<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.4 20241031//EN" "JATS-journalpublishing1-4.dtd">
<article xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" article-type="research-article" dtd-version="1.4" xml:lang="en">
  <front>
    <journal-meta>
      <journal-id journal-id-type="publisher-id">ojdm</journal-id>
      <journal-title-group>
        <journal-title>Open Journal of Discrete Mathematics</journal-title>
      </journal-title-group>
      <issn pub-type="epub">2161-7643</issn>
      <issn pub-type="ppub">2161-7635</issn>
      <publisher>
        <publisher-name>Scientific Research Publishing</publisher-name>
      </publisher>
    </journal-meta>
    <article-meta>
      <article-id pub-id-type="doi">10.4236/ojdm.2026.164005</article-id>
      <article-id pub-id-type="publisher-id">ojdm-154106</article-id>
      <article-categories>
        <subj-group>
          <subject>Article</subject>
        </subj-group>
        <subj-group>
          <subject>Physics</subject>
          <subject>Mathematics</subject>
        </subj-group>
      </article-categories>
      <title-group>
        <article-title>On Packing Edge-Disjoint Cycles in Digraphs and Its Applications in Connectivity Problems</article-title>
      </title-group>
      <contrib-group>
        <contrib contrib-type="author">
          <name name-style="western">
            <surname>Melkonian</surname>
            <given-names>Vardges</given-names>
          </name>
          <xref ref-type="aff" rid="aff1">1</xref>
        </contrib>
      </contrib-group>
      <aff id="aff1"><label>1</label> Department of Mathematics, Ohio University, Athens, Ohio, USA </aff>
      <author-notes>
        <fn fn-type="conflict" id="fn-conflict">
          <p>The author declares no conflicts of interest regarding the publication of this paper.</p>
        </fn>
      </author-notes>
      <pub-date pub-type="epub">
        <day>02</day>
        <month>09</month>
        <year>2026</year>
      </pub-date>
      <pub-date pub-type="collection">
        <month>09</month>
        <year>2026</year>
      </pub-date>
      <volume>16</volume>
      <issue>04</issue>
      <fpage>49</fpage>
      <lpage>64</lpage>
      <history>
        <date date-type="received">
          <day>18</day>
          <month>08</month>
          <year>2026</year>
        </date>
        <date date-type="accepted">
          <day>20</day>
          <month>09</month>
          <year>2026</year>
        </date>
        <date date-type="published">
          <day>23</day>
          <month>09</month>
          <year>2026</year>
        </date>
      </history>
      <permissions>
        <copyright-statement>© 2026 by the authors and Scientific Research Publishing Inc.</copyright-statement>
        <copyright-year>2026</copyright-year>
        <license license-type="open-access">
          <license-p> This article is an open access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license ( <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/</ext-link> ). </license-p>
        </license>
      </permissions>
      <self-uri content-type="doi" xlink:href="https://doi.org/10.4236/ojdm.2026.164005">https://doi.org/10.4236/ojdm.2026.164005</self-uri>
      <abstract>
        <p>We consider the problem of packing edge-disjoint cycles in digraphs. It is shown that for <inline-formula><mml:math></mml:math></inline-formula></p>
        <p>k=2,3</p>
        <p>, any digraph with minimum degree <inline-formula><mml:math></mml:math></inline-formula></p>
        <p>k</p>
        <p>contains at least <inline-formula><mml:math></mml:math></inline-formula></p>
        <p>k+1</p>
        <p>edge-disjoint directed cycles of size <inline-formula><mml:math></mml:math></inline-formula></p>
        <p>≥k</p>
        <p>. In each of these two cases, examples are given to show that <inline-formula><mml:math></mml:math></inline-formula></p>
        <p>k+1</p>
        <p>edge-disjoint directed cycles is the best we can achieve. These results are applied to obtain approximation algorithms for <inline-formula><mml:math></mml:math></inline-formula></p>
        <p>k</p>
        <p>-node-connectivity problems.</p>
      </abstract>
      <kwd-group kwd-group-type="author-generated" xml:lang="en">
        <kwd>Directed Graphs</kwd>
        <kwd>Cycle Packing</kwd>
        <kwd>Node Connectivity</kwd>
        <kwd>Approximation Algorithms</kwd>
      </kwd-group>
    </article-meta>
  </front>
  <body>
    <sec id="sec1">
      <title>1. Introduction</title>
      <p>We consider the following fundamental problem in algorithmic graph theory. Given a digraph <inline-formula><mml:math><mml:mi> G </mml:mi></mml:math></inline-formula> , how many edge-disjoint <italic>directed</italic> cycles can be packed into <inline-formula><mml:math><mml:mi> G </mml:mi></mml:math></inline-formula> ? Throughout the paper, a cycle in a digraph always means a directed cycle. Problems concerning packing edge-disjoint or vertex-disjoint directed cycles in directed graphs have been studied extensively [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>]-[<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>]. It is well-known that computing the maximum size of a set of arc-disjoint directed cycles is an NP-hard problem. More broadly, understanding how degree constraints and degree sequences dictate structural properties in directed graph models—from random geometric digraphs [<xref ref-type="bibr" rid="B5">5</xref>] to general network topologies—remains a central theme in digraph theory.</p>
      <p>In this paper, we consider the special cases when indegree and outdegree of every node of digraph <inline-formula><mml:math><mml:mi> G </mml:mi></mml:math></inline-formula> is (i) ≥2, (ii) ≥3. For the first case, we show that there are at least three edge-disjoint cycles in <inline-formula><mml:math><mml:mi> G </mml:mi></mml:math></inline-formula> . For the second case, we are interested not just in any cycles but in cycles of size ≥3. We show that in this case there are at least four edge-disjoint cycles of size ≥3 in <inline-formula><mml:math><mml:mi> G </mml:mi></mml:math></inline-formula> . We also give bad case examples where three and four edge-disjoint cycles, for cases (i) and (ii) correspondingly, are the best we can achieve.</p>
      <p>In a related work, Alon <italic>et al</italic>. [<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>] showed that a <inline-formula><mml:math><mml:mi> k </mml:mi></mml:math></inline-formula> -regular directed graph contains a collection of at least <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mn> 5 </mml:mn><mml:mi> k </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> / </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> edge-disjoint cycles. For <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , like our result, this gives three directed cycles. However, the digraphs considered in our case are more general and do not have the nice property of being regular. For <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the number of cycles in [<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>] is 5.5 versus 4 n our result. But the cycles found in our case are of size ≥3 which is motivated by the application discussed later; and again, we consider digraphs which are more general than 3-regular digraphs.</p>
      <p>We also apply our results to node connectivity problems. We consider the problem of finding a minimum-weight 2-node-connected (3-node-connected) subgraph of a digraph where the indegrees and outdegrees of the nodes are ≥2 (≥3). The node connectivity problems are NP-hard, and we show that our results of finding edge-disjoint cycles lead to approximation algorithms for those problems.</p>
      <p>The paper is organized as follows. In Sections 2 and 3, we give the algorithms of finding edge-disjoint directed cycles and the worst case examples. In Section 4, these results are used to find approximation algorithms for the node connectivity problems.</p>
    </sec>
    <sec id="sec2">
      <title>2. Packing Cycles in Digraphs with Minimum Degree 2</title>
      <p>In this section we show that in any digraph <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> G </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> E </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> such that the outdegree and the indegree of any node is at least two (particularly, in any 2-node-connected digraph) there are at least three edge-disjoint directed cycles.</p>
      <p><bold>Definition 1</bold><italic>A</italic><bold>trip</bold><italic>is a traversal along the arcs of a directed path such that no arc in the path belongs to any previously constructed directed cycle</italic>.<italic>A trip is called</italic><bold>forward</bold><italic>if we traverse each arc</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>from</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> a </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>to</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> b </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>; it is called</italic><bold>backward</bold><italic>if each</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is traversed from</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> b </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>to</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> a </mml:mi></mml:math></inline-formula> . </p>
      <p>Unless specified differently, by a trip we will mean a forward trip.</p>
      <p><bold>Definition 2</bold><italic>A digraph is called</italic><bold>balanced</bold><italic>if</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> outdegree </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mtext> indegree </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>for any node</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> v </mml:mi></mml:math></inline-formula> . </p>
      <p>Because every node has an indegree and outdegree of at least two, taking two trips in <inline-formula><mml:math><mml:mi> G </mml:mi></mml:math></inline-formula> yields two edge-disjoint directed cycles. Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be those two cycles. Let <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> be the number of common nodes of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . We show the existence of the third cycle by <italic>induction on</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p><italic>Basis step</italic>. When <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , each node maintains an unused indegree and outdegree of at least one; thus, taking an additional trip yields a third edge-disjoint directed cycle.</p>
      <p>Suppose <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and <inline-formula><mml:math><mml:mi> u </mml:mi></mml:math></inline-formula> is the only common node. Three cases are possible: </p>
      <p>if <inline-formula><mml:math><mml:mi> u </mml:mi></mml:math></inline-formula> is balanced, <italic>i</italic>.<italic>e</italic>., <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> outdegree </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mtext> indegree </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , then we can get a third cycle by starting a trip from any node <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . if <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> outdegree </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mtext> indegree </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> then taking a forward trip from <inline-formula><mml:math><mml:mi> u </mml:mi></mml:math></inline-formula> will give a third cycle. if <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> outdegree </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> &lt; </mml:mo><mml:mtext> indegree </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> then taking a backward trip from <inline-formula><mml:math><mml:mi> u </mml:mi></mml:math></inline-formula> will give a third cycle. <italic>Inductive step</italic>. Suppose a third cycle exists whenever <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> have less than <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> common nodes (<inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ). Let’s show it for the case of <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> common nodes. Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ⋯ </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be the common nodes indexed in the order we meet them while traversing <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> starting from <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>Two cases are possible. </p>
      <p>1) While traversing <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> starting from <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> we meet the common nodes in the same order as in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . </p>
      <p>2) We meet them in a different order. </p>
      <p><italic>Case</italic>1:</p>
      <p>For any successive common nodes <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> we have paths <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Note that we can use these two paths interchangeably for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi><mml:mi> t </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denote the set of internal nodes of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . We have <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi><mml:mi> t </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:mo> ∅ </mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> since <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can’t be the same. Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> w </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi><mml:mi> t </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>Start a forward trip <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> w </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Based on the definition of a trip, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a directed path that does not include any arcs from <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Consider cases.</p>
