A classic 1993 paper by Alth\H{o}fer et al. proved a tight reduction from spanners, emulators, and distance oracles to the extremal function $\gamma$ of high-girth graphs. This paper initiated a large body of work in network design, in which problems are attacked by reduction to $\gamma$ or the analogous extremal function for other girth concepts. In this paper, we introduce and study a new girth concept that we call the bridge girth of path systems, and we show that it can be used to significantly expand and improve this web of connections between girth problems and network design. We prove two kinds of results: 1) We write the maximum possible size of an $n$-node, $p$-path system with bridge girth $>k$ as $\beta(n, p, k)$, and we write a certain variant for "ordered" path systems as $\beta^*(n, p, k)$. We identify several arguments in the literature that implicitly show upper or lower bounds on $\beta, \beta^*$, and we provide some polynomially improvements to these bounds. In particular, we construct a tight lower bound for $\beta(n, p, 2)$, and we polynomially improve the upper bounds for $\beta(n, p, 4)$ and $\beta^*(n, p, \infty)$. 2) We show that many state-of-the-art results in network design can be recovered or improved via black-box reductions to $\beta$ or $\beta^*$. Examples include bounds for distance/reachability preservers, exact hopsets, shortcut sets, the flow-cut gaps for directed multicut and sparsest cut, an integrality gap for directed Steiner forest. We believe that the concept of bridge girth can lead to a stronger and more organized map of the research area. Towards this, we leave many open problems, related to both bridge girth reductions and extremal bounds on the size of path systems with high bridge girth.


翻译:1993年Alth\H{o}fer等人发表的经典论文证明了,高桥图的极值函数 $\gamma$ 可以紧凑地化归到跨度、仿真器和距离神器等概念。这篇论文开创了网络设计的一大研究领域,其中问题通过化归到 $\gamma$ 或其他环概念的极值函数来攻克。本文介绍和研究了一种新的环概念——路径系统的桥梁环,并且展示它可以用于拓展和改进环问题与网络设计之间的这个网络。我们证明了两种结果:1)我们把桥梁环大于 $k$ 的 $n$-节点、 $p$-路径系统的最大可能大小写为 $\beta(n, p, k)$,还有一个与“有序”路径系统相应的变体写为 $\beta^*(n, p, k)$。我们识别了文献中几个隐含的证明 $\beta, \beta^*$ 上限或下限的方法,提高了这些结果的多项式。特别地,我们构造了 $\beta(n, p, 2)$ 的下限,还提高了 $\beta(n, p, 4)$ 和 $\beta^*(n, p, \infty)$ 的上限。2)我们展示了许多最新的网络设计结果可以通过黑盒约化到 $\beta$ 或 $\beta^*$ 来恢复或改进。例如:距离/可达性保护器的界限、精确跨度、捷径集、定向多割和最稀疏割的流/割口缺口、定向斯坦纳森林的完整性间隙。我们相信桥梁环的概念可以引导研究领域的更强大和更有组织的字典。为此,我们留下了许多未解问题,涉及到桥梁环的约化和路径系统具有高桥梁环的极值边际。

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