The ubiquity of massive graph data sets in numerous applications requires fast algorithms for extracting knowledge from these data. We are motivated here by three electrical measures for the analysis of large small-world graphs $G = (V, E)$ -- i.e., graphs with diameter in $O(\log |V|)$, which are abundant in complex network analysis. From a computational point of view, the three measures have in common that their crucial component is the diagonal of the graph Laplacian's pseudoinverse, $L^\dagger$. Computing diag$(L^\dagger)$ exactly by pseudoinversion, however, is as expensive as dense matrix multiplication -- and the standard tools in practice even require cubic time. Moreover, the pseudoinverse requires quadratic space -- hardly feasible for large graphs. Resorting to approximation by, e.g., using the Johnson-Lindenstrauss transform, requires the solution of $O(\log |V| / \epsilon^2)$ Laplacian linear systems to guarantee a relative error, which is still very expensive for large inputs. In this paper, we present a novel approximation algorithm that requires the solution of only one Laplacian linear system. The remaining parts are purely combinatorial -- mainly sampling uniform spanning trees, which we relate to diag$(L^\dagger)$ via effective resistances. For small-world networks, our algorithm obtains a $\pm \epsilon$-approximation with high probability, in a time that is nearly-linear in $|E|$ and quadratic in $1 / \epsilon$. Another positive aspect of our algorithm is its parallel nature due to independent sampling. We thus provide two parallel implementations of our algorithm: one using OpenMP, one MPI + OpenMP. In our experiments against the state of the art, our algorithm (i) yields more accurate results, (ii) is much faster and more memory-efficient, and (iii) obtains good parallel speedups, in particular in the distributed setting.


翻译:大量图形数据集在众多应用中的常态性要求快速算法从这些数据中提取知识。 我们在这里受到三个电量的驱动, 用于分析大型小世界图形$G = (V,E)$ -- 即直径为$O(log) = ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 。 从计算角度来看, 三种测量方法的共同点是, 它们的关键成分是 图表的二进制, 直线的正反面值, 美元。 计算机的二进制 $(L ⁇ dag ), 完全以伪反向计算, 标准工具甚至需要立立立方时间。 此外, 伪需要四进制空间, 对大图来说几乎不可行。 重新定位到接近, 例如, 使用约翰逊- 递进方的转法, 需要用一种正向下方的亚值。

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