      <p><italic>Subcase</italic>1.1. The trip results in a cycle <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> before hitting any node from <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∪ </mml:mo><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> \ </mml:mo><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi><mml:mi> t </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . In this case <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the third cycle.<italic>Subcase</italic>1.2. We are not in subcase 1. Suppose the first node of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∪ </mml:mo><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> \ </mml:mo><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi><mml:mi> t </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> hit by the trip is <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:msup><mml:mi> w </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be the last node from <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi><mml:mi> t </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> visited before <inline-formula><mml:math><mml:mi> v </mml:mi></mml:math></inline-formula> in trip <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Then the path <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:msup><mml:mi> w </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can serve as a shortcut for one of the original cycles, say <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (see <xref ref-type="fig" rid="fig1">Figure 1</xref>). The new cycle <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:msup><mml:mi> C </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:msup><mml:mi> w </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:mi> v </mml:mi><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:msup><mml:mi> w </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> does not contain <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and thus </p>
      <p>has less than <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> common nodes with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Then by induction we have a third cycle.</p>
      <fig id="fig1">
        <label>Figure 1</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1200553-rId183.jpeg?20260923113156" />
      </fig>
      <p><bold>Figure 1</bold><bold>.</bold> Example of Subcase 1.2 in the proof for the third cycle.</p>
      <p><italic>Subcase</italic>1.3. We are not in subcase 1. Suppose the first node of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∪ </mml:mo><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> \ </mml:mo><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi><mml:mi> t </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> hit by the trip is <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . In this case we have a </p>
      <p>path <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> w </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . </p>
      <p>Starting a backward trip <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> w </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> will result in similar three subcases. In </p>
      <p>the first two subcases we will get a third cycle. In the third subcase a path <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> w </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></p>
      <p>will be obtained.</p>
      <p>After having these forward and backward trips for any <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ⋯ </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> : </p>
      <p>Either we will get a third cycle as a result of being in subcases 1.1 or 1.2; Or the union of all <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> w </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ’s and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> w </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ’s will give a third cycle. Note </p>
      <p>that even if some of these paths use the same arcs, the union of all the paths forms a strongly connected subgraph from which a directed cycle can be obtained. </p>
      <p><italic>Case</italic> 2:</p>
      <p>Note that the number of common nodes of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is at least three in this case. For some common nodes <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> j </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> which are successive on <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> we have </p>
      <p><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> j </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (always can achieve this by reindexing). So <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> j </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> creates a shortcut for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <italic>i</italic>.<italic>e</italic>., <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> j </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a directed cycle such that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> ∉ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (see <xref ref-type="fig" rid="fig2">Figure 2</xref>).</p>
      <fig id="fig2">
        <label>Figure 2</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1200553-rId222.jpeg?20260923113156" />
      </fig>
      <p><bold>Figure 2</bold><bold>.</bold> Example of Case 2.</p>
      <p>Consider the graph <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> G </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> E </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∪ </mml:mo><mml:mi> E </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . In this graph, each node on cycle <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> contributes exactly 1 to both its indegree and outdegree via <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and the same is true for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Therefore, indegree equals outdegree for every node in <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> G </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> , so <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> G </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> is balanced. Now consider the graph <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> G </mml:mi><mml:mo> ″ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> E </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∪ </mml:mo><mml:mi> E </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> \ </mml:mo><mml:mi> E </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . It is obtained from graph <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> G </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> by removing the arcs of the directed cycle <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Since removing <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> decreases both the indegree and outdegree of its incident nodes by exactly 1, balance is preserved, and <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> G </mml:mi><mml:mo> ″ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> is also balanced.</p>
      <p>Note that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> has indegree and outdegree 2 in <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> G </mml:mi><mml:mo> ″ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> , as it lies on both <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> but not on <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . In <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> G </mml:mi><mml:mo> ″ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> , we initiate a forward trip <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> along one of its outgoing arcs. Because <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> G </mml:mi><mml:mo> ″ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> is balanced, entering any node for the first time guarantees an unused outgoing arc to continue <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Since <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> G </mml:mi><mml:mo> ″ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> has a finite number of nodes, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> must eventually revisit a node, forming a directed cycle <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Removing <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> yields a balanced graph <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> G </mml:mi><mml:mo> ‴ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> . (The argument is the same as the one given for <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> G </mml:mi><mml:mo> ″ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> in the previous paragraph.) Because <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> had outdegree 2 in <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> G </mml:mi><mml:mo> ″ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> , its outdegree in <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> G </mml:mi><mml:mo> ‴ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> is at least 1. We can therefore initiate a second trip <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> G </mml:mi><mml:mo> ‴ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> , which similarly (as in case of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ) yields a directed cycle <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Thus, <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> G </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> contains at least three edge-disjoint cycles <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>Note that in a worst-case scenario three cycles is the best we can achieve. To illustrate that, consider the following simple example. Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> G </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> E </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be a 3-node complete digraph: <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> c </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> E </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . In this graph we can find at most three edge-disjoint directed cycles: <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> a </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> a </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
    </sec>
    <sec id="sec3">
      <title>3. Packing Cycles in Digraphs with Minimum Degree 3</title>
      <p>In this section we show that in any digraph <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> G </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> E </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> such that the outdegree and the indegree of any node is at least three (particularly, in any 3-node-connected digraph) there are at least four edge-disjoint directed cycles of size ≥3. </p>
      <p>As before, by <italic>having a trip</italic> we will mean traversing the arcs of a directed path which doesn’t include arcs from previous trips (since we want to get edge-disjoint cycles). A trip is called <italic>forward</italic> if we traverse each arc <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from <inline-formula><mml:math><mml:mi> a </mml:mi></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math><mml:mi> b </mml:mi></mml:math></inline-formula> ; it is called <italic>backward</italic> if each <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is traversed from <inline-formula><mml:math><mml:mi> b </mml:mi></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math><mml:mi> a </mml:mi></mml:math></inline-formula> . Unless specified differently, by a trip we will mean a forward trip.</p>
      <p>A<italic>digon</italic> is a pair of opposite arcs. If a digraph consists only of digons, and ignoring the directions will make it an undirected tree, then the digraph is called <italic>digon-tree</italic>. For an example of a digon-tree see subgraph <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of <xref ref-type="fig" rid="fig3">Figure 3</xref>.</p>
      <p><bold>Lemma 1</bold><italic>Every strongly connected directed graph</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> G </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> E </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is either a digon-tree or contains a directed cycle of length at least</italic>3. </p>
      <p><bold>Proof:</bold> We consider two exhaustive cases based on the symmetry of the arcs in <inline-formula><mml:math><mml:mi> G </mml:mi></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p><bold>Case 1:</bold><italic>Every arc in</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> G </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>belongs to a digon</italic>. That is, for every pair of vertices <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> V </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the arc <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> E </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> if and only if <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> E </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> G </mml:mi><mml:mo> ' </mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be the undirected graph obtained by replacing each digon <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> , </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in <inline-formula><mml:math><mml:mi> G </mml:mi></mml:math></inline-formula> with a single undirected edge <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Since <inline-formula><mml:math><mml:mi> G </mml:mi></mml:math></inline-formula> is strongly connected, <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> G </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> is connected. </p>
      <p>If <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> G </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> is an undirected tree, then by definition <inline-formula><mml:math><mml:mi> G </mml:mi></mml:math></inline-formula> is a digon-tree. If <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> G </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> is not a tree, it contains an undirected cycle <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> C </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> of length at least 3. Because every edge in <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> C </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> corresponds to a digon in <inline-formula><mml:math><mml:mi> G </mml:mi></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> C </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> induces two orientation-opposite directed cycles in <inline-formula><mml:math><mml:mi> G </mml:mi></mml:math></inline-formula> , each of length at least 3. </p>
      <p><bold>Case 2:</bold><italic>There exists an arc</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> E </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>such that</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∉ </mml:mo><mml:mi> E </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Since <inline-formula><mml:math><mml:mi> G </mml:mi></mml:math></inline-formula> is strongly connected, there exists a directed path <inline-formula><mml:math><mml:mi> P </mml:mi></mml:math></inline-formula> from <inline-formula><mml:math><mml:mi> v </mml:mi></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math><mml:mi> u </mml:mi></mml:math></inline-formula> in <inline-formula><mml:math><mml:mi> G </mml:mi></mml:math></inline-formula> . Because <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∉ </mml:mo><mml:mi> E </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the path <inline-formula><mml:math><mml:mi> P </mml:mi></mml:math></inline-formula> must contain at least two arcs. Concatenating the arc <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math><mml:mi> P </mml:mi></mml:math></inline-formula> yields a directed cycle <inline-formula><mml:math><mml:mi> C </mml:mi></mml:math></inline-formula> of length at least 3. <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo> □ </mml:mo></mml:math></inline-formula></p>
