Computing the diameter of a graph, i.e. the largest distance, is a fundamental problem that is central in fine-grained complexity. In undirected graphs, the Strong Exponential Time Hypothesis (SETH) yields a lower bound on the time vs. approximation trade-off that is quite close to the upper bounds. In \emph{directed} graphs, however, where only some of the upper bounds apply, much larger gaps remain. Since $d(u,v)$ may not be the same as $d(v,u)$, there are multiple ways to define the problem, the two most natural being the \emph{(one-way) diameter} ($\max_{(u,v)} d(u,v)$) and the \emph{roundtrip diameter} ($\max_{u,v} d(u,v)+d(v,u)$). In this paper we make progress on the outstanding open question for each of them. -- We design the first algorithm for diameter in sparse directed graphs to achieve $n^{1.5-\varepsilon}$ time with an approximation factor better than $2$. The new upper bound trade-off makes the directed case appear more similar to the undirected case. Notably, this is the first algorithm for diameter in sparse graphs that benefits from fast matrix multiplication. -- We design new hardness reductions separating roundtrip diameter from directed and undirected diameter. In particular, a $1.5$-approximation in subquadratic time would refute the All-Nodes $k$-Cycle hypothesis, and any $(2-\varepsilon)$-approximation would imply a breakthrough algorithm for approximate $\ell_{\infty}$-Closest-Pair. Notably, these are the first conditional lower bounds for diameter that are not based on SETH.


翻译:计算图的直径(即最大距离)是一个基础问题,在细粒度复杂度理论中处于核心地位。在无向图中,强指数时间假设(SETH)给出的时间与近似度权衡下界与上界非常接近。然而,在有向图中——其中仅有部分上界适用——仍存在更大的差距。由于d(u,v)可能不等于d(v,u),该问题有多个定义方式,其中最自然的两种是(单向)直径(max_{(u,v)} d(u,v))和往返直径(max_{u,v} d(u,v)+d(v,u))。在本文中,我们针对这两个悬而未决的开放问题取得了进展。——我们设计了首个稀疏有向图直径算法,能够在n^{1.5-ε}时间复杂度内实现优于2的近似比。这一新的上界权衡使得有向图情况更接近无向图情况。值得注意的是,这是首个从快速矩阵乘法中获益的稀疏图直径算法。——我们设计了新的难度归约,将往返直径与有向图直径和无向图直径区分开来。特别地,亚二次时间内的1.5-近似将否定全节点k-环假设,而任何(2-ε)-近似将意味着在近似ℓ∞-最近点对问题上取得突破性算法。值得注意的是,这是首个非基于SETH的直径条件下界。

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