Degree of Sequentiality of Weighted Automata

Weighted automata (WA) are an important formalism to describe quantitative properties. Obtaining equivalent deterministic machines is a longstanding research problem. In this paper we consider WA with a set semantics, meaning that the semantics is given by the set of weights of accepting runs. We focus on multi-sequential WA that are defined as finite unions of sequential WA. The problem we address is to minimize the size of this union. We call this minimum the degree of sequentiality of (the relation realized by) the WA. For a given positive integer k, we provide multiple characterizations of relations realized by a union of k sequential WA over an infinitary finitely generated group: a Lipschitz-like machine independent property, a pattern on the automaton (a new twinning property) and a subclass of cost register automata. When possible, we effectively translate a WA into an equivalent union of k sequential WA. We also provide a decision procedure for our twinning property for commutative computable groups thus allowing to compute the degree of sequentiality. Last, we show that these results also hold for word transducers and that the associated decision problem is PSPACE -complete

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

History-Register Automata

Programs with dynamic allocation are able to create and use an unbounded number of fresh resources, such as references, objects, files, etc. We propose History-Register Automata (HRA), a new automata-theoretic formalism for modelling such programs. HRAs extend the expressiveness of previous approaches and bring us to the limits of decidability for reachability checks. The distinctive feature of our machines is their use of unbounded memory sets (histories) where input symbols can be selectively stored and compared with symbols to follow. In addition, stored symbols can be consumed or deleted by reset. We show that the combination of consumption and reset capabilities renders the automata powerful enough to imitate counter machines, and yields closure under all regular operations apart from complementation. We moreover examine weaker notions of HRAs which strike different balances between expressiveness and effectiveness.Comment: LMCS (improved version of FoSSaCS

Nested Weighted Limit-Average Automata of Bounded Width

While weighted automata provide a natural framework to express quantitative properties, many basic properties like average response time cannot be expressed with weighted automata. Nested weighted automata extend weighted automata and consist of a master automaton and a set of slave automata that are invoked by the master automaton. Nested weighted automata are strictly more expressive than weighted automata (e.g., average response time can be expressed with nested weighted automata), but the basic decision questions have higher complexity (e.g., for deterministic automata, the emptiness question for nested weighted automata is PSPACE-hard, whereas the corresponding complexity for weighted automata is PTIME). We consider a natural subclass of nested weighted automata where at any point at most a bounded number k of slave automata can be active. We focus on automata whose master value function is the limit average. We show that these nested weighted automata with bounded width are strictly more expressive than weighted automata (e.g., average response time with no overlapping requests can be expressed with bound k=1, but not with non-nested weighted automata). We show that the complexity of the basic decision problems (i.e., emptiness and universality) for the subclass with k constant matches the complexity for weighted automata. Moreover, when k is part of the input given in unary we establish PSPACE-completeness

IST Austria Technical Report

Recently there has been a significant effort to handle quantitative properties in formal verification and synthesis. While weighted automata over finite and infinite words provide a natural and flexible framework to express quantitative properties, perhaps surprisingly, some basic system properties such as average response time cannot be expressed using weighted automata, nor in any other know decidable formalism. In this work, we introduce nested weighted automata as a natural extension of weighted automata which makes it possible to express important quantitative properties such as average response time. In nested weighted automata, a master automaton spins off and collects results from weighted slave automata, each of which computes a quantity along a finite portion of an infinite word. Nested weighted automata can be viewed as the quantitative analogue of monitor automata, which are used in run-time verification. We establish an almost complete decidability picture for the basic decision problems about nested weighted automata, and illustrate their applicability in several domains. In particular, nested weighted automata can be used to decide average response time properties