      <sec id="sec3dot1">
        <title>3.1. Existence of Three Directed Cycles</title>
        <p>In this subsection we will show that in any digraph <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> G </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> E </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> such that the outdegree and the indegree of any node is at least three, there are at least three edge-disjoint directed cycles of size ≥3.</p>
        <p>To obtain the first cycle, start a forward trip <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> v </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> v </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> v </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ⋯ </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from any node <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> v </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . The strategy for building <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is to avoid returning to the node visited immediately before the current node (<italic>i</italic>.<italic>e</italic>., <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> v </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> v </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ). This is always possible because every node has an outdegree of at least 3. Because the total number of nodes in <inline-formula><mml:math><mml:mi> G </mml:mi></mml:math></inline-formula> is finite, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> cannot visit new nodes indefinitely and must eventually revisit a previously visited node. Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> v </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> v </mml:mi><mml:mi> j </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> j </mml:mi><mml:mo> &lt; </mml:mo><mml:mi> k </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ) be the first repeated node. The subtrip <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> v </mml:mi><mml:mi> j </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> v </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> j </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ⋯ </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> v </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> forms a simple directed cycle <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Since immediate backtracking was prohibited, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:mi> j </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , ensuring <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> has size at least 3. </p>
        <p>To obtain the second cycle, delete the arcs <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> E </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from <inline-formula><mml:math><mml:mi> G </mml:mi></mml:math></inline-formula> . Because <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a simple cycle, removing its arcs decreases both the indegree and outdegree of each node on <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by exactly 1. Thus, every node in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> G </mml:mi><mml:mo> \ </mml:mo><mml:mi> E </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> retains an indegree and outdegree of at least 2. We then start a second trip <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> G </mml:mi><mml:mo> \ </mml:mo><mml:mi> E </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> using the same non-backtracking rule (<inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> v </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> v </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ), which remains possible since the outdegree is at least 2. By finiteness, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> must close a loop to form a simple directed cycle <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Avoiding immediate backtracking again guarantees that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> has size at least 3, and by construction, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is arc-disjoint from <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . </p>
        <p>To get a third cycle start a trip from any node using the same strategy as before: <italic>if possible do not return to the node visited right before the current node</italic>. This time it is not always possible since <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> might have used two outgoing arcs of some nodes. Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> D </mml:mi><mml:mo> ⊆ </mml:mo><mml:mi> V </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be the set of those nodes.</p>
        <p>Suppose at some point of our trip we do not yet have the third cycle and we are stuck at some node <inline-formula><mml:math><mml:mi> u </mml:mi></mml:math></inline-formula> , <italic>i</italic>.<italic>e</italic>., all the outgoing arcs of <inline-formula><mml:math><mml:mi> u </mml:mi></mml:math></inline-formula> have been used before. </p>
        <p>Partition the whole trip <inline-formula><mml:math><mml:mi> T </mml:mi></mml:math></inline-formula> into two parts <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> where <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the subtrip up to the first visit to <inline-formula><mml:math><mml:mi> u </mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the subtrip after that point on. Note that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a strongly-connected balanced subgraph. Since <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> does not contain any directed cycles of size ≥3 then it is a digon-tree, based on Lemma 1 (see <xref ref-type="fig" rid="fig3">Figure 3</xref>).</p>
        <fig id="fig3">
          <label>Figure 3</label>
          <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1200553-rId467.jpeg?20260923113157" />
        </fig>
        <p><bold>Figure 3</bold><bold>.</bold> Partitioning the trip to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
        <p>Note that the only common node of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is <inline-formula><mml:math><mml:mi> u </mml:mi></mml:math></inline-formula> ; otherwise, <inline-formula><mml:math><mml:mi> T </mml:mi></mml:math></inline-formula> would contain a cycle of size ≥3. Then any leaf <inline-formula><mml:math><mml:mi> v </mml:mi></mml:math></inline-formula> of the digon-tree <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is from <inline-formula><mml:math><mml:mi> D </mml:mi></mml:math></inline-formula> ; otherwise, based on our strategy we wouldn’t return from <inline-formula><mml:math><mml:mi> v </mml:mi></mml:math></inline-formula> to the node visited right before it (if <inline-formula><mml:math><mml:mi> u </mml:mi></mml:math></inline-formula> is a leaf of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> then <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> D </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , otherwise we would not be stuck at <inline-formula><mml:math><mml:mi> u </mml:mi></mml:math></inline-formula> ). Thus, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> contains at least two nodes from <inline-formula><mml:math><mml:mi> D </mml:mi></mml:math></inline-formula> , and so at least two nodes </p>
        <p>from <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> w </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> w </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∩ </mml:mo><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> such that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi><mml:mi> t </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> w </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> w </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∩ </mml:mo><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mo> ∅ </mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Then <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> w </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> w </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> w </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> w </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> w </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> w </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are edge-disjoint cycles of size </p>
        <p>≥3 (see <xref ref-type="fig" rid="fig4">Figure 4</xref>).</p>
        <fig id="fig4">
          <label>Figure 4</label>
          <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1200553-rId510.jpeg?20260923113157" />
        </fig>
        <p><bold>Figure 4</bold><bold>.</bold> Getting the third cycle.</p>
        <p>So we have three edge-disjoint directed cycles of size ≥3: <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      </sec>
      <sec id="sec3dot2">
        <title>3.2. Existence of the Fourth Directed Cycle</title>
        <p>Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be the first three edge-disjoint cycles and <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> be the number of their common nodes. We show the existence of the fourth cycle by <italic>induction on</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> . </p>
        <p><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . The arguments to get the third cycle in subsection 3.1 are still valid in this case to get a fourth cycle. Here <inline-formula><mml:math><mml:mi> D </mml:mi></mml:math></inline-formula> is defined as the set of the nodes shared by exactly two of the three cycles. Note that any two nodes from <inline-formula><mml:math><mml:mi> D </mml:mi></mml:math></inline-formula> are on the same cycle <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for some <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Suppose <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and <inline-formula><mml:math><mml:mi> x </mml:mi></mml:math></inline-formula> is the only common node. This time <inline-formula><mml:math><mml:mi> D </mml:mi></mml:math></inline-formula> is defined as the set of the nodes shared by two or three cycles. Three cases are possible: </p>
        <p>◇ if <inline-formula><mml:math><mml:mi> x </mml:mi></mml:math></inline-formula> is balanced, <italic>i</italic>.<italic>e</italic>., <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> outdegree </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mtext> indegree </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , then we can get a fourth cycle by starting a trip from any node <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and applying the arguments of subsection 3.1. </p>
        <p>◇ if <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> outdegree </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mtext> indegree </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> then taking a forward trip from <inline-formula><mml:math><mml:mi> u </mml:mi></mml:math></inline-formula> will give a fourth cycle. </p>
        <p>◇ if <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> outdegree </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> &lt; </mml:mo><mml:mtext> indegree </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> then taking a backward trip from <inline-formula><mml:math><mml:mi> x </mml:mi></mml:math></inline-formula> and applying arguments dual to those in subsection 3.1 will give a fourth cycle. </p>
        <p><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Suppose a fourth cycle exists whenever <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> have less than <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> common nodes. Let’s show it for the case of <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> common nodes. Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> U </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ⋯ </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be the set of the common nodes. </p>
        <p>Two cases are possible. </p>
        <p>1) While traversing <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> starting from <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> we meet the common nodes in the same order as in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . </p>
        <p>2) We meet them in a different order. </p>
        <p><italic>Case</italic> 1:</p>
        <p><italic>Subcase</italic>1.1: <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi><mml:mi> t </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> does not have any intersection with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi><mml:mi> t </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> j </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mi> l </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> j </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:mi> j </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:mi> l </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Then let <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi><mml:mi> t </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denote the set of internal nodes of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
        <p>Start a forward trip <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from a node <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi><mml:mi> t </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
