Lagrangian Relaxation for the k-Median Problem: New Insights and Continuity Properties

https://people.orie.cornell.edu/shmoys/pdf/kmedian-esa.pdf

这篇文章是对于 JV algorithm 的改进。JV 对于 facility location 问题可以得到一个 3-approx 的 LMP。根据 facility location 和 k-median 的转化关系，如果存在 \(z\) 使得 JV 对于 \(z\) 为设施开放成本的 facility location 能够输出一个开放 \(k\) 个设施的解，那么就对于 k-median 也得到了一个 3-approx。但遗憾的是，JV 随着 \(z\) 的变化，开放的设施数量并不是连续的，所以如果使用 JV 来解 k-median 可能需要选择参数 \(z_1,z_2\) 得到两个解 \(\mathcal S_1,\mathcal S_2\) 满足 \(|\mathcal S_1|\le k \le |\mathcal S_2|\)，即一个 3-approx 的 bi-point solution，而从 bi-point solution 转化到整数解会再损失一个 2，所以最终是 6-approx 的。

本文修改 JV 使得其具有了连续性的性质，但是本文的需要求最大独立集，所以不是多项式复杂度的。（与之对比，JV 只需要求一个极大独立集，JV 具体流程可以看这一篇博客）所以得到了一个只基于线性规划的 3-approx 的算法，这说明了 k-median 的 LP 的 integrality-gap 不会超过 3，即 \(opt/LP\le 3\)。（如果存在一个 instance 满足 \(opt> 3LP\)，那么算法给出一个成本不超过 \(3LP<opt\) 的解，矛盾）

那为什么存在一些 k-median 的算法的近似比小于 3，不能说明 integrality-gap 的上界更小呢？因为这些算法并不是完全基于 LP 的，如这篇 \(1+\sqrt3\) 的文章。考虑下面这个经典的 gap 2 的情况。

这篇文章的思路就是通过多开一些设施，使得整数最优解 opt 减少，但仍和开放 \(k\) 个的 LP 比较，这样会使得 integrality-gap 下降。如果允许开 \(k+1\) 个设施，那么上面这个星型图的整数最优解可以达到 0。考虑一些更复杂的情况，整个 instance 包含 2 个上面这样的星型，这样 LP 约为 2，可以在第一个星型中开放 \(k+1\) 个叶子，cost 为 0；在第二个星型中开放 \(k-2\) 个叶子以及中心，这样 cost 为 3。所以 integrality gap 为 \((0+3)/2=1.5\)，可以看到多开放设施对于复杂的 instance 也可以降低 integrality gap。

JV 回顾

初始所有变量均为 0，令所有用户均为活跃状态，所有活跃用户的 \(v_j\) 均匀增加。

当 \(v_j\) 增加到 \(c_{ij}\) 时，称 \((i,j)\) 这条边变紧了。这个时候为了满足对偶规划的限制，增加 \(v_j\) 的同时也需要增加 \(w_{ij}\)。

当 \(w_{ij}\) 增加到一定程度时，会使得某些设施的限制 \(\sum_{j\in C}w_{ij}\le f_i\) 变紧，这个时候称设施 \(i\) 变紧，\(i\) 进入待开放状态。这个时候对 \(i\) 有贡献的用户 \(j\) （\(v_j\ge c_{ij}\)）不能再继续增加，使得这些 \(j\) 变为不活跃。还可能出现一种情况是 \(i\) 变紧后，用户 \(j\) 因为对 \(i\) 还没有贡献仍然活跃，但当 \((i,j)\) 变紧时，接下来继续进行的话也会对 \(i\) 产生贡献，需要令 \(j\) 变为不活跃。

进行完这一阶段后，构建一个二分图 \(H(z)\)，\(z\) 表示设施开放的成本。如果 \(w_{ij}>0\) 则将边 \((i,j)\) 加入 \(H(z)\)。再构建冲突图 \(G(z)\)，这个图仅包含待开放设施，如果两个设施之间存在冲突边，当且仅当在 \(H(z)\) 中存在他们存在一个公共的邻居。JV 算法选择的是 \(G(z)\) 的一个极大独立集。

JV 的不连续性

考虑上图左图，令所有的 \(\epsilon\) 均为 0，中心有一个设施，\(h\) 个 arm 端点上一个设施一个用户，到中心距离为 1。

那么当 \(z=z_0 = 1+\frac{1}{h-1}\) 时，开放中心的 cost 为 \(z_0+h = h+1+\frac{1}{h-1}\)，开放 \(h\) 个 arm facility 时，cost 为 \(z_0h = h+\frac{h}{h-1}=h+1+\frac{1}{h-1}\)。所以当 \(z<z_0\) 时，会开放 \(h\) 个 facility；当 \(z>z_0\) 时，只开放中心的 1 个 facility。JV 的开放设施数量在 \(z_0\) 处不是连续的。

如果像上图那样给每个设施加一个偏移量，\(0=\epsilon_1<\dots<\epsilon_h\)，那么会出现一系列的 critical value \(z_1,\dots,z_h\) 使得 \(z\) 每经过一个 critical value，开放设施的变化数量为 1，如上图右图。

退化性

定义在 JV 阶段一中边变紧和设施变紧为两种事件，如果一个 k-median 的 instance 是退化的，当且仅当存在一个时间点上至少有 3 个事件同时发生 或 至少两个时间点上有两个事件同时发生。

这篇文章将 k-median 的 instance 转化到 \(\mathbb R^{\mathcal C\times \mathcal F}_+\) 上，theorem3：

转化后退化的 instance 的测度为 0，应该就是不需要考虑退化的 instance 的意思。证明在全文版本中，但我并没有找到。

之后对于非退化的 instance 分析，这里的对 critical value 的正式定义为：使用该 value 作为开放成本进行算法，存在一个时间点，两个事件同时发生。

这里就是具体分析，当 \(z\) 越过一个 critical value 时，\(H(z)\) 会如何变化，\(G(z)\) 如何变化。因为只需要对非退化的 instance 分析，只需要分析六种情况。

注意边变紧的时间都是在固定时刻的（如果可以变紧），设施变紧的时间受 \(z\) 的影响。

其中 case1 是说随着 z 的变化，两个设施变紧的时间的顺序发生了改变，这是由于对于不同的设施，对其有贡献的用户数量不同，增长率不同。

这几种情况的分析都是细节问题，不具体展开了。