Recognition and Exploitation of Gate Structure in SAT Solving

In der theoretischen Informatik ist das SAT-Problem der archetypische Vertreter der Klasse der NP-vollständigen Probleme, weshalb effizientes SAT-Solving im Allgemeinen als unmöglich angesehen wird. Dennoch erzielt man in der Praxis oft erstaunliche Resultate, wo einige Anwendungen Probleme mit Millionen von Variablen erzeugen, die von neueren SAT-Solvern in angemessener Zeit gelöst werden können. Der Erfolg von SAT-Solving in der Praxis ist auf aktuelle Implementierungen des Conflict Driven Clause-Learning (CDCL) Algorithmus zurückzuführen, dessen Leistungsfähigkeit weitgehend von den verwendeten Heuristiken abhängt, welche implizit die Struktur der in der industriellen Praxis erzeugten Instanzen ausnutzen. In dieser Arbeit stellen wir einen neuen generischen Algorithmus zur effizienten Erkennung der Gate-Struktur in CNF-Encodings von SAT Instanzen vor, und außerdem drei Ansätze, in denen wir diese Struktur explizit ausnutzen. Unsere Beiträge umfassen auch die Implementierung dieser Ansätze in unserem SAT-Solver Candy und die Entwicklung eines Werkzeugs für die verteilte Verwaltung von Benchmark-Instanzen und deren Attribute, der Global Benchmark Database (GBD)

Parametrised enumeration

In this thesis, we develop a framework of parametrised enumeration complexity. At first, we provide the reader with preliminary notions such as machine models and complexity classes besides proving them to be well-chosen. Then, we study the interplay and the landscape of these classes and present connections to classical enumeration classes. Afterwards, we translate the fundamental methods of kernelisation and self-reducibility into equivalent techniques in the setting of parametrised enumeration. Subsequently, we illustrate the introduced classes by investigating the parametrised enumeration complexity of Max-Ones-SAT and strong backdoor sets as well as sharpen the first result by presenting a dichotomy theorem for Max-Ones-SAT. After this, we extend the definitions of parametrised enumeration algorithms by allowing orders on the solution space. In this context, we study the relations ``order by size'' and ``lexicographic order'' for graph modification problems and observe a trade-off between enumeration delay and space requirements of enumeration algorithms. These results then yield an enumeration technique for generalised modification problems that is illustrated by applying this method to the problems closest string, weak and strong backdoor sets, and weighted satisfiability. Eventually, we consider the enumeration of satisfying teams of formulas of poor man's propositional dependence logic. There, we present an enumeration algorithm with FPT delay and exponential space which is one of the first enumeration complexity results of a problem in a team logic. Finally, we show how this algorithm can be modified such that only polynomial space is required, however, by increasing the delay to incremental FPT time.In diesem Werk begründen wir die Theorie der parametrisierten Enumeration, präsentieren die grundlegenden Definitionen und prüfen ihre Sinnhaftigkeit. Im nächsten Schritt, untersuchen wir das Zusammenspiel der eingeführten Komplexitätsklassen und zeigen Verbindungen zur klassischen Enumerationskomplexität auf. Anschließend übertragen wir die zwei fundamentalen Techniken der Kernelisierung und Selbstreduzierbarkeit in Entsprechungen in dem Gebiet der parametrisierten Enumeration. Schließlich untersuchen wir das Problem Max-Ones-SAT und das Problem der Aufzählung starker Backdoor-Mengen als typische Probleme in diesen Klassen. Die vorherigen Resultate zu Max-Ones-SAT werden anschließend in einem Dichotomie-Satz vervollständigt. Im nächsten Abschnitt erweitern wir die neuen Definitionen auf Ordnungen (auf dem Lösungsraum) und erforschen insbesondere die zwei Relationen \glqq Größenordnung\grqq\ und \glqq lexikographische Reihenfolge\grqq\ im Kontext von Graphen-Modifikationsproblemen. Hierbei scheint es, als müsste man zwischen Delay und Speicheranforderungen von Aufzählungsalgorithmen abwägen, wobei dies jedoch nicht abschließend gelöst werden kann. Aus den vorherigen Überlegungen wird schließlich ein generisches Enumerationsverfahren für allgemeine Modifikationsprobleme entwickelt und anhand der Probleme Closest String, schwacher und starker Backdoor-Mengen sowie gewichteter Erfüllbarkeit veranschaulicht. Im letzten Abschnitt betrachten wir die parametrisierte Enumerationskomplexität von Erfüllbarkeitsproblemen im Bereich der Poor Man's Propositional Dependence Logic und stellen einen Aufzählungsalgorithmus mit FPT Delay vor, der mit exponentiellem Platz arbeitet. Dies ist einer der ersten Aufzählungsalgorithmen im Bereich der Teamlogiken. Abschließend zeigen wir, wie dieser Algorithmus so modifiziert werden kann, dass nur polynomieller Speicherplatz benötigt wird, bezahlen jedoch diese Einsparung mit einem Anstieg des Delays auf inkrementelle FPT Zeit (IncFPT)