        <p>Suppose we get stuck in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi><mml:mi> t </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> before hitting any node outside it. If we get a cycle of size ≥3 inside <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi><mml:mi> t </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , then we have a fourth cycle. Suppose we do not have a cycle and get stuck in node <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi><mml:mi> t </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , by getting a digon at the end of the trip. Then <inline-formula><mml:math><mml:mi> v </mml:mi></mml:math></inline-formula> is visited more than once, and the subtrip of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> after visiting <inline-formula><mml:math><mml:mi> v </mml:mi></mml:math></inline-formula> the first time is a digon-tree <inline-formula><mml:math><mml:mi> D </mml:mi></mml:math></inline-formula> (could be just a digon like in <xref ref-type="fig" rid="fig5">Figure 5</xref>). Note that each leaf of the digon-tree belongs to two of the three cycles, based on our strategy of avoiding digons in the trips. Take two nodes <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> w </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> w </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> on <inline-formula><mml:math><mml:mi> D </mml:mi></mml:math></inline-formula> such that (i) each of them belongs to two of the three cycles, (ii) no other node on the <inline-formula><mml:math><mml:mi> D </mml:mi></mml:math></inline-formula> -path connecting them belongs to two cycles. Then one of the three cycles, say <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , contains both <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> w </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> w </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . If there are other nodes on the <inline-formula><mml:math><mml:mi> D </mml:mi></mml:math></inline-formula> -path connecting <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> w </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> w </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> that belong to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , then we can replace <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> w </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> w </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with other nodes on <inline-formula><mml:math><mml:mi> D </mml:mi></mml:math></inline-formula> that belong to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the <inline-formula><mml:math><mml:mi> D </mml:mi></mml:math></inline-formula> -path connecting them does not have nodes from <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Suppose we encounter <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> w </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> before <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> w </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> while traversing cycle <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Then we can replace <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with cycle <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> w </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> w </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mi> D </mml:mi></mml:mover><mml:msub><mml:mi> w </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> which has size ≥3 (see <xref ref-type="fig" rid="fig5">Figure 5</xref>).</p>
        <p>Next, we show that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> share no common nodes. Any node on the path <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> w </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> w </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> belongs to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and to at most one of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ; thus, replacing <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></p>
        <p>with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> cannot create a node common to all three cycles <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Furthermore, by the construction of <inline-formula><mml:math><mml:mi> D </mml:mi></mml:math></inline-formula> (part (ii) above), no interior node of <inline-formula><mml:math><mml:mi> D </mml:mi></mml:math></inline-formula> belongs to more than one of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . More specifically, each interior node of <inline-formula><mml:math><mml:mi> D </mml:mi></mml:math></inline-formula> (if any exist) belongs to exactly one of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Consequently, after replacing <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , each interior node of <inline-formula><mml:math><mml:mi> D </mml:mi></mml:math></inline-formula> will belong to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and to exactly one of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . In summary, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> have no common nodes, allowing us to apply the induction hypothesis. </p>
        <fig id="fig5">
          <label>Figure 5</label>
          <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1200553-rId699.jpeg?20260923113157" />
        </fig>
        <p><bold>Figure 5</bold><bold>.</bold> Example of Subcase 1.1.</p>
        <p>Suppose we hit a node outside <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi><mml:mi> t </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and the first node of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∪ </mml:mo><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∪ </mml:mo><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> \ </mml:mo><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi><mml:mi> t </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> hit by the trip is <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . This is a situation similar to subcase 1.2 of Section 2: trip <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> will give a shortcut for one of the three cycles. Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:msup><mml:mi> w </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be the last node from <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi><mml:mi> t </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> visited before <inline-formula><mml:math><mml:mi> v </mml:mi></mml:math></inline-formula> in trip <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Then the path <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:msup><mml:mi> w </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can serve as a shortcut for one of the original </p>
        <p>cycles, say <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . The new cycle <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:msup><mml:mi> C </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:msup><mml:mi> w </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:mi> v </mml:mi><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:msup><mml:mi> w </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> does not contain <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
        <p>By construction, the path <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> v </mml:mi><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:msup><mml:mi> w </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> contains the exact same set of common nodes </p>
        <p>as before, with the exception of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , which is excluded because <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> ∉ </mml:mo><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:msup><mml:mi> C </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . </p>
        <p>Furthermore, the interior of the path <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:msup><mml:mi> w </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> contains no nodes from </p>
        <p><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∪ </mml:mo><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∪ </mml:mo><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Consequently, the number of nodes common to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:msup><mml:mi> C </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is strictly less than <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> (specifically, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ), allowing us to obtain a fourth cycle by induction. </p>
        <p>Suppose we hit a node outside <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi><mml:mi> t </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and the first node of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∪ </mml:mo><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∪ </mml:mo><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> \ </mml:mo><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi><mml:mi> t </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> hit by the trip is <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . This case is handled like subcase 1.3 of Section 2. If the forward trip <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> hits <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the backward trip <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> hits <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for all <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ⋯ </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , then the union of all forward and backward trips will give a fourth cycle.</p>
        <fig id="fig6">
          <label>Figure 6</label>
          <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1200553-rId760.jpeg?20260923113157" />
        </fig>
        <p><bold>Figure 6.</bold> Example of Subcase 1.2 in the proof for the fourth cycle.</p>
        <p><italic>Subcase</italic>1.2: <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi><mml:mi> t </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> has intersection with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi><mml:mi> t </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> j </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mi> l </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> j </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:mi> j </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , </p>
        <p><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:mi> l </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> l </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and <inline-formula><mml:math><mml:mi> w </mml:mi></mml:math></inline-formula> is an intersection node. Then define two new </p>
        <p>cycles: <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> w </mml:mi><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> j </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:mi> w </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> w </mml:mi><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> j </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:mi> w </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (see <xref ref-type="fig" rid="fig6">Figure 6</xref>).</p>
        <p>Number of common nodes of cycles <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is less than the number of common nodes of cycles <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Particularly, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> j </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> j </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are not common nodes now.</p>
        <p>On the other hand, no new common nodes are created. For instance, if the path <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:mi> w </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> intersects the path <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> j </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:mi> w </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as well as <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , then any such intersection would also be a common node of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Furthermore, since <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a simple directed cycle, the path <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:mi> w </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> cannot share any vertices with the paths <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (except for <inline-formula><mml:math><mml:mi> w </mml:mi></mml:math></inline-formula> ) or with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> j </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . The arguments for the remaining pairs of paths, one from <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the other from <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , are identical. </p>
        <p>Even in the case when <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> j </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> coincides with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> coincides with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> j </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the number of common nodes will go down by two.</p>
        <p>Thus, we can apply induction in this case. </p>
        <p><italic>Case</italic>2: <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ’s are encountered in different order while traversing the three cycles. Note that in this case the number of common nodes is at least three.</p>
        <p><italic>Subcase</italic>2.1: The order of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ’s is <inline-formula><mml:math><mml:mi> σ </mml:mi></mml:math></inline-formula> or <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> σ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (the opposite order of <inline-formula><mml:math><mml:mi> σ </mml:mi></mml:math></inline-formula> ) for the cycles. Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> have the same order <inline-formula><mml:math><mml:mi> σ </mml:mi></mml:math></inline-formula> while <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> has order <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> σ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
        <p>If <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi><mml:mi> t </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> has intersection with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi><mml:mi> t </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> j </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> j </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:mi> j </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , then we can apply the idea of Subcase 1.2.Otherwise we can interchange <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for any <inline-formula><mml:math><mml:mi> i </mml:mi></mml:math></inline-formula> . Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> B </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> B </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> B </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> B </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are strongly-connected balanced digraphs. For given <inline-formula><mml:math><mml:mi> i </mml:mi></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> B </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> B </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> cannot be both digon-trees since <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are different. For every <inline-formula><mml:math><mml:mi> i </mml:mi></mml:math></inline-formula> , interchange <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> so that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> B </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> contains a directed cycle <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of size ≥3. We have at least three edge-disjoint <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ’s obtained this way because the number of common nodes of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is at least three in this case. Since we also have <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , then the number of directed cycles of size ≥3 is at least four.</p>
