster algorithms for other main versions of the problem, including the undirected edge-based setting (Karger, STOC 1996 and J. ACM 2000), directed edge-based setting (Cen et al., FOCS 2021), and undirected vertex-based setting (Chuzhoy and Trabelsi, STOC 2025). However, for the vertex-based version in directed graphs, the 29 year-old $\tilde{O}(mn)$-time algorithm of Henzinger, Rao and Gabow remains the state of the art to this day, in all edge-density regimes. In this paper we break the $Θ(mn)$ running time barrier for the first time, by providing a randomized algorithm for directed global minimum vertex-cut, with running time $O\left(mn^{0.976}\cdot\operatorname{polylog} W\right)$ where $W$ is the ratio of largest to smallest vertex weight. Additionally, we provide a randomized $O\left(\min\left\{m^{1+o(1)}\cdot k,n^{2+o(1)}\right\}\right)$-time algorithm for the unweighted version of directed global minimum vertex-cut, where $k$ is the value of the optimal solution. The best previous algorithm for the problem achieved running time $\tilde O\left(\min\left\{k^2 \cdot m, mn^{11/12+o(1)}, n^{2+o(1)}\right\}\right)$ (Forster et al., SODA 2020, Li et al., STOC 2021).


翻译:本文研究有向全局最小顶点割问题:给定一个有向顶点赋权图$G$,计算$G$中值最小的顶点割$(L,S,R)$,其值定义为$S$中所有顶点的总权重。该问题及其基于边的变体是图论与算法中最基础的问题之一,已被广泛研究。目前已知最快的求解有向全局最小顶点割的算法(Henzinger, Rao and Gabow, FOCS 1996 and J. Algorithms 2000)运行时间为$\tilde{O}(mn)$,其中$m$和$n$分别表示输入图的边数和顶点数。过去数十年的系列研究工作已为其他主要版本的问题带来了更快的算法,包括无向图基于边的设定(Karger, STOC 1996 and J. ACM 2000)、有向图基于边的设定(Cen et al., FOCS 2021)以及无向图基于顶点的设定(Chuzhoy and Trabelsi, STOC 2025)。然而,对于有向图中基于顶点的版本,Henzinger、Rao和Gabow提出的已有29年历史的$\tilde{O}(mn)$时间算法至今仍是所有边密度范围内的最佳结果。本文首次突破了$Θ(mn)$运行时间壁垒,提出了一种针对有向全局最小顶点割的随机算法,其运行时间为$O\left(mn^{0.976}\cdot\operatorname{polylog} W\right)$,其中$W$为最大与最小顶点权重之比。此外,我们还针对有向全局最小顶点割的无权版本提出了一种随机$O\left(\min\left\{m^{1+o(1)}\cdot k,n^{2+o(1)}\right\}\right)$时间算法,其中$k$为最优解的值。该问题先前的最佳算法运行时间为$\tilde O\left(\min\left\{k^2 \cdot m, mn^{11/12+o(1)}, n^{2+o(1)}\right\}\right)$(Forster et al., SODA 2020, Li et al., STOC 2021)。

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