In the spanning tree congestion problem, given a connected graph $G$, the objective is to compute a spanning tree $T$ in $G$ that minimizes its maximum edge congestion, where the congestion of an edge $e$ of $T$ is the number of edges in $G$ for which the unique path in $T$ between their endpoints traverses $e$. The problem is known to be $\mathbb{NP}$-hard, but its approximability is still poorly understood. In the decision version of this problem, denoted $K-\textsf{STC}$, we need to determine if $G$ has a spanning tree with congestion at most $K$. It is known that $K-\textsf{STC}$ is $\mathbb{NP}$-complete for $K\ge 8$. On the other hand, $3-\textsf{STC}$ can be solved in polynomial time, with the complexity status of this problem for $K\in \{4,5,6,7\}$ remaining an open problem. We substantially improve the earlier hardness results by proving that $K-\textsf{STC}$ is $\mathbb{NP}$-complete for $K\ge 5$. This leaves only the case $K=4$ open, and improves the lower bound on the approximation ratio to $1.2$. Motivated by evidence that minimizing congestion is hard even for graphs of small constant radius, we consider $K-\textsf{STC}$ restricted to graphs of radius $2$, and we prove that this variant is $\mathbb{NP}$-complete for all $K\ge 6$. Exploring further in this direction, we also examine the variant, denoted $K-\textsf{STC}D$, where the objective is to determine if the graph has a depth-$D$ spanning three of congestion at most $K$. We prove that $6-\textsf{STC}2$ is $\mathbb{NP}$-complete even for bipartite graphs. For bipartite graphs we establish a tight bound, by also proving that $5-\textsf{STC}2$ is polynomial-time solvable. Additionally, we complement this result with polynomial-time algorithms for two special cases that involve bipartite graphs and restrictions on vertex degrees.


翻译:在生成树拥塞问题中,给定连通图$G$,目标是计算$G$中的一棵生成树$T$,使其最大边拥塞度最小化,其中$T$的边$e$的拥塞度定义为$G$中端点间唯一路径经过$e$的边数。该问题已知为$\mathbb{NP}$-难,但其可逼近性仍知之甚少。在该问题的判定版本(记为$K-\textsf{STC}$)中,我们需要判断$G$是否存在拥塞度不超过$K$的生成树。已知当$K\ge 8$时,$K-\textsf{STC}$是$\mathbb{NP}$-完全的;另一方面,$3-\textsf{STC}$可在多项式时间内求解,而$K\in \{4,5,6,7\}$时的复杂度状态仍是开放问题。我们通过证明$K\ge 5$时$K-\textsf{STC}$是$\mathbb{NP}$-完全的,显著改进了先前的硬度结果。这仅留下$K=4$的情况未解,并将近似比下界提升至$1.2$。鉴于即使对于常数小半径的图,最小化拥塞度也难以处理的证据,我们考虑限制于半径$2$的图的$K-\textsf{STC}$,并证明该变体对所有$K\ge 6$是$\mathbb{NP}$-完全的。沿此方向进一步探索,我们还研究了记为$K-\textsf{STC}D$的变体,其目标是判断图是否存在深度为$D$且拥塞度不超过$K$的生成树。我们证明即使对于二分图,$6-\textsf{STC}2$也是$\mathbb{NP}$-完全的。对于二分图,我们通过同时证明$5-\textsf{STC}2$可在多项式时间内求解,建立了紧界。此外,我们针对涉及二分图和顶点度限制的两个特殊情形,以多项式时间算法补充了这一结果。

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