        <p><italic>Subcase</italic> 2.2: Two of the three cycles have neither the same nor the opposite directions. Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be those two cycles. Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ⋯ </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be the order we encounter the common nodes on cycle <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Then for some <inline-formula><mml:math><mml:mi> i </mml:mi></mml:math></inline-formula> , the node following <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> on cycle <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is neither <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> nor <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Suppose that node is <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> j </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (see <xref ref-type="fig" rid="fig7">Figure 7</xref>).</p>
        <fig id="fig7">
          <label>Figure 7</label>
          <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1200553-rId913.jpeg?20260923113157" />
        </fig>
        <p><bold>Figure 7</bold><bold>.</bold> Example of Subcase 2.2.</p>
        <p>Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> j </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> j </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are strongly-connected balanced graphs. Since <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> j </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> \ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> j </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> cannot be a digon-tree and contains a directed cycle <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:msup><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of size ≥3. Similarly, since <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> j </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> \ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mover><mml:mo> ⇝ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mover><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> j </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> cannot be a digon-tree and contains a directed cycle <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:msup><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of size ≥ 3.</p>
        <p>Note that the set <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> U </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> of common nodes of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:msup><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:msup><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a subset of <inline-formula><mml:math><mml:mi> U </mml:mi></mml:math></inline-formula> . But <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> ∉ </mml:mo><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:msup><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Thus, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> ∉ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> U </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:msup><mml:mi> U </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> &lt; </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mi> U </mml:mi><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and taking <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:msup><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:msup><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as the first three cycles we will get a fourth cycle by induction.</p>
      </sec>
      <sec id="sec3dot3">
        <title>3.3. Worst-Case Example</title>
        <p>Note that in a worst-case scenario four cycles is the best we can achieve. To illustrate that, consider the following example. Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> G </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> E </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be a complete digraph on a 4-node set <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> z </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . In this graph we can find at most four edge-disjoint directed cycles of size ≥3: <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> z </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> z </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 4 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> z </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> z </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . This is not surprising since the total number of edges is only 12 in this example.</p>
      </sec>
    </sec>
    <sec id="sec4">
      <title>
        4. Approximation Algorithms for
        <italic>k</italic>
        -Vertex-Connectivity Problems
      </title>
      <p>Connectivity is a fundamental problem to the study of graphs and graph algorithms. In this paper we consider uniform connectivity problems in directed graphs. A strongly connected graph is said to be <inline-formula><mml:math><mml:mi> k </mml:mi></mml:math></inline-formula> -vertex-connected (or simply <inline-formula><mml:math><mml:mi> k </mml:mi></mml:math></inline-formula> -connected) if the deletion of at most <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> vertices still leaves the graph strongly connected. A set of paths from vertice <inline-formula><mml:math><mml:mi> u </mml:mi></mml:math></inline-formula> to vertice <inline-formula><mml:math><mml:mi> v </mml:mi></mml:math></inline-formula> is said to be openly disjoint if they do not share any internal vertices. This definition is extended to the case when <inline-formula><mml:math><mml:mi> u </mml:mi></mml:math></inline-formula> or <inline-formula><mml:math><mml:mi> v </mml:mi></mml:math></inline-formula> is replaced by a set of vertices as follows: a set of <inline-formula><mml:math><mml:mi> k </mml:mi></mml:math></inline-formula> paths from <inline-formula><mml:math><mml:mi> u </mml:mi></mml:math></inline-formula> to a set of vertices <inline-formula><mml:math><mml:mi> R </mml:mi></mml:math></inline-formula> (from <inline-formula><mml:math><mml:mi> R </mml:mi></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math><mml:mi> v </mml:mi></mml:math></inline-formula> ) with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> k </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is openly disjoint if the paths are all vertex-disjoint, except for sharing the endpoint <inline-formula><mml:math><mml:mi> u </mml:mi></mml:math></inline-formula> (or <inline-formula><mml:math><mml:mi> v </mml:mi></mml:math></inline-formula> ), and each of the <inline-formula><mml:math><mml:mi> k </mml:mi></mml:math></inline-formula> paths ends (starts) at a distinct vertex of <inline-formula><mml:math><mml:mi> R </mml:mi></mml:math></inline-formula> . If <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ) then we find <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> openly disjoint paths from <inline-formula><mml:math><mml:mi> u </mml:mi></mml:math></inline-formula> to the vertices in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> R </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (from the vertices in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> R </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math><mml:mi> v </mml:mi></mml:math></inline-formula> ).</p>
      <p>The <inline-formula><mml:math><mml:mi> k </mml:mi></mml:math></inline-formula> -vertex-connectivity problem in directed graphs is the following. The input is an integer <inline-formula><mml:math><mml:mi> k </mml:mi></mml:math></inline-formula> , a <inline-formula><mml:math><mml:mi> k </mml:mi></mml:math></inline-formula> -connected digraph <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> G </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> E </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and a weight function <inline-formula><mml:math><mml:mi> w </mml:mi></mml:math></inline-formula> on the edges of <inline-formula><mml:math><mml:mi> G </mml:mi></mml:math></inline-formula> . The goal is to find a minimum-weight <inline-formula><mml:math><mml:mi> k </mml:mi></mml:math></inline-formula> -connected spanning subgraph of <inline-formula><mml:math><mml:mi> G </mml:mi></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>The practical motivation to study the problem is the following. Let <inline-formula><mml:math><mml:mi> E </mml:mi></mml:math></inline-formula> be a collection of all possible links for a proposed a telecommunications network. The weight <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> w </mml:mi><mml:mi> e </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of edge <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> e </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> E </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> represents the cost of building and including <inline-formula><mml:math><mml:mi> e </mml:mi></mml:math></inline-formula> in the network. A minimum spanning tree in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> G </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> E </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the cheapest network that will allow all the sites in <inline-formula><mml:math><mml:mi> V </mml:mi></mml:math></inline-formula> to communicate. But such a network is highly susceptible to failures, since it cannot survive a failure of a single link or site. For more reliable communication, higher connectivities of the sites are necessary. A <inline-formula><mml:math><mml:mi> k </mml:mi></mml:math></inline-formula> -vertex-connected allows communication between functioning sites even after as many as <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> sites have failed.</p>
      <p>The <inline-formula><mml:math><mml:mi> k </mml:mi></mml:math></inline-formula> -vertex-connectivity problem is known to be NP-hard. Approximation algorithms have been developed for many related NP-hard connectivity problems [<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>]. We will discuss those problems where triangle inequality holds for edge weights.</p>
      <p>For the <inline-formula><mml:math><mml:mi> k </mml:mi></mml:math></inline-formula> -vertex-connectivity problem in undirected graphs, Khuller and Raghavachari [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>] gave an approximation algorithm which has an approximation factor of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mo> + </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> / </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Kortsarz and Nutov [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>] obtained a <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mo> + </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mi> k </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> / </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> -approximation algorithm for the <inline-formula><mml:math><mml:mi> k </mml:mi></mml:math></inline-formula> -vertex-connectivity problem in directed graphs. In this paper, we combine some ideas from [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>] with our results from sections 2 and 3 to obtain approximation algorithms for the <inline-formula><mml:math><mml:mi> k </mml:mi></mml:math></inline-formula> -vertex-connectivity problem in directed graphs when <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <sec id="sec4dot1">
        <title>4.1. Basic Technique</title>
        <p>The main algorithm given in this subsection is similar to the one given in [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>] for the undirected case.</p>
        <p>First consider the following related problem. The input is a directed graph <inline-formula><mml:math><mml:mi> G </mml:mi></mml:math></inline-formula> with nonnegative weights on the edges, a root vertex <inline-formula><mml:math><mml:mi> r </mml:mi></mml:math></inline-formula> and an integer <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> . The goal is to find a minimum-weight directed subgraph <inline-formula><mml:math><mml:mi> H </mml:mi></mml:math></inline-formula> of <inline-formula><mml:math><mml:mi> G </mml:mi></mml:math></inline-formula> , such that for each vertex <inline-formula><mml:math><mml:mi> v </mml:mi></mml:math></inline-formula> there are <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> openly disjoint paths from <inline-formula><mml:math><mml:mi> r </mml:mi></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math><mml:mi> v </mml:mi></mml:math></inline-formula> (alternately, from <inline-formula><mml:math><mml:mi> v </mml:mi></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math><mml:mi> r </mml:mi></mml:math></inline-formula> for each <inline-formula><mml:math><mml:mi> v </mml:mi></mml:math></inline-formula> ) in the subgraph <inline-formula><mml:math><mml:mi> H </mml:mi></mml:math></inline-formula> . Frank and Tardos [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>] gave an algorithm which solves this problem in polynomial time. We will use that algorithm as a subroutine for solving our problem.</p>
        <p>In the algorithm for solving the <inline-formula><mml:math><mml:mi> k </mml:mi></mml:math></inline-formula> -vertex-connectivity problem, using a set of root vertices <inline-formula><mml:math><mml:mi> R </mml:mi></mml:math></inline-formula> plays an important role. Below we will discuss two subroutines that use root vertices. Those are called ROOT-VERTICES-IN (<inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> G </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ) and ROOT-VERTICES-OUT (<inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> G </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ). The input of both subroutines is a <inline-formula><mml:math><mml:mi> k </mml:mi></mml:math></inline-formula> -vertex-connected directed graph <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> G </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> E </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , a nonnegative weight function <inline-formula><mml:math><mml:mi> w </mml:mi></mml:math></inline-formula> defined on the edges, and a set <inline-formula><mml:math><mml:mi> R </mml:mi></mml:math></inline-formula> of <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> vertices. The output of ROOT-VERTICES-IN (<inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> G </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ) (ROOT-VERTICES-OUT (<inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> G </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> )) is an approximate minimum-weight subgraph of <inline-formula><mml:math><mml:mi> G </mml:mi></mml:math></inline-formula> in which there are <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> openly disjoint paths from any vertex <inline-formula><mml:math><mml:mi> v </mml:mi></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math><mml:mi> R </mml:mi></mml:math></inline-formula> (from <inline-formula><mml:math><mml:mi> R </mml:mi></mml:math></inline-formula> to any vertex <inline-formula><mml:math><mml:mi> v </mml:mi></mml:math></inline-formula> ). Note that <inline-formula><mml:math><mml:mi> v </mml:mi></mml:math></inline-formula> could be in <inline-formula><mml:math><mml:mi> R </mml:mi></mml:math></inline-formula> , in which case we find <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> paths from <inline-formula><mml:math><mml:mi> v </mml:mi></mml:math></inline-formula> to the remaining vertices in <inline-formula><mml:math><mml:mi> R </mml:mi></mml:math></inline-formula> (from remaining vertices of <inline-formula><mml:math><mml:mi> R </mml:mi></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math><mml:mi> v </mml:mi></mml:math></inline-formula> ).</p>
