Incremental decision procedures for modal logics with nominals and eventualities

This thesis contributes to the study of incremental decision procedures for modal logics with nominals and eventualities. Eventualities are constructs that allow to reason about the reflexive-transitive closure of relations. Eventualities are an essential feature of temporal logics and propositional dynamic logic (PDL). Nominals extend modal logics with the possibility to reason about state equality. Modal logics with nominals are often called hybrid logics. Incremental procedures are procedures that can potentially solve a problem by performing only the reasoning steps needed for the problem in the underlying calculus. We begin by introducing a class of syntactic models called demos and showing how demos can be used for obtaining nonincremental but worst-case optimal decision procedures for extensions of PDL with nominals, converse and difference modalities. We show that in the absence of nominals, such nonincremental procedures can be refined into incremental demo search procedures, obtaining a worst-case optimal decision procedure for modal logic with eventualities. We then develop the first incremental decision procedure for basic hybrid logic with eventualities, which we eventually extend to deal with hybrid PDL. The approach in the thesis suggests a new principled design of modular, incremental decision procedures for expressive modal logics. In particular, it yields the first incremental procedures for modal logics containing both nominals and eventualities.Diese Dissertation untersucht inkrementelle Entscheidungsverfahren für Modallogiken mit Nominalen und Eventualities. Eventualities sind Konstrukte, die erlauben, über den reflexiv-transitiven Abschluss von Relationen zu sprechen. Sie sind ein Schlüsselmerkmal von Temporallogiken und dynamischer Aussagenlogik (PDL). Nominale erweitern Modallogik um die Möglichkeit, über Gleichheit von Zuständen zu sprechen. Modallogik mit Nominalen nennt man Hybridlogik. Inkrementell ist ein Verfahren dann, wenn es ein Problem so lösen kann, dass für die Lösung nur solche Schritte in dem zugrundeliegenden Kalkül gemacht werden, die für das Problem relevant sind. Wir führen zunächst eine Klasse syntaktischer Modelle ein, die wir Demos nennen. Wir nutzen Demos um nichtinkrementelle aber laufzeitoptimale Entscheidungsverfahren für Erweiterungen von PDL zu konstruieren. Wir zeigen, dass im Fall ohne Nominale solche Verfahren durch algorithmische Verfeinerung zu inkrementellen Verfahren ausgebaut werden können. Insbesondere erhalten wir so ein optimales Verfahren für Modallogik mit Eventualities. Anschließend entwickeln wir das erste inkrementelle Verfahren für Hybridlogik mit Eventualities, welches wir schließlich auf hybrides PDL erweitern. Die Dissertation vermittelt einen neuen Ansatz zur Konstruktion modularer, inkrementeller Entscheidungsverfahren für expressive Modallogiken. Insbesondere liefert der Ansatz die ersten inkrementellen Verfahren für Modallogiken mit Nominalen und Eventualities

Labelled Superposition for {PLTL}

This paper introduces a new decision procedure for PLTL based on labelled superposition. Its main idea is to treat temporal formulas as infinite sets of purely propositional clauses over an extended signature. These infinite sets are then represented by finite sets of labelled propositional clauses. The new representation enables the replacement of the complex temporal resolution rule, suggested by existing resolution calculi for PLTL, by a fine grained repetition check of finitely saturated labelled clause sets followed by a simple inference. The completeness argument is based on the standard model building idea from superposition. It inherently justifies ordering restrictions, redundancy elimination and effective partial model building. The latter can be directly used to effectively generate counterexamples of non-valid PLTL conjectures out of saturated labelled clause sets in a straightforward way

A machine-checked constructive metatheory of computation tree logic

This thesis presents a machine-checked constructive metatheory of computation tree logic (CTL) and its sublogics K and K* based on results from the literature. We consider models, Hilbert systems, and history-based Gentzen systems and show that for every logic and every formula s the following statements are decidable and equivalent: s is true in all models, s is provable in the Hilbert system, and s is provable in the Gentzen system. We base our proofs on pruning systems constructing finite models for satisfiable formulas and abstract refutations for unsatisfiable formulas. The pruning systems are devised such that abstract refutations can be translated to derivations in the Hilbert system and the Gentzen system, thus establishing completeness of both systems with a single model construction. All results of this thesis are formalized and machine-checked with the Coq interactive theorem prover. Given the level of detail involved and the informal presentation in much of the original work, the gap between the original paper proofs and constructive machine-checkable proofs is considerable. The mathematical proofs presented in this thesis provide for elegant formalizations and often differ significantly from the proofs in the literature.Diese Dissertation beschreibt eine maschinell verifizierte konstruktive Metatheorie von computation tree logic (CTL) und deren Teillogiken K und K*. Wir betrachten Modelle, Hilbert-Kalküle und History-basierte Gentzen-Kalküle und zeigen, für jede betrachtete Logik und jede Formel s, Entscheidbarkeit und Äquivalenz der folgenden Aussagen: s gilt in allen Modellen, s ist im Hilbert-Kalkül ableitbar und s ist im Gentzen-Kalkül ableitbar. Die Beweise bauen auf Pruningsystemen auf, welche für erfüllbare Formeln endliche Modelle und für unerfüllbare Formeln abstrakte Widerlegungen konstruieren. Die Pruningsysteme sind so konstruiert, dass abstrakte Widerlegungen zu Widerlegungen sowohl im Hilbert- als auch im Gentzen-Kalkül übersetzt werden können. Dadurch wird es möglich, die Vollständigkeit beider Systeme mit nur einer Modellkonstruktion zu zeigen. Alle Ergebnisse dieser Dissertation sind formalisiert und maschinell verifiziert mit Hilfe des Beweisassistenten Coq. In Anbetracht der Fülle an Details und der informellen Beweisführung in großen Teilen der Originalliteratur, erfordert dies teilweise tiefgreifende Veränderungen an den Beweisen aus der Literatur. Die Beweise in der vorliegenden Arbeit sind so aufgebaut, dass sie zu eleganten Formalisierungen führen

