We establish new algorithmic guarantees with matching hardness results for coloring and independent set problems in one-sided expanders and related classes of graphs. For example, given a $3$-colorable regular one-sided expander, we compute in polynomial time either an independent set of relative size at least $1/2-o(1)$ or a proper $3$-coloring for all but an $o(1)$ fraction of the vertices, where $o(1)$ stands for a function that tends to $0$ with the second largest eigenvalue of the normalized adjacency matrix. This result improves on recent seminal work of Bafna, Hsieh, and Kothari (STOC 2025) developing an algorithm that efficiently finds independent sets of relative size at least $0.01$ in such graphs. We also obtain an efficient $1.6667$-factor approximation algorithm for VERTEX COVER in sufficiently strong regular one-sided expanders, improving over a previous $(2-ε)$-factor approximation in such graphs for an unspecified constant $ε>0$. We propose a new stratification of $k$-COLORING in terms of $k$-by-$k$ matrices akin to predicate sets for constraint satisfaction problems. We prove that whenever this matrix has repeated rows, the corresponding coloring problem is NP-hard for one-sided expanders under the Unique Games Conjecture. On the other hand, if this matrix has no repeated rows, our algorithms can solve the corresponding coloring problem on one-sided expanders in polynomial time. As starting point for our algorithmic results, we show a property of graph spectra that, to the best of our knowledge, has not been observed before: The number of negative eigenvalues smaller than $-τ$ is at most $O(1/τ^{4})$ times the number of eigenvalues larger than $τ^{2}/2$. While this result allows us to bound the number of eigenvalues bounded away from $0$ in one-sided spectral expanders, this property alone is insufficient for our algorithmic results.


翻译:我们针对单侧扩展图及相关图类中的着色与独立集问题,建立了新的算法保证并匹配了相应的计算困难性结果。例如,给定一个可3着色的正则单侧扩展图,我们能在多项式时间内计算出一个相对规模至少为1/2-o(1)的独立集,或为除o(1)比例顶点外的所有顶点找到一个恰当的3着色方案,其中o(1)表示一个随归一化邻接矩阵的第二大特征值趋于零的函数。该结果改进了Bafna、Hsieh和Kothari(STOC 2025)近期开创性工作中提出的算法,该算法能在此类图中高效找到相对规模至少为0.01的独立集。我们还在足够强的正则单侧扩展图中获得了一个高效的1.6667因子近似算法用于求解顶点覆盖问题,改进了先前在此类图中未指定常数ε>0的(2-ε)因子近似结果。我们提出了一种基于k×k矩阵的k着色问题新分层方法,类似于约束满足问题的谓词集合。我们证明当该矩阵存在重复行时,在唯一游戏猜想下,对应的着色问题对于单侧扩展图是NP困难的。反之,若该矩阵无重复行,我们的算法能在多项式时间内求解单侧扩展图上的对应着色问题。作为算法结果的起点,我们展示了一个图谱性质(据我们所知此前未被观察到):小于-τ的负特征值数量至多是大于τ²/2的特征值数量的O(1/τ⁴)倍。虽然该结果允许我们界定单侧谱扩展图中远离零的特征值数量,但该性质本身不足以支撑我们的算法结果。

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