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计算机科学 > 数据结构与算法

arXiv:2501.12044 (cs)
[提交于 2025年1月21日 ]

标题: $O(1)$-多维网格图连通性、EMST和DBSCAN的回合MPC算法

标题: $O(1)$-Round MPC Algorithms for Multi-dimensional Grid Graph Connectivity, EMST and DBSCAN

Authors:Junhao Gan, Anthony Wirth, Zhuo Zhang
摘要: 在本文中,我们研究了大规模并行计算(MPC)模型中的三个基本问题:(i)网格图连通性,(ii)近似欧几里得最小生成树(EMST),以及(iii)近似DBSCAN。我们的第一个结果是一个$O(1)$轮拉斯维加斯(即以高概率成功)的MPC算法,用于计算$d$维$c$穿透网格图($(d,c)$网格图)上的连通分量,其中$d$和$c$都是正整数常量。 在这种网格图中,每个顶点都是$\mathbb{N}^d$中的整数坐标点,且只能在两个不同顶点之间的$\ell_\infty$-范数最多为$c$的情况下存在边。 据我们所知,目前在MPC模型中计算$(d,c)$-网格图的连通分量(CC's)的最佳现有结果是运行为通用图设计的最先进的MPC CC算法:它们分别达到$O(\log \log n + \log D)$[FOCS19]和$O(\log \log n + \log \frac{1}{\lambda})$[PODC19]轮次,其中$D$是{\em 直径},$\lambda$是图的{\em 谱隙}。 使用我们的网格图连通性技术,我们的第二个主要结果是计算近似欧几里得最小生成树的$O(1)$轮拉斯维加斯 MPC 算法。 此问题现有的最先进结果是 Andoni 等人提出的$O(1)$轮 MPC 算法 [STOC14],该算法仅在期望情况下保证整体权重的近似值。 相比之下,我们的算法不仅保证了确定性的整体权重近似,还实现了确定性的边级权重近似。后一种特性对许多应用至关重要,例如寻找双色最近邻和 DBSCAN 聚类。 最后但同样重要的是,我们的第三个主要结果是在$O(1)$维空间中计算近似 DBSCAN 聚类的$O(1)$轮拉斯维加斯 MPC 算法。
摘要: In this paper, we investigate three fundamental problems in the Massively Parallel Computation (MPC) model: (i) grid graph connectivity, (ii) approximate Euclidean Minimum Spanning Tree (EMST), and (iii) approximate DBSCAN. Our first result is a $O(1)$-round Las Vegas (i.e., succeeding with high probability) MPC algorithm for computing the connected components on a $d$-dimensional $c$-penetration grid graph ($(d,c)$-grid graph), where both $d$ and $c$ are positive integer constants. In such a grid graph, each vertex is a point with integer coordinates in $\mathbb{N}^d$, and an edge can only exist between two distinct vertices with $\ell_\infty$-norm at most $c$. To our knowledge, the current best existing result for computing the connected components (CC's) on $(d,c)$-grid graphs in the MPC model is to run the state-of-the-art MPC CC algorithms that are designed for general graphs: they achieve $O(\log \log n + \log D)$[FOCS19] and $O(\log \log n + \log \frac{1}{\lambda})$[PODC19] rounds, respectively, where $D$ is the {\em diameter} and $\lambda$ is the {\em spectral gap} of the graph. With our grid graph connectivity technique, our second main result is a $O(1)$-round Las Vegas MPC algorithm for computing approximate Euclidean MST. The existing state-of-the-art result on this problem is the $O(1)$-round MPC algorithm proposed by Andoni et al.[STOC14], which only guarantees an approximation on the overall weight in expectation. In contrast, our algorithm not only guarantees a deterministic overall weight approximation, but also achieves a deterministic edge-wise weight approximation.The latter property is crucial to many applications, such as finding the Bichromatic Closest Pair and DBSCAN clustering. Last but not the least, our third main result is a $O(1)$-round Las Vegas MPC algorithm for computing an approximate DBSCAN clustering in $O(1)$-dimensional space.
主题: 数据结构与算法 (cs.DS) ; 计算复杂性 (cs.CC); 计算几何 (cs.CG); 分布式、并行与集群计算 (cs.DC)
引用方式: arXiv:2501.12044 [cs.DS]
  (或者 arXiv:2501.12044v1 [cs.DS] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.12044
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Junhao Gan [查看电子邮件]
[v1] 星期二, 2025 年 1 月 21 日 11:04:16 UTC (1,031 KB)
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