A machine-checked constructive metatheory of computation tree logic

This thesis presents a machine-checked constructive metatheory of computation tree logic (CTL) and its sublogics K and K* based on results from the literature. We consider models, Hilbert systems, and history-based Gentzen systems and show that for every logic and every formula s the following statements are decidable and equivalent: s is true in all models, s is provable in the Hilbert system, and s is provable in the Gentzen system. We base our proofs on pruning systems constructing finite models for satisfiable formulas and abstract refutations for unsatisfiable formulas. The pruning systems are devised such that abstract refutations can be translated to derivations in the Hilbert system and the Gentzen system, thus establishing completeness of both systems with a single model construction. All results of this thesis are formalized and machine-checked with the Coq interactive theorem prover. Given the level of detail involved and the informal presentation in much of the original work, the gap between the original paper proofs and constructive machine-checkable proofs is considerable. The mathematical proofs presented in this thesis provide for elegant formalizations and often differ significantly from the proofs in the literature.Diese Dissertation beschreibt eine maschinell verifizierte konstruktive Metatheorie von computation tree logic (CTL) und deren Teillogiken K und K*. Wir betrachten Modelle, Hilbert-Kalküle und History-basierte Gentzen-Kalküle und zeigen, für jede betrachtete Logik und jede Formel s, Entscheidbarkeit und Äquivalenz der folgenden Aussagen: s gilt in allen Modellen, s ist im Hilbert-Kalkül ableitbar und s ist im Gentzen-Kalkül ableitbar. Die Beweise bauen auf Pruningsystemen auf, welche für erfüllbare Formeln endliche Modelle und für unerfüllbare Formeln abstrakte Widerlegungen konstruieren. Die Pruningsysteme sind so konstruiert, dass abstrakte Widerlegungen zu Widerlegungen sowohl im Hilbert- als auch im Gentzen-Kalkül übersetzt werden können. Dadurch wird es möglich, die Vollständigkeit beider Systeme mit nur einer Modellkonstruktion zu zeigen. Alle Ergebnisse dieser Dissertation sind formalisiert und maschinell verifiziert mit Hilfe des Beweisassistenten Coq. In Anbetracht der Fülle an Details und der informellen Beweisführung in großen Teilen der Originalliteratur, erfordert dies teilweise tiefgreifende Veränderungen an den Beweisen aus der Literatur. Die Beweise in der vorliegenden Arbeit sind so aufgebaut, dass sie zu eleganten Formalisierungen führen

Proof-theoretic Semantics for Intuitionistic Multiplicative Linear Logic

This work is the first exploration of proof-theoretic semantics for a substructural logic. It focuses on the base-extension semantics (B-eS) for intuitionistic multiplicative linear logic (IMLL). The starting point is a review of Sandqvist’s B-eS for intuitionistic propositional logic (IPL), for which we propose an alternative treatment of conjunction that takes the form of the generalized elimination rule for the connective. The resulting semantics is shown to be sound and complete. This motivates our main contribution, a B-eS for IMLL , in which the definitions of the logical constants all take the form of their elimination rule and for which soundness and completeness are established

28th International Symposium on Temporal Representation and Reasoning (TIME 2021)

The 28th International Symposium on Temporal Representation and Reasoning (TIME 2021) was planned to take place in Klagenfurt, Austria, but had to move to an online conference due to the insecurities and restrictions caused by the pandemic. Since its frst edition in 1994, TIME Symposium is quite unique in the panorama of the scientifc conferences as its main goal is to bring together researchers from distinct research areas involving the management and representation of temporal data as well as the reasoning about temporal aspects of information. Moreover, TIME Symposium aims to bridge theoretical and applied research, as well as to serve as an interdisciplinary forum for exchange among researchers from the areas of artifcial intelligence, database management, logic and verifcation, and beyond