Engineering SAT Applications

Das Erfüllbarkeitsproblem der Aussagenlogik (SAT) ist nicht nur in der theoretischen Informatik ein grundlegendes Problem, da alle NP-vollständigen Probleme auf SAT zurückgeführt werden können. Durch die Entwicklung von sehr effizienten SAT Lösern sind in den vergangenen 15 Jahren auch eine Vielzahl von praktischen Anwendungsmöglichkeiten entwickelt worden. Zu den bekanntesten gehört die Verifikation von Hardware- und Software-Bausteinen. Bei der Berechnung von unerfüllbaren SAT-Problemen sind Entwickler und Anwender oftmals an einer Erklärung für die Unerfüllbarkeit interessiert. Eine Möglichkeit diese zu ermitteln ist die Berechnung von minimal unerfüllbaren Teilformeln. Es sind drei grundlegend verschiedene Strategien zur Berechnung dieser Teilformeln bekannt: mittels Einfügen von Klauseln in ein erfüllbares Teilproblem, durch Entfernen von Kauseln aus einem unerfüllbaren Teilproblem und eine Kombination der beiden erstgenannten Methoden. In der vorliegenden Arbeit entwickeln wir zuerst eine interaktive Variante der Strategie, die auf Entfernen von Klauseln basiert. Sie ermöglicht es den Anwendern interessante Bereiche des Suchraumes manuell zu erschließen und aussagekräftige Erklärung für die Unerfüllbarkeit zu ermitteln. Der theoretische Hintergrund, der für die interaktive Berechnung von minimal unerfüllbaren Teilformeln entwickelt wurde, um dem Benutzer des Prototyps unnötige Schritte in der Berechnung der Teilformeln zu ersparen werden im Anschluss für die automatische Aufzählung von mehreren minimal unerfüllbaren Teilformeln verwendet, um dort die aktuell schnellsten Algorithmen weiter zu verbessern. Die Idee dabei ist mehrere Klauseln zu einem Block zusammenzufassen. Wir zeigen, wie diese Blöcke die Berechnungen von minimal unerfüllbaren Teilformeln positiv beeinflussen können. Durch die Implementierung eines Prototypen, der auf den aktuellen Methoden basiert, konnten wir die Effektivität unserer entwickelten Ideen belegen. Nachdem wir im ersten Teil der Arbeit grundlegende Algorithmen, die bei unerfüllbaren SAT-Problemen angewendet werden, verbessert haben, wenden wir uns im zweiten Teil der Arbeit neuen Anwendungsmöglichkeiten für SAT zu. Zuerst steht dabei ein Problem aus der Bioinformatik im Mittelpunkt. Wir lösen das sogenannte Kompatibilitätproblem für evolutionäre Bäume mittels einer Kodierung als Erfüllbarkeitsproblem und zeigen anschließend, wie wir mithilfe dieser neuen Kodierung ein nah verwandtes Optimierungsproblem lösen können. Den von uns neu entwickelten Ansatz vergleichen wir im Anschluss mit den bisher effektivsten Ansätzen das Optmierungsproblem zu lösen. Wir konnten zeigen, dass wir für den überwiegenden Teil der getesteten Instanzen neue Bestwerte in der Berechnungszeit erreichen. Die zweite neue Anwendung von SAT ist ein Problem aus der Graphentheorie, bzw. dem Graphenzeichen. Durch eine schlichte, intuitive, aber dennoch effektive Formulierung war es uns möglich neue Resultate für das Book Embedding Problem zu ermitteln. Zum einen konnten wir eine nicht triviale untere Schranke von vier für die benötigte Seitenzahl von 1-planaren Graphen ermitteln. Zum anderen konnten wir zeigen, dass es nicht für jeden planaren Graphen möglich ist, eine Einbettung in drei Seiten mittels einer sogenannten Schnyder-Aufteilung in drei verschiedene Bäume zu berechnen