        <p>The algorithm ROOT-VERTICES-OUT (<inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> G </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ) works as follows. Augment <inline-formula><mml:math><mml:mi> G </mml:mi></mml:math></inline-formula> by adding a new vertex <inline-formula><mml:math><mml:mi> r </mml:mi></mml:math></inline-formula> and add <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> new directed edges of weight 0 from <inline-formula><mml:math><mml:mi> r </mml:mi></mml:math></inline-formula> to each vertex in <inline-formula><mml:math><mml:mi> R </mml:mi></mml:math></inline-formula> . Use the algorithm of [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>] on this graph with <inline-formula><mml:math><mml:mi> r </mml:mi></mml:math></inline-formula> as the root and find a minimum-weight subgraph <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> H </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> o </mml:mi><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> openly disjoint paths from <inline-formula><mml:math><mml:mi> r </mml:mi></mml:math></inline-formula> to any vertex of <inline-formula><mml:math><mml:mi> G </mml:mi></mml:math></inline-formula> . Since these disjoint paths go through the vertices of <inline-formula><mml:math><mml:mi> R </mml:mi></mml:math></inline-formula> , for any vertex <inline-formula><mml:math><mml:mi> v </mml:mi></mml:math></inline-formula> in <inline-formula><mml:math><mml:mi> G </mml:mi></mml:math></inline-formula> , there are <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> openly disjoint paths from <inline-formula><mml:math><mml:mi> R </mml:mi></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math><mml:mi> v </mml:mi></mml:math></inline-formula> in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> H </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> o </mml:mi><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
        <p>The algorithm ROOT-VERTICES-IN (<inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> G </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ) works similarly. Augment <inline-formula><mml:math><mml:mi> G </mml:mi></mml:math></inline-formula> by adding a new vertex <inline-formula><mml:math><mml:mi> r </mml:mi></mml:math></inline-formula> and add <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> new directed edges of weight 0 from each vertex in <inline-formula><mml:math><mml:mi> R </mml:mi></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math><mml:mi> r </mml:mi></mml:math></inline-formula> . Use the algorithm of [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>] on this graph with <inline-formula><mml:math><mml:mi> r </mml:mi></mml:math></inline-formula> as the root and find a minimum-weight subgraph <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> H </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> openly disjoint paths from any vertex of <inline-formula><mml:math><mml:mi> G </mml:mi></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math><mml:mi> r </mml:mi></mml:math></inline-formula> . Since these disjoint paths go through the vertices of <inline-formula><mml:math><mml:mi> R </mml:mi></mml:math></inline-formula> , for any vertex <inline-formula><mml:math><mml:mi> v </mml:mi></mml:math></inline-formula> in <inline-formula><mml:math><mml:mi> G </mml:mi></mml:math></inline-formula> , there are <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> openly disjoint paths from <inline-formula><mml:math><mml:mi> v </mml:mi></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math><mml:mi> R </mml:mi></mml:math></inline-formula> in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> H </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
        <p>Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> o </mml:mi><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be the subgraphs of <inline-formula><mml:math><mml:mi> G </mml:mi></mml:math></inline-formula> obtained from correspondingly <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> H </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> H </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> o </mml:mi><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by deleting <inline-formula><mml:math><mml:mi> r </mml:mi></mml:math></inline-formula> and its adjacent edges.</p>
        <p><bold>Lemma 2</bold><italic>There are</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>openly disjoint paths from</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> R </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>to</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> v </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>in</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> o </mml:mi><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .<italic>For any</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>, there are</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>openly disjoint paths from</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> R </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>to</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> v </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>in</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> o </mml:mi><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .<italic>There are</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>openly disjoint paths from</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> v </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>to</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> R </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>in</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .<italic>For any</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>, there are</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>openly disjoint paths from</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> v </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>to</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> R </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>in</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . </p>
        <p><bold>Lemma 3</bold><italic>The weight of</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> o </mml:mi><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> )<italic>is not more than the weight of a minimum-weight</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>-vertex-connected spanning subgraph of</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> G </mml:mi></mml:math></inline-formula> . </p>
        <p><bold>Proof:</bold> We will give the proof for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> o </mml:mi><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ; the proof for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is similar. Let <inline-formula><mml:math><mml:mi> T </mml:mi></mml:math></inline-formula> be a minimum-weight <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> -vertex-connected spanning subgraph of <inline-formula><mml:math><mml:mi> G </mml:mi></mml:math></inline-formula> . Add the zero-weight edges from <inline-formula><mml:math><mml:mi> r </mml:mi></mml:math></inline-formula> to the vertices of <inline-formula><mml:math><mml:mi> R </mml:mi></mml:math></inline-formula> to obtain a new subgraph <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> . <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> has <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> openly disjoint paths from <inline-formula><mml:math><mml:mi> r </mml:mi></mml:math></inline-formula> to each vertex of <inline-formula><mml:math><mml:mi> G </mml:mi></mml:math></inline-formula> . Since the algorithm of [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>] returns a minimum-weight solution <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> H </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> o </mml:mi><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> satisfying that property, we have that</p>
        <disp-formula id="FD1">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mtext>weight</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>S</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>o</mml:mi>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                      <mml:mi>t</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mtext>weight</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>H</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>o</mml:mi>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                      <mml:mi>t</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mtext>weight</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>T</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mtext>weight</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>T</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
      </sec>
      <sec id="sec4dot2">
        <title>4.2. The Main Algorithm</title>
        <p>The algorithm for the <inline-formula><mml:math><mml:mi> k </mml:mi></mml:math></inline-formula> -vertex-connectivity problem first finds a subset <inline-formula><mml:math><mml:mi> R </mml:mi></mml:math></inline-formula> of <inline-formula><mml:math><mml:mi> k </mml:mi></mml:math></inline-formula> vertices such that the complete graph induced on <inline-formula><mml:math><mml:mi> R </mml:mi></mml:math></inline-formula> is relatively low-weight. Then it calls ROOT-VERTICES-IN(<inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> G </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ) and ROOT-VERTICES-OUT(<inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> G </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ) to obtain subgraphs <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> o </mml:mi><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of <inline-formula><mml:math><mml:mi> G </mml:mi></mml:math></inline-formula> . The algorithm returns <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> ∪ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> o </mml:mi><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> ∪ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> K </mml:mi><mml:mi> R </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as its output, where <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> K </mml:mi><mml:mi> R </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the complete subgraph on <inline-formula><mml:math><mml:mi> R </mml:mi></mml:math></inline-formula> .</p>
        <p>First, we show that the output of the algorithm is <inline-formula><mml:math><mml:mi> k </mml:mi></mml:math></inline-formula> -vertex-connected, regardless how we find <inline-formula><mml:math><mml:mi> R </mml:mi></mml:math></inline-formula> .</p>
        <p><bold>Lemma 4</bold><italic>The subgraph</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> ∪ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> o </mml:mi><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> ∪ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> K </mml:mi><mml:mi> R </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> k </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>-vertex-connected</italic>. </p>
        <p><bold>Proof:</bold> The proof by contradiction. Assume that the graph contains a vertex cut <inline-formula><mml:math><mml:mi> C </mml:mi></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mi> C </mml:mi><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> &lt; </mml:mo><mml:mi> k </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <italic>i</italic>.<italic>e</italic>., the removal of <inline-formula><mml:math><mml:mi> C </mml:mi></mml:math></inline-formula> breaks <inline-formula><mml:math><mml:mi> G </mml:mi></mml:math></inline-formula> into strongly-connected components <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ⋯ </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mi> l </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , where <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> l </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Since <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> K </mml:mi><mml:mi> R </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a complete subgraph of <inline-formula><mml:math><mml:mi> R </mml:mi></mml:math></inline-formula> , all vertices of <inline-formula><mml:math><mml:mi> R </mml:mi></mml:math></inline-formula> remaining after the removal of <inline-formula><mml:math><mml:mi> C </mml:mi></mml:math></inline-formula> belong to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for some <inline-formula><mml:math><mml:mi> i </mml:mi></mml:math></inline-formula> . Consider a vertex <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mi> j </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for some <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> j </mml:mi><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:mi> i </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . By lemma 2 there must be <inline-formula><mml:math><mml:mi> k </mml:mi></mml:math></inline-formula> openly disjoint paths from <inline-formula><mml:math><mml:mi> v </mml:mi></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math><mml:mi> R </mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mi> k </mml:mi></mml:math></inline-formula> openly disjoint paths from <inline-formula><mml:math><mml:mi> R </mml:mi></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math><mml:mi> v </mml:mi></mml:math></inline-formula> in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> ∪ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> o </mml:mi><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> ∪ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> K </mml:mi><mml:mi> R </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Thus, the removal of less than <inline-formula><mml:math><mml:mi> k </mml:mi></mml:math></inline-formula> nodes will leave <inline-formula><mml:math><mml:mi> v </mml:mi></mml:math></inline-formula> strongly connected to the remaining nodes of <inline-formula><mml:math><mml:mi> R </mml:mi></mml:math></inline-formula> . This is a contradiction since <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> ∉ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo> □ </mml:mo></mml:math></inline-formula></p>
        <p>The key of getting a good approximation factor is to find a low-weight <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> K </mml:mi><mml:mi> R </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Next, we will show how to achieve that for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by using our results in sections 2 and 3.</p>
