There has been considerable recent interest in computing a diverse collection of solutions to a given optimization problem, both in the AI and theory communities. Given a classical optimization problem $\Pi$ (e.g., spanning tree, minimum cuts, maximum matching, minimum vertex cover) with input size $n$ and an integer $k\geq 1$, the goal is to generate a collection of $k$ maximally diverse solutions to $\Pi$. This diverse-X paradigm not only allows the user to generate very different solutions, but also helps make systems more secure and robust by handling uncertainty, and achieve energy efficiency. For problems $\Pi$ in P (such as spanning tree and minimum cut), there are efficient $\text{poly}(n,k)$ approximation algorithms available for the diverse variants [Hanaka et al. AAAI 2021, 2022, 2023, Gao et al. LATIN 2022, de Berg et al. ISAAC 2023]. In contrast, only FPT algorithms are known for NP-hard problems such as vertex covers and independent sets [Baste et al. IJCAI 2020, Eiben et al. SODA 2024, Misra et al. ISAAC 2024, Austrin et al. ICALP 2025], but in the worst case, these algorithms run in time $\exp((kn)^c)$ for some $c>0$. In this work, we address this gap and give $\text{poly}(n,k)$ or $f(k)\text{poly}(n)$ time approximation algorithms for diversification variants of several NP-hard problems such as knapsack, maximum weight independent sets (MWIS) and minimum vertex covers in planar graphs, geometric (rectangle) knapsack, enclosing points by polygon, and MWIS in unit-disk-graphs of points in convex position. Our results are achieved by developing a general framework and applying it to problems with textbook dynamic-programming algorithms to find one solution.


翻译:近年来,在人工智能和理论计算机科学领域,针对给定优化问题计算多样化解集合的研究引起了广泛关注。给定一个经典优化问题Π(例如生成树、最小割、最大匹配、最小顶点覆盖),其输入规模为n且整数k≥1,目标是为Π生成包含k个最大程度多样化解的集合。这种多样化范式不仅允许用户生成差异显著的解,还能通过处理不确定性增强系统的安全性与鲁棒性,并实现能效优化。对于P类问题(如生成树和最小割),其多样化变体已存在高效的poly(n,k)近似算法[Hanaka等人,AAAI 2021、2022、2023;Gao等人,LATIN 2022;de Berg等人,ISAAC 2023]。相比之下,针对NP难问题(如顶点覆盖和独立集),目前仅知固定参数可解(FPT)算法[Baste等人,IJCAI 2020;Eiben等人,SODA 2024;Misra等人,ISAAC 2024;Austrin等人,ICALP 2025],但这些算法在最坏情况下的运行时间可能达到exp((kn)^c)(其中c>0)。本研究致力于填补这一空白,针对多个NP难问题的多样化变体(包括背包问题、平面图最大权独立集(MWIS)与最小顶点覆盖、几何(矩形)背包问题、多边形包围点问题,以及凸位置点集单位圆图MWIS),提出了poly(n,k)或f(k)poly(n)时间复杂度的近似算法。我们的成果通过构建通用框架实现,并将其应用于具有经典动态规划求解算法的问题。

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