Adding Logical Operators to Tree Pattern Queries on Graph-Structured Data

As data are increasingly modeled as graphs for expressing complex relationships, the tree pattern query on graph-structured data becomes an important type of queries in real-world applications. Most practical query languages, such as XQuery and SPARQL, support logical expressions using logical-AND/OR/NOT operators to define structural constraints of tree patterns. In this paper, (1) we propose generalized tree pattern queries (GTPQs) over graph-structured data, which fully support propositional logic of structural constraints. (2) We make a thorough study of fundamental problems including satisfiability, containment and minimization, and analyze the computational complexity and the decision procedures of these problems. (3) We propose a compact graph representation of intermediate results and a pruning approach to reduce the size of intermediate results and the number of join operations -- two factors that often impair the efficiency of traditional algorithms for evaluating tree pattern queries. (4) We present an efficient algorithm for evaluating GTPQs using 3-hop as the underlying reachability index. (5) Experiments on both real-life and synthetic data sets demonstrate the effectiveness and efficiency of our algorithm, from several times to orders of magnitude faster than state-of-the-art algorithms in terms of evaluation time, even for traditional tree pattern queries with only conjunctive operations.Comment: 16 page

Local Prime Factor Decomposition of Approximate Strong Product Graphs: Local Prime Factor Decompositionof Approximate Strong Product Graphs

In practice, graphs often occur as perturbed product structures, so-called approximate graph products. The practical application of the well-known prime factorization algorithms is therefore limited, since most graphs are prime, although they can have a product-like structure. This work is concerned with the strong graph product. Since strong product graphs G contain subgraphs that are itself products of subgraphs of the underlying factors of G, we follow the idea to develop local approaches that cover a graph by factorizable patches and then use this information to derive the global factors. First, we investigate the local structure of strong product graphs and introduce the backbone B(G) of a graph G and the so-called S1-condition. Both concepts play a central role for determining the prime factors of a strong product graph in a unique way. Then, we discuss several graph classes, in detail, NICE, CHIC and locally unrefined graphs. For each class we construct local, quasi-linear time prime factorization algorithms. Combining these results, we then derive a new local prime factorization algorithm for all graphs. Finally, we discuss approximate graph products. We use the new local factorization algorithm to derive a method for the recognition of approximate graph products. Furthermore, we evaluate the performance of this algorithm on a sample of approximate graph products

Tree-Structured Problems and Parallel Computation

Turing-Maschinen sind das klassische Beschreibungsmittel für Wortsprachen und werden daher auch benützt, um Komplexitätsklassen zu definieren. Dies geschieht zum Beispiel durch das Einschränken des Platz- oder Zeitaufwandes der Berechnung zur Lösung eines Problems. Für sehr niedrige Komplexität wie etwa sublineare Laufzeit, werden Schaltkreise verwendet. Schaltkreise können auf natürliche Art Komplexitäten wie etwa logarithmische Laufzeit modellieren. Ebenso können sie als eine Art paralleles Rechenmodell gesehen werden. Eine wichtige parallele Komplexitätsklasse ist NC1. Sie wird beschrieben durch Boolesche Schaltkreise logarithmischer Tiefe und beschränktem Eingangsgrad der Gatter. Eine initiale Beobachtung, die die vorliegende Arbeit motiviert, ist, dass viele schwere Probleme in NC1 eine ähnliche Struktur haben und auf ähnliche Art und Weise gelöst werden. Das Auswertungsproblem für Boolesche Formeln ist eines der repräsentativsten Probleme aus dieser Klasse: Gegeben ist hier eine aussagenlogische Formel samt Belegung für die Variablen; gefragt ist, ob sie zu wahr oder zu falsch auswertet. Dieses Problem wird in NC1 gelöst durch den Algorithmus von Buss. Auf ähnliche Art können arithmetische Formeln in #NC1 ausgewertet oder das Wortproblem für Visibly-Pushdown-Sprachen gelöst werden. Zu besagter Klasse an Problemen gehört auch Courcelles Theorem, welches Berechnungen in Baumautomaten involviert. Zu bemerken ist, dass alle angesprochenen Probleme gemeinsam haben, dass sie aus Instanzen bestehen, die baumartig sind. Formeln sind Bäume, Visibly-Pushdown-Sprachen enthalten als Wörter kodierte Bäume und Courcelles Theorem betrachtet Graphen mit beschränkter Baumweite, d.h. Graphen, die sich als Baum darstellen lassen. Insbesondere Letzteres ist ein Schema, das häufiger auftritt. Zum Beispiel gibt es NP-vollständige Graphprobleme wie das Finden von Hamilton-Kreisen, welches unter beschränkter Baumweite in P fällt. Neuere Analysen konnten diese Schranke weiter zu SAC1 verbessern, was eine parallele Komplexitätsklasse ist. Die angesprochenen Probleme kommen aus unterschiedlichen Bereichen und haben individuelle Lösungen. Hauptthese dieser Arbeit ist, dass sich diese Vielfalt vereinheitlichen lässt. Es wird ein generisches Lösungskonzept vorgestellt, welches darauf beruht, dass sich die Probleme auf ein Termevaluierungsproblem reduzieren lassen. Kernstück ist daher ein Termevaluierungsalgorithmus, der unabhängig von der Algebra, über welche der Term evaluiert werden soll, ist. Resultat ist, dass eine Vielzahl, darunter die oben angesprochenen Probleme, sich auf analoge Art lösen lassen, und dass sich ebenso leicht neue Resultate zeigen lassen. Diese Menge an Resultaten hätte sich ohne den vereinheitlichten Lösungsansatz nicht innerhalb des Rahmens einer Arbeit wie der vorliegenden zeigen lassen. Der entwickelte Lösungsansatz führt stets zu Schaltkreisfamilien polylogarithmischer Tiefe. Es wird jedoch auch die Frage behandelt, wie mächtig Schaltkreisfamilien konstanter Tiefe noch bezüglich Termevaluierung sind. Die Klasse AC0 ist hierfür ein natürlicher Kandidat; sie entspricht der Menge der Sprachen, die durch Logik erster Ordung beschreibbar sind. Um dieses Problem anzugehen, wird zunächst das Termevaluierungsproblem über endlichen Algebren betrachtet. Dieses wiederum lässt sich in das Wortproblem von Visibly-Pushdown-Sprachen einbetten. Daher handelt dieser Teil der Arbeit vornehmlich von der Beschreibbarkeit von Visibly-Pushdown-Sprachen in Logik erster Ordnung. Hierbei treten ungelöste Probleme zu Tage, welche ein Indiz dafür sind, wie schlecht die Komplexität konstanter Tiefe bisher noch verstanden ist, und das, trotz des Resultats von Furst, Saxe und Sipser, bzw. Håstads. Die bis jetzt beschrieben Inhalte sind Teil einer kontinuierlichen Entwicklung. Es gibt jedoch ein Thema in dieser Arbeit, das orthogonal dazu ist: Automaten und im speziellen Cost-Register-Automaten. Zum einen sind, wie oben angedeutet, Automaten Beispiele für Anwendungen des hier entwickelten generischen Lösungsansatzes. Zum anderen können sie selbst zur Beschreibung von Termevaluierungsproblemen dienen; so können Visibly-Pushdown-Automaten Termevaluierung über endlichen Algebren ausführen. Um über endliche Algebren hinauszugehen, benötigen die Automaten mehr Speicher. Visibly-Pushdown-Automaten haben einen Keller, der genau dafür geeignet ist, die Baumstruktur einer Eingabeformel zu verifizieren. Für nichtendliche Algebren eignet sich ein Modell, welches hier vorgestellt werden soll. Es kombiniert Visibly-Pushdown-Automaten mit Cost-Register-Automaten. Ein Cost-Register-Automat ist ein endlicher Automat, welcher mit zusätzlichen Registern ausgestattet ist. Die Register können Werte einer Algebra speichern und werden in jedem Schritt in Abhängigkeit des Eingabezeichens und des Zustandes aktualisiert. Dieser Einwegdatenfluss von Zuständen zu Registern sorgt dafür, dass dieses Modell nicht nur entscheidbar bleibt, sondern, in Abhängigkeit der Algebra, auch niedrige Komplexität hat. Das neue Modell der Cost-Register-Visibly-Pushdown-Automaten kann nun Terme evaluieren. Es werden grundlegende Eigenschaften gezeigt, einschließlich Komplexitätsaussagen