      </sec>
      <sec id="sec4dot3">
        <title>
          4.3. Approximation Factor for
          <inline-formula>
            <mml:math>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>k</mml:mi>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:math>
          </inline-formula>
        </title>
        <p>For <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the subset <inline-formula><mml:math><mml:mi> R </mml:mi></mml:math></inline-formula> is chosen as the nodes of the minimum-weight digon in <inline-formula><mml:math><mml:mi> G </mml:mi></mml:math></inline-formula> . It can be found in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> O </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> n </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> time since there are <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi> n </mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> possible digons.</p>
        <p><bold>Theorem 1</bold><italic>The total weight of</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> ∪ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> o </mml:mi><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> ∪ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> K </mml:mi><mml:mi> R </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is at most</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mfrac><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>times the optimum</italic>. </p>
        <p><bold>Proof:</bold> Let <inline-formula><mml:math><mml:mi> T </mml:mi></mml:math></inline-formula> be a minimum-weight 2-vertex-connected spanning subgraph of <inline-formula><mml:math><mml:mi> G </mml:mi></mml:math></inline-formula> . Based on the result of section 2, <inline-formula><mml:math><mml:mi> T </mml:mi></mml:math></inline-formula> has at least three edge-disjoint directed cycles: <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Since each digon is itself a cycle,</p>
        <disp-formula id="FD2">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mtext>weight</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>T</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>≥</mml:mo>
              <mml:mtext>weight</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>C</mml:mi>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mtext>weight</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>C</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mtext>weight</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>C</mml:mi>
                    <mml:mn>3</mml:mn>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>≥</mml:mo>
              <mml:mn>3</mml:mn>
              <mml:mo>⋅</mml:mo>
              <mml:mtext>weight</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>R</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Based on lemma 3,</p>
        <disp-formula id="FD3">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mtext>weight</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>S</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mi>n</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mtext>weight</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>S</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>o</mml:mi>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                      <mml:mi>t</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mtext>weight</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>K</mml:mi>
                    <mml:mi>R</mml:mi>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mn>2</mml:mn>
              <mml:mfrac>
                <mml:mn>1</mml:mn>
                <mml:mn>3</mml:mn>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>⋅</mml:mo>
              <mml:mtext>weight</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>T</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
      </sec>
      <sec id="sec4dot4">
        <title>
          4.4. Approximation Factor for
          <inline-formula>
            <mml:math>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>k</mml:mi>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mn>3</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:math>
          </inline-formula>
        </title>
        <p>For <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the subset <inline-formula><mml:math><mml:mi> R </mml:mi></mml:math></inline-formula> is chosen as the nodes of the minimum-weight directed </p>
        <p>cycle <inline-formula><mml:math><mml:mi> C </mml:mi></mml:math></inline-formula> of size 3 in <inline-formula><mml:math><mml:mi> G </mml:mi></mml:math></inline-formula> . It can be found in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> O </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> n </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> time since there are <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi> n </mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula></p>
        <p>possible directed cycles of size 3.</p>
        <p><bold>Theorem 2</bold><italic>The total weight of</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> ∪ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> o </mml:mi><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> ∪ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> K </mml:mi><mml:mi> R </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is at most</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mfrac><mml:mn> 3 </mml:mn><mml:mn> 4 </mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>times the optimum</italic>. </p>
        <p><bold>Proof:</bold> Let <inline-formula><mml:math><mml:mi> T </mml:mi></mml:math></inline-formula> be a minimum-weight 3-vertex-connected spanning subgraph of <inline-formula><mml:math><mml:mi> G </mml:mi></mml:math></inline-formula> . Based on the result of section 3, <inline-formula><mml:math><mml:mi> T </mml:mi></mml:math></inline-formula> has at least four directed cycles of size ≥3: <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 4 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . For any <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 3 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 4 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi> C </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> ' </mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be a directed cycle of size 3 obtained from <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by taking shortcuts if necessary. Based on the triangle inequality, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> weight </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:msup><mml:mi> C </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mtext> weight </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 3 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 4 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Therefore, since <inline-formula><mml:math><mml:mi> C </mml:mi></mml:math></inline-formula> is the minimum-weight directed cycle of size 3,</p>
        <disp-formula id="FD4">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mtext>weight</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>C</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mtext>weight</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>C</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mi>i</mml:mi>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mtext>weight</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>C</mml:mi>
                    <mml:mi>i</mml:mi>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Thus,</p>
        <disp-formula id="FD5">
          <label>(1)</label>
          <mml:math>
            <mml:mtable columnalign="left">
              <mml:mtr>
                <mml:mtd>
                  <mml:mtext>weight</mml:mtext>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mi>T</mml:mi>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>≥</mml:mo>
                  <mml:mtext>weight</mml:mtext>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>C</mml:mi>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mtext>weight</mml:mtext>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>C</mml:mi>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mtext>weight</mml:mtext>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>C</mml:mi>
                        <mml:mn>3</mml:mn>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mtext>weight</mml:mtext>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>C</mml:mi>
                        <mml:mn>4</mml:mn>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
              <mml:mtr>
                <mml:mtd>
                  <mml:mo>≥</mml:mo>
                  <mml:mn>4</mml:mn>
                  <mml:mo>⋅</mml:mo>
                  <mml:mtext>weight</mml:mtext>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mi>C</mml:mi>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>.</mml:mo>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
            </mml:mtable>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Let <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> C </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> be the cycle of the opposite orientation to <inline-formula><mml:math><mml:mi> C </mml:mi></mml:math></inline-formula> , that is, if <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> C </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> v </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> → </mml:mo><mml:msub><mml:mi> v </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> → </mml:mo><mml:msub><mml:mi> v </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> → </mml:mo><mml:msub><mml:mi> v </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> then <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> C </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> v </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> → </mml:mo><mml:msub><mml:mi> v </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> → </mml:mo><mml:msub><mml:mi> v </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> → </mml:mo><mml:msub><mml:mi> v </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Based on the triangle inequality,</p>
        <disp-formula id="FD6">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mtext>weight</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                  </mml:msub>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mn>3</mml:mn>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mtext>weight</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                  </mml:msub>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mtext>weight</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msub>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mn>3</mml:mn>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <disp-formula id="FD7">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mtext>weight</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mn>3</mml:mn>
                  </mml:msub>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mtext>weight</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mn>3</mml:mn>
                  </mml:msub>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mtext>weight</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                  </mml:msub>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <disp-formula id="FD8">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mtext>weight</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msub>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mtext>weight</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msub>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mn>3</mml:mn>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mtext>weight</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mn>3</mml:mn>
                  </mml:msub>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Adding up the left and right hand sides of the above three inequalities will result in</p>
        <disp-formula id="FD9">
          <label>(2)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mtext>weight</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>C</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mn>2</mml:mn>
              <mml:mo>⋅</mml:mo>
              <mml:mtext>weight</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>C</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>That is, the weight of the cycle of the opposite orientation to <inline-formula><mml:math><mml:mi> C </mml:mi></mml:math></inline-formula> is no more than twice the weight of <inline-formula><mml:math><mml:mi> C </mml:mi></mml:math></inline-formula> . Based on (1) and (2),</p>
        <disp-formula id="FD10">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mtext>weight</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>K</mml:mi>
                    <mml:mi>R</mml:mi>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mtext>weight</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>C</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mtext>weight</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>C</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mn>3</mml:mn>
              <mml:mo>⋅</mml:mo>
              <mml:mtext>weight</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>C</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>3</mml:mn>
                <mml:mo>/</mml:mo>
                <mml:mn>4</mml:mn>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>⋅</mml:mo>
              <mml:mtext>weight</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>T</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Using also the results of lemma 3,</p>
        <disp-formula id="FD11">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mtext>weight</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>S</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mi>n</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mtext>weight</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>S</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>o</mml:mi>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                      <mml:mi>t</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mtext>weight</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>K</mml:mi>
                    <mml:mi>R</mml:mi>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mn>2</mml:mn>
              <mml:mfrac>
                <mml:mn>3</mml:mn>
                <mml:mn>4</mml:mn>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>⋅</mml:mo>
              <mml:mtext>weight</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>T</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
      </sec>
      <sec id="sec4dot5">
        <title>4.5. Complexity Analysis</title>
