Given a set of points $P = (P^+ \sqcup P^-) \subset \mathbb{R}^d$ for some constant $d$ and a supply function $\mu:P\to \mathbb{R}$ such that $\mu(p) > 0~\forall p \in P^+$, $\mu(p) < 0~\forall p \in P^-$, and $\sum_{p\in P}{\mu(p)} = 0$, the geometric transportation problem asks one to find a transportation map $\tau: P^+\times P^-\to \mathbb{R}_{\ge 0}$ such that $\sum_{q\in P^-}{\tau(p, q)} = \mu(p)~\forall p \in P^+$, $\sum_{p\in P^+}{\tau(p, q)} = -\mu(q)~ \forall q \in P^-$, and the weighted sum of Euclidean distances for the pairs $\sum_{(p,q)\in P^+\times P^-}\tau(p, q)\cdot ||q-p||_2$ is minimized. We present the first deterministic algorithm that computes, in near-linear time, a transportation map whose cost is within a $(1 + \varepsilon)$ factor of optimal. More precisely, our algorithm runs in $O(n\varepsilon^{-(d+2)}\log^5{n}\log{\log{n}})$ time for any constant $\varepsilon > 0$. Surprisingly, our result is not only a generalization of a bipartite matching one to arbitrary instances of geometric transportation, but it also reduces the running time for all previously known $(1 + \varepsilon)$-approximation algorithms, randomized or deterministic, even for geometric bipartite matching. In particular, we give the first $(1 + \varepsilon)$-approximate deterministic algorithm for geometric bipartite matching and the first $(1 + \varepsilon)$-approximate deterministic or randomized algorithm for geometric transportation with no dependence on $d$ in the exponent of the running time's polylog. As an additional application of our main ideas, we also give the first randomized near-linear $O(\varepsilon^{-2} m \log^{O(1)} n)$ time $(1 + \varepsilon)$-approximation algorithm for the uncapacitated minimum cost flow (transshipment) problem in undirected graphs with arbitrary real edge costs.


翻译:给定点集 $P = (P^+ \sqcup P^-) \subset \mathbb{R}^d$(其中 $d$ 为常数),以及供给函数 $\mu:P\to \mathbb{R}$,满足 $\mu(p) > 0~\forall p \in P^+$,$\mu(p) < 0~\forall p \in P^-$,且 $\sum_{p\in P}{\mu(p)} = 0$。几何运输问题要求寻找运输映射 $\tau: P^+\times P^-\to \mathbb{R}_{\ge 0}$,使得 $\sum_{q\in P^-}{\tau(p, q)} = \mu(p)~\forall p \in P^+$,$\sum_{p\in P^+}{\tau(p, q)} = -\mu(q)~ \forall q \in P^-$,并最小化配对间欧氏距离的加权和 $\sum_{(p,q)\in P^+\times P^-}\tau(p, q)\cdot ||q-p||_2$。我们提出了首个确定性算法,能够在近线性时间内计算成本在最优解 $(1 + \varepsilon)$ 因子内的运输映射。更精确地,对于任意常数 $\varepsilon > 0$,该算法的时间复杂度为 $O(n\varepsilon^{-(d+2)}\log^5{n}\log{\log{n}})$。令人惊讶的是,我们的结果不仅将二分图匹配问题推广至任意几何运输实例,还降低了所有已知 $(1 + \varepsilon)$-近似算法(包括随机化或确定性算法)的运行时间,甚至对于几何二分图匹配也是如此。特别地,我们给出了首个针对几何二分图匹配的 $(1 + \varepsilon)$-近似确定性算法,以及首个针对几何运输的 $(1 + \varepsilon)$-近似确定或随机化算法,其运行时间的多对数项指数中不依赖于 $d$。作为核心思想的一个附加应用,我们还给出了首个随机化近线性时间 $O(\varepsilon^{-2} m \log^{O(1)} n)$ 的 $(1 + \varepsilon)$-近似算法,用于解决无向图中具有任意实数边成本的无容量最小成本流(转运)问题。

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