Resolution-based methods for linear temporal reasoning

The aim of this thesis is to explore the potential of resolution-based methods for linear temporal reasoning. On the abstract level, this means to develop new algorithms for automated reasoning about properties of systems which evolve in time. More concretely, we will: 1) show how to adapt the superposition framework to proving theorems in propositional Linear Temporal Logic (LTL), 2) use a connection between superposition and the CDCL calculus of modern SAT solvers to come up with an efficient LTL prover, 3) specialize the previous to reachability properties and discover a close connection to Property Directed Reachability (PDR), an algorithm recently developed for model checking of hardware circuits, 4) further improve PDR by providing a new technique for enhancing clause propagation phase of the algorithm, and 5) adapt PDR to automated planning by replacing the SAT solver inside with a planning-specific procedure. We implemented the proposed ideas and provide experimental results which demonstrate their practical potential on representative benchmark sets. Our system LS4 is shown to be the strongest LTL prover currently publicly available. The mentioned enhancement of PDR substantially improves the performance of our implementation of the algorithm for hardware model checking in the multi-property setting. It is expected that other implementations would benefit from it in an analogous way. Finally, our planner PDRplan has been compared with the state-of-the-art planners on the benchmarks from the International Planning Competition with very promising results.Das Ziel dieser Doktorarbeit ist es, das Potential resolutionsbasierter Methoden zur linearer, temporaler Beweisführung zu untersuchen. Von einem abstrakten Gesichtspunkt aus gesehen bedeutet dies, neue Algorithmen über die Eigenschaften von sich zeitlich entwicklenden Systemen im Bereich des automatischen Theorembeweisens zu entwickeln. Konkreter gesagt werden wir 1) aufzeigen, wie sich das Rahmenprogramm der Superposition so anpassen lässt, damit es Theoreme in propositionaler Linear Temporal Logic (LTL) beweist, 2) eine Verbindung zwischen der Superposition und dem CDCL-Kalkül moderner SAT-Solver nutzen, um mit einem effizienten LTL-Prover aufzuwarten, 3) das Vorangegangene auf Erreichbarkeitseigenschaften spezialisieren, und eine starke Verbindung zu der Property Directed Reachability (PDR), einem jüngst eintwickeltem Model-Checking-Algorithmus für Hardware-Schaltkreise, aufzudecken, 4) PDR durch die Einführung neuer Technik verbessern, die die Clause-Propagation-Phase des Algorithmus beschleunigt, und 5) PDR für das automatisierte Planen anpassen, indem wir den inneren SAT-Solver durch eine planungsspezifische Prozedur ersetzen. Wir haben die vorgeschlagenen Ideen implementiert, und es werden experimentelle Ergebnisse angegeben, die das praktische Potential dieser Ideen auf repräsentativen Benchmarks aufzeigt. Es hat sich herausgestellt, dass unser System LS4 der staerkste öffentlich zugängliche LTL-Prover ist. Die erwähnte Erweiterung von PDR verbessern die Leistungsfähigkeit unserer Implementierung des Hardware-Model-Checking-Algorithmus substantiell im Bereich der Multi-Property-Einstellungen. Wir erwarten, dass andere Implementierungen in ähnlicher Weise profitieren würden. Schließlich haben wir viel versprechende Ergebnisse durch den Vergleich unser Planer PDRplan mit anderen state-of-the-art Planer auf den Benchmarks der International Planning Competition erzielt

Temporal Logic Encodings for SAT-based Bounded Model Checking

Since its introduction in 1999, bounded model checking (BMC) has quickly become a serious and indispensable tool for the formal verification of hardware designs and, more recently, software. By leveraging propositional satisfiability (SAT) solvers, BMC overcomes some of the shortcomings of more conventional model checking methods. In model checking we automatically verify whether a state transition system (STS) describing a design has some property, commonly expressed in linear temporal logic (LTL). BMC is the restriction to only checking the looping and non-looping runs of the system that have bounded descriptions. The conventional BMC approach is to translate the STS runs and LTL formulae into propositional logic and then conjunctive normal form (CNF). This CNF expression is then checked by a SAT solver. In this thesis we study the effect on the performance of BMC of changing the translation to propositional logic. One novelty is to use a normal form for LTL which originates in resolution theorem provers. We introduce the normal form conversion early on in the encoding process and examine the simplifications that it brings to the generation of propositional logic. We further enhance the encoding by specialising the normal form to take advantage of the types of runs peculiar to BMC. We also improve the conversion from propositional logic to CNF. We investigate the behaviour of the new encodings by a series of detailed experimental comparisons using both hand-crafted and industrial benchmarks from a variety of sources. These reveal that the new normal form based encodings can reduce the solving time by a half in most cases, and up to an order of magnitude in some cases, the size of the improvement corresponding to the complexity of the LTL expression. We also compare our method to the popular automata-based methods for model checking and BMC