        <p>The total running time of the algorithm is dominated by finding the set <inline-formula><mml:math><mml:mi> R </mml:mi></mml:math></inline-formula> and executing the two calls to the Frank–Tardos subroutine, ROOT-VERTICES-IN (<inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> G </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ) and ROOT-VERTICES-OUT (<inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> G </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ). For an input digraph <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> G </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> E </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mi> V </mml:mi><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> m </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mi> E </mml:mi><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> : </p>
        <p><bold>Root Set Identification:</bold> For <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , finding the minimum-weight digon requires <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> O </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> n </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> time by inspecting all <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi> n </mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> vertex pairs. For <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , finding the minimum-weight directed 3-cycle takes <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> O </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> n </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> time by inspecting all <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi> n </mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> candidate 3-cycles. <bold>Subroutine Executions:</bold> For constant <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the subroutines ROOT-VERTICES-IN or ROOT-VERTICES-OUT have <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> O </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> n </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup><mml:mi> m </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> running time [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>]. </p>
        <p>Since <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> m </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in strongly connected digraphs, the <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> O </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> n </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup><mml:mi> m </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> subroutine phase bounds the total execution time. Thus, the main algorithm achieves an overall time complexity of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> O </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> n </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup><mml:mi> m </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for both <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      </sec>
    </sec>
    <sec id="sec5">
      <title>5. Future Directions</title>
      <p>Getting similar results in digraphs of minimum degree <inline-formula><mml:math><mml:mi> k </mml:mi></mml:math></inline-formula> for general <inline-formula><mml:math><mml:mi> k </mml:mi></mml:math></inline-formula> would be interesting. That result could be used to get approximation algorithms for general <inline-formula><mml:math><mml:mi> k </mml:mi></mml:math></inline-formula> -vertex-connectivity problems.</p>
      <p>Furthermore, it would be natural to extend these cycle-packing techniques to more refined network resilience metrics. In particular, investigating whether degree-constrained cycle packings can yield structural bounds for super connectivity [<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>] or approximation guarantees for <inline-formula><mml:math><mml:mi> k </mml:mi></mml:math></inline-formula> -robustness in networks [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>] presents a promising direction for future research.</p>
      <p>Another interesting question is whether the cycle packing properties could be used to obtain approximation algorithms for other network design problems.</p>
    </sec>
  </body>
  <back>
    <ref-list>
      <title>References</title>
      <ref id="B1">
        <label>1.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Balister, P. (2003) Packing Digraphs with Directed Closed Trails. <italic>Combinatorics,</italic><italic>Probability</italic><italic>and</italic><italic>Computing</italic>, 12, 1-15. https://doi.org/10.1017/s0963548302005461 <pub-id pub-id-type="doi">10.1017/s0963548302005461</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1017/s0963548302005461">https://doi.org/10.1017/s0963548302005461</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Balister, P.</string-name>
              <string-name>Combinatorics, P</string-name>
            </person-group>
            <year>2003</year>
            <article-title>Packing Digraphs with Directed Closed Trails</article-title>
            <source>Combinatorics</source>
            <volume>12</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1017/s0963548302005461</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B2">
        <label>2.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Seymour, P.D. (1995) Packing Directed Circuits Fractionally. <italic>Combinatorica</italic>, 15, 281-288. https://doi.org/10.1007/bf01200760 <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/bf01200760</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1007/bf01200760">https://doi.org/10.1007/bf01200760</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Seymour, P.D.</string-name>
            </person-group>
            <year>1995</year>
            <article-title>Packing Directed Circuits Fractionally</article-title>
            <source>Combinatorica</source>
            <volume>15</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/bf01200760</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B3">
        <label>3.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Conlon, D., Fox, J. and Sudakov, B. (2014) Cycle Packing. <italic>Random</italic><italic>Structures</italic><italic>&amp;</italic><italic>Algorithms</italic>, 45, 608-626. https://doi.org/10.1002/rsa.20574 <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/rsa.20574</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1002/rsa.20574">https://doi.org/10.1002/rsa.20574</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Conlon, D.</string-name>
              <string-name>Fox, J.</string-name>
              <string-name>Sudakov, B.</string-name>
            </person-group>
            <year>2014</year>
            <article-title>Cycle Packing</article-title>
            <source>Random Structures &amp; Algorithms</source>
            <volume>45</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/rsa.20574</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B4">
        <label>4.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="confproc">Salavatipour, M.R. and Verstraëte, J. (2005) Disjoint Cycles in Directed Graphs. <italic>Proceedings of the Sixteenth Annual ACM</italic>- <italic>SIAM Symposium on Discrete Algorithms</italic>( <italic>SODA</italic>), Vancouver, 23-25 January 2005, 1152-1151.</mixed-citation>
          <element-citation publication-type="confproc">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Salavatipour, M.R.</string-name>
            </person-group>
            <year>2005</year>
            <article-title>Disjoint Cycles in Directed Graphs</article-title>
            <source>Proceedings of the Sixteenth Annual ACM-SIAM Symposium on Discrete Algorithms (SODA)</source>
            <volume>23</volume>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B5">
        <label>5.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="web">Shang, Y. (2010) On the Degree Sequence of Random Geometric Digraphs. <italic>Applied Mathematical Sciences</italic>, 4, 2001-2012. https://www.m-hikari.com/ams/ams-2010/ams-41-44-2010/index.html</mixed-citation>
          <element-citation publication-type="web">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Shang, Y.</string-name>
            </person-group>
            <year>2010</year>
            <article-title>On the Degree Sequence of Random Geometric Digraphs</article-title>
            <source>Applied Mathematical Sciences</source>
            <volume>4</volume>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B6">
        <label>6.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="journal">Alon, N., McDiarmid, K. and Molloy M. (1996) Edge-Disjoint Cycles in Regular Directed Graphs. <italic>Journal of Graph Theory</italic>, 22, 231-237. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/(SICI)1097-0118(199607)22:3%3C231::AID-JGT3%3E3.0.CO;2-N?utm_source=gemini <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/(SICI)1097-0118(199607)22:3</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1002/(SICI)1097-0118(199607)22:3">https://doi.org/10.1002/(SICI)1097-0118(199607)22:3</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="journal">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Alon, N.</string-name>
              <string-name>McDiarmid, K.</string-name>
            </person-group>
            <year>1996</year>
            <article-title>Edge-Disjoint Cycles in Regular Directed Graphs</article-title>
            <source>Journal of Graph Theory</source>
            <volume>22</volume>
            <fpage>3</fpage>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/(SICI)1097-0118(199607)22:3</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B7">
        <label>7.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Gupta, A. and Könemann, J. (2011) Approximation Algorithms for Network Design: A Survey. <italic>Surveys</italic><italic>in</italic><italic>Operations</italic><italic>Research</italic><italic>and</italic><italic>Management</italic><italic>Science</italic>, 16, 3-20. https://doi.org/10.1016/j.sorms.2010.06.001 <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.sorms.2010.06.001</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.sorms.2010.06.001">https://doi.org/10.1016/j.sorms.2010.06.001</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Gupta, A.</string-name>
            </person-group>
            <year>2011</year>
            <article-title>Approximation Algorithms for Network Design: A Survey</article-title>
            <source>Surveys in Operations Research and Management Science</source>
            <volume>16</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.sorms.2010.06.001</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B8">
        <label>8.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="journal">Khuller, S. and Raghavachari, B. (1996) Improved Approximation Algorithms for Uniform Connectivity Problems. <italic>Journal</italic><italic>of</italic><italic>Algorithms</italic>, 21, 434-450. https://doi.org/10.1006/jagm.1996.0052 <pub-id pub-id-type="doi">10.1006/jagm.1996.0052</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1006/jagm.1996.0052">https://doi.org/10.1006/jagm.1996.0052</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="journal">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Khuller, S.</string-name>
              <string-name>Raghavachari, B.</string-name>
            </person-group>
            <year>1996</year>
            <article-title>Improved Approximation Algorithms for Uniform Connectivity Problems</article-title>
            <source>Journal of Algorithms</source>
            <volume>21</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1006/jagm.1996.0052</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B9">
        <label>9.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Kortsarz, G. and Nutov, Z. (2003) Approximating Node Connectivity Problems via Set Covers. <italic>Algorithmica</italic>, 37, 75-92. https://doi.org/10.1007/s00453-003-1027-4 <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s00453-003-1027-4</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1007/s00453-003-1027-4">https://doi.org/10.1007/s00453-003-1027-4</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Kortsarz, G.</string-name>
              <string-name>Nutov, Z.</string-name>
            </person-group>
            <year>2003</year>
            <article-title>Approximating Node Connectivity Problems via Set Covers</article-title>
            <source>Algorithmica</source>
            <volume>37</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s00453-003-1027-4</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B10">
        <label>10.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="journal">Frank, A. and Tardos, É. (1989) An Application of Submodular Flows. <italic>Linear</italic><italic>Algebra</italic><italic>and</italic><italic>its</italic><italic>Applications</italic>, 114, 329-348. https://doi.org/10.1016/0024-3795(89)90469-2 <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0024-3795(89)90469-2</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1016/0024-3795(89)90469-2">https://doi.org/10.1016/0024-3795(89)90469-2</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="journal">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Frank, A.</string-name>
            </person-group>
            <year>1989</year>
            <article-title>An Application of Submodular Flows</article-title>
            <source>Linear Algebra and its Applications</source>
            <volume>3795</volume>
            <issue>89</issue>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0024-3795(89)90469-2</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B11">
        <label>11.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Shang, Y. (2019) Super Connectivity of Erdős-Rényi Graphs. <italic>Mathematics</italic>, 7, Article 267. https://doi.org/10.3390/math7030267 <pub-id pub-id-type="doi">10.3390/math7030267</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.3390/math7030267">https://doi.org/10.3390/math7030267</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Shang, Y.</string-name>
            </person-group>
            <year>2019</year>
            <article-title>Super Connectivity of Erdős-Rényi Graphs</article-title>
            <source>Mathematics</source>
            <volume>7</volume>
            <elocation-id>267</elocation-id>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.3390/math7030267</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B12">
        <label>12.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="journal">Shang, Y. (2023) On Connectivity and Robustness of Random Graphs with Inhomogeneity. <italic>Journal of Applied Probability</italic>, 60, 284-294. https://www.cambridge.org/core/journals/journal-of-applied-probability/article/abs/on-connectivity-and-robustness-of-random-graphs-with-inhomogeneity/63E67543B2CC627844B0E62DBD5599BA?utm_source=gemini</mixed-citation>
          <element-citation publication-type="journal">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Shang, Y.</string-name>
            </person-group>
            <year>2023</year>
            <article-title>On Connectivity and Robustness of Random Graphs with Inhomogeneity</article-title>
            <source>Journal of Applied Probability</source>
            <volume>60</volume>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
    </ref-list>
  </back>
</article>