Given a point set $P$ in the Euclidean plane and a parameter $t$, we define an \emph{oriented $t$-spanner} $G$ as an oriented subgraph of the complete bi-directed graph such that for every pair of points, the shortest closed walk in $G$ through those points is at most a factor $t$ longer than the shortest cycle in the complete graph on $P$. We investigate the problem of computing sparse graphs with small oriented dilation. As we can show that minimising oriented dilation for a given number of edges is NP-hard in the plane, we first consider one-dimensional point sets. While obtaining a $1$-spanner in this setting is straightforward, already for five points such a spanner has no plane embedding with the leftmost and rightmost point on the outer face. This leads to restricting to oriented graphs with a one-page book embedding on the one-dimensional point set. For this case we present a dynamic program to compute the graph of minimum oriented dilation that runs in $O(n^7)$ time for $n$ points, and a greedy algorithm that computes a $5$-spanner in $O(n\log n)$ time. Expanding these results finally gives us a result for two-dimensional point sets: we prove that for convex point sets the greedy triangulation results in a plane oriented $t$-spanner with $t=19 \cdot t_g$, where $t_g$ is a upper bound on the dilation of the greedy triangulation.


翻译:给定欧几里得平面上的点集$P$和参数$t$,我们将\emph{定向$t$-生成树}$G$定义为完全双向图的一个定向子图,使得对于任意点对,$G$中经过这些点的最短闭合路径长度至多是$P$上完全图中最短环长度的$t$倍。我们研究了计算具有小定向扩张系数的稀疏图问题。由于可以证明在平面上对给定边数最小化定向扩张系数是NP难问题,我们首先考虑一维点集。虽然在此设置下获得$1$-生成树较为直接,但即使对于五个点,此类生成树也无法实现最左与最右点同时位于外表面的平面嵌入。这导致我们限制研究具有一维点集上单页书嵌入的定向图。针对这种情况,我们提出了一个动态规划算法来计算最小定向扩张系数的图,该算法在$n$个点上运行时间为$O(n^7)$;同时提出一个贪心算法,可在$O(n\log n)$时间内计算$5$-生成树。扩展这些结果最终给出了二维点集的结论:我们证明对于凸点集,贪心三角剖分可产生平面定向$t$-生成树,其中$t=19 \cdot t_g$,而$t_g$是贪心三角剖分扩张系数的上界。

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