Facets of Planar Graph Drawing

Abstract

This thesis makes a contribution to the field of Graph Drawing, with a focus on the planarity drawing convention. The following three problems are considered.

(1) Ordered Level Planarity:

We introduce and study the problem Ordered Level Planarity which asks for a planar drawing of a graph such that vertices are placed at prescribed positions in the plane and such that every edge is realized as a y-monotone curve. This can be interpreted as a variant of Level Planarity in which the vertices on each level appear in a prescribed total order. We establish a complexity dichotomy with respect to both the maximum degree and the level-width, that is, the maximum number of vertices that share a level. Our study of Ordered Level Planarity is motivated by connections to several other graph drawing problems. With reductions from Ordered Level Planarity, we show NP-hardness of multiple problems whose complexity was previously open, and strengthen several previous hardness results. In particular, our reduction to Clustered Level Planarity generates instances with only two nontrivial clusters. This answers a question posed by Angelini, Da Lozzo, Di Battista, Frati, and Roselli [2015]. We settle the complexity of the Bi-Monotonicity problem, which was proposed by Fulek, Pelsmajer, Schaefer, and Stefankovic [2013]. We also present a reduction to Manhattan Geodesic Planarity, showing that a previously [2009] claimed polynomial time algorithm is incorrect unless P=NP.

(2) Two-page book embeddings of triconnected planar graphs:

We show that every triconnected planar graph of maximum degree five is a subgraph of a Hamiltonian planar graph or, equivalently, it admits a two-page book embedding. In fact, our result is more general: we only require vertices of separating 3-cycles to have degree at most five, all other vertices may have arbitrary degree. This degree bound is tight: we describe a family of triconnected planar graphs that cannot be realized on two pages and where every vertex of a separating 3-cycle has degree at most six. Our results strengthen earlier work by Heath [1995] and by Bauernöppel [1987] and, independently, Bekos, Gronemann, and Raftopoulou [2016], who showed that planar graphs of maximum degree three and four, respectively, can always be realized on two pages. The proof is constructive and yields a quadratic time algorithm to realize the given graph on two pages.

(3) Convexity-increasing morphs:

We study the problem of convexifying drawings of planar graphs. Given any planar straight-line drawing of an internally 3-connected graph, we show how to morph the drawing to one with strictly convex faces while maintaining planarity at all times. Our morph is convexity-increasing, meaning that once an angle is convex, it remains convex. We give an efficient algorithm that constructs such a morph as a composition of a linear number of steps where each step either moves vertices along horizontal lines or moves vertices along vertical lines. Moreover, we show that a linear number of steps is worst-case optimal.

Diese Arbeit behandelt drei unterschiedliche Problemstellungen aus der Disziplin des Graphenzeichnens (Graph Drawing). Bei jedem der behandelten Probleme ist die gesuchte Darstellung planar.

(1) Ordered Level Planarity:

Wir führen das Problem Ordered Level Planarity ein, bei dem es darum geht, einen Graph so zu zeichnen, dass jeder Knoten an einer vorgegebenen Position der Ebene platziert wird und die Kanten als y-monotone Kurven dargestellt werden. Dies kann als eine Variante von Level Planarity interpretiert werden, bei der die Knoten jedes Levels in einer vorgeschriebenen Reihenfolge platziert werden müssen. Wir klassifizieren die Eingaben bezüglich ihrer Komplexität in Abhängigkeit von sowohl dem Maximalgrad, als auch der maximalen Anzahl von Knoten, die demselben Level zugeordnet sind. Wir motivieren die Ergebnisse, indem wir Verbindungen zu einigen anderen Graph Drawing Problemen herleiten: Mittels Reduktionen von Ordered Level Planarity zeigen wir die NP-Schwere einiger Probleme, deren Komplexität bislang offen war. Insbesondere wird gezeigt, dass Clustered Level Planarity bereits für Instanzen mit zwei nichttrivialen Clustern NP-schwer ist, was eine Frage von Angelini, Da Lozzo, Di Battista, Frati und Roselli [2015] beantwortet. Wir zeigen die NP-Schwere des Bi-Monotonicity Problems und beantworten damit eine Frage von Fulek, Pelsmajer, Schaefer und Stefankovic [2013]. Außerdem wird eine Reduktion zu Manhattan Geodesic Planarity angegeben. Dies zeigt, dass ein bestehender [2009] Polynomialzeitalgorithmus für dieses Problem inkorrekt ist, es sei denn, dass P=NP ist.

(2) Bucheinbettungen von dreifach zusammenhängenden planaren Graphen mit zwei Seiten:

Wir zeigen, dass jeder dreifach zusammenhängende planare Graph mit Maximalgrad 5 Teilgraph eines Hamiltonischen planaren Graphen ist. Dies ist äquivalent dazu, dass ein solcher Graph eine Bucheinbettung auf zwei Seiten hat. Der Beweis ist konstruktiv und zeigt in der Tat sogar, dass es für die Realisierbarkeit nur notwendig ist, den Grad von Knoten separierender 3-Kreise zu beschränken - die übrigen Knoten können beliebig hohe Grade aufweisen. Dieses Ergebnis ist bestmöglich: Wenn die Gradschranke auf 6 abgeschwächt wird, gibt es Gegenbeispiele. Diese Ergebnisse verbessern Resultate von Heath [1995] und von Bauernöppel [1987] und, unabhängig davon, Bekos, Gronemann und Raftopoulou [2016], die gezeigt haben, dass planare Graphen mit Maximalgrad 3 beziehungsweise 4 auf zwei Seiten realisiert werden können.

(3) Konvexitätssteigernde Deformationen:

Wir zeigen, dass jede planare geradlinige Zeichnung eines intern dreifach zusammenhängenden planaren Graphen stetig zu einer solchen deformiert werden kann, in der jede Fläche ein konvexes Polygon ist. Dabei erhält die Deformation die Planarität und ist konvexitätssteigernd - sobald ein Winkel konvex ist, bleibt er konvex. Wir geben einen effizienten Algorithmus an, der eine solche Deformation berechnet, die aus einer asymptotisch optimalen Anzahl von Schritten besteht. In jedem Schritt bewegen sich entweder alle Knoten entlang horizontaler oder entlang vertikaler Geraden.