Between primitive and 2-transitive : synchronization and its friends

The second author was supported by the Fundação para a Ciência e Tecnologia (Portuguese Foundation for Science and Technology) through the project CEMAT-CIÊNCIAS UID/Multi/ 04621/2013An automaton (consisting of a finite set of states with given transitions) is said to be synchronizing if there is a word in the transitions which sends all states of the automaton to a single state. Research on this topic has been driven by the Černý conjecture, one of the oldest and most famous problems in automata theory, according to which a synchronizing n-state automaton has a reset word of length at most (n − 1)2 . The transitions of an automaton generate a transformation monoid on the set of states, and so an automaton can be regarded as a transformation monoid with a prescribed set of generators. In this setting, an automaton is synchronizing if the transitions generate a constant map. A permutation group G on a set Ω is said to synchronize a map f if the monoid (G, f) generated by G and f is synchronizing in the above sense; we say G is synchronizing if it synchronizes every non-permutation. The classes of synchronizing groups and friends form an hierarchy of natural and elegant classes of groups lying strictly between the classes of primitive and 2-homogeneous groups. These classes have been floating around for some years and it is now time to provide a unified reference on them. The study of all these classes has been prompted by the Černý conjecture, but it is of independent interest since it involves a rich mix of group theory, combinatorics, graph endomorphisms, semigroup theory, finite geometry, and representation theory, and has interesting computational aspects as well. So as to make the paper self-contained, we have provided background material on these topics. Our purpose here is to present recent work on synchronizing groups and related topics. In addition to the results that show the connections between the various areas of mathematics mentioned above, we include a new result on the Černý conjecture (a strengthening of a theorem of Rystsov), some challenges to finite geometers (which classical polar spaces can be partitioned into ovoids?), some thoughts about infinite analogues, and a long list of open problems to stimulate further work.PostprintPeer reviewe

Block Stanley Deompositions II. Greedy Algorithms, Applications and Open Problems

Stanley decompositions are used in applied mathematics (dynamical systems) and sl2 invariant theory as finite descriptsions of the set of standard monomials of a monomial ideal. The block notation for Stanley decompositions has proved itself in this context as a shorter notation and one that is useful in formulating algorithms such as the box product. Since the box product appears only in dynamical systems literature, we sketch its purpose and the role of block notation in this application. Then we present a greedy algorithm that produces incompressible block decompositions (called organized ) from the monomial ideal; these are desirable for their likely brevity. Several open problems are proposed. We also continue to simplify the statement of the Soleyman-Jahan condition for a Stanley decomposition to be prime (come from a prime filtration) and for a block decomposition to be subprime, and present a greedy algorithm to produce stacked decompositions, which are subprime