In 1996, Reed, Robertson, Seymour and Thomas [Combinatorica 1996] proved Younger's Conjecture, which states that, for all directed graphs $D$, there exists a function $f$ such that, if $D$ does not contain $k$ disjoint cycles, then $D$ contains a feedback vertex set, i.e.~a subset of vertices whose deletion renders the graph acyclic, of size bounded by $f(k)$. However, the function obtained by Reed, Robertson, Seymour and Thomas in their paper is enormous and, in fact, not even elementary. We prove the first elementary upper bound for the function $f$ above, showing it is upper-bounded by a power tower of height 8. Our proof is inspired by the breakthrough result of Chekuri and Chuzhoy [J.~ACM 2016], who proved a polynomial bound for the Excluded Grid Theorem for undirected graphs. We translate a key concept of their proof to directed graphs by introducing \emph{paths of well-linked sets (PWS)}, and show that any digraph of large directed treewidth contains a large PWS, which in turn contains a large fence. We believe that the theoretical tools developed in this work may find applications beyond the results above, in a similar way as the path-of-sets-system framework due to Chekuri and Chuzhoy [J.~ACM 2016] did for undirected graphs (see, for example, Hatzel, Komosa, Pilipczuk and Sorge [Discret.~Math.~Theor.~Comput.~Sci.~2022], Chekuri and Chuzhoy [SODA 2015] and Chuzhoy and Nimavat [arXiv 2019]). Indeed, in a follow-up paper, we apply this framework to improve the bounds of the Directed Grid Theorem.


翻译:1996年,Reed、Robertson、Seymour和Thomas [Combinatorica 1996] 证明了Younger猜想,该猜想断言:对于所有有向图 $D$,存在一个函数 $f$,使得若 $D$ 不包含 $k$ 个不相交的环,则 $D$ 包含一个反馈顶点集(即删除该顶点子集可使图变为无环的),其大小受 $f(k)$ 限制。然而,Reed、Robertson、Seymour和Thomas在其论文中得到的函数极其巨大,甚至不是初等函数。我们首次证明了上述函数 $f$ 具有初等上界,表明其受限于一个高度为8的幂塔。我们的证明受到Chekuri和Chuzhoy [J.~ACM 2016] 突破性结果的启发,他们证明了无向图排除网格定理的多项式界。通过引入\emph{良连通集路径(PWS)},我们将他们证明中的一个关键概念推广到有向图,并证明任何具有大有向树宽的有向图都包含一个大的PWS,而该PWS又包含一个大的栅栏结构。我们相信,本工作所发展的理论工具可能超越上述结果得到更广泛的应用,正如Chekuri和Chuzhoy [J.~ACM 2016] 提出的集合系统路径框架在无向图领域所产生的深远影响(参见例如Hatzel、Komosa、Pilipczuk和Sorge [Discret.~Math.~Theor.~Comput.~Sci.~2022]、Chekuri和Chuzhoy [SODA 2015] 以及Chuzhoy和Nimavat [arXiv 2019])。事实上,在一篇后续论文中,我们将应用此框架来改进有向网格定理的界。

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