Natural Language Does Not Emerge 'Naturally' in Multi-Agent Dialog

A number of recent works have proposed techniques for end-to-end learning of communication protocols among cooperative multi-agent populations, and have simultaneously found the emergence of grounded human-interpretable language in the protocols developed by the agents, all learned without any human supervision! In this paper, using a Task and Tell reference game between two agents as a testbed, we present a sequence of 'negative' results culminating in a 'positive' one -- showing that while most agent-invented languages are effective (i.e. achieve near-perfect task rewards), they are decidedly not interpretable or compositional. In essence, we find that natural language does not emerge 'naturally', despite the semblance of ease of natural-language-emergence that one may gather from recent literature. We discuss how it is possible to coax the invented languages to become more and more human-like and compositional by increasing restrictions on how two agents may communicate.Comment: 9 pages, 7 figures, 2 tables, accepted at EMNLP 2017 as short pape

Interpolant-Based Transition Relation Approximation

In predicate abstraction, exact image computation is problematic, requiring in the worst case an exponential number of calls to a decision procedure. For this reason, software model checkers typically use a weak approximation of the image. This can result in a failure to prove a property, even given an adequate set of predicates. We present an interpolant-based method for strengthening the abstract transition relation in case of such failures. This approach guarantees convergence given an adequate set of predicates, without requiring an exact image computation. We show empirically that the method converges more rapidly than an earlier method based on counterexample analysis.Comment: Conference Version at CAV 2005. 17 Pages, 9 Figure

Regional allocation of investment as a hierarchical optimization problem

A new formulation is given for the well-known problem of investment allocation between regions in the framework of a planning model. The case of a dual economy with a Cobb-Douglas production function is worked out in detail with an illustrative numerical example. The corresponding problem for an industrial economy with income disparity between two regions is also discussed

High Fidelity Adiabatic Quantum Computation via Dynamical Decoupling

We introduce high-order dynamical decoupling strategies for open system adiabatic quantum computation. Our numerical results demonstrate that a judicious choice of high-order dynamical decoupling method, in conjunction with an encoding which allows computation to proceed alongside decoupling, can dramatically enhance the fidelity of adiabatic quantum computation in spite of decoherence.Comment: 5 pages, 4 figure

Absolute frequency measurements of the D2D_2 line and fine-structure interval in 39^{39}K

We report a value for the $D_2$-line frequency of $^{39}$K with 0.25 ppb uncertainty. The frequency is measured using an evacuated ring-cavity resonator whose length is calibrated against a reference laser. The $D_2$ line presents a problem in identifying the line center because the closely-spaced energy levels of the excited state are not resolved. We use computer modelling of the measured spectrum to extract the line center and obtain a value of 391 015 578.040(75) MHz. In conjunction with our previous measurement of the $D_1$ line, we determine the fine-structure interval in the $4P$ state to be 1 729 997.132(90) MHz. The results represent significant improvement over previous values.Comment: 4 pages, 3 figure

Predicate Abstraction with Indexed Predicates

Predicate abstraction provides a powerful tool for verifying properties of infinite-state systems using a combination of a decision procedure for a subset of first-order logic and symbolic methods originally developed for finite-state model checking. We consider models containing first-order state variables, where the system state includes mutable functions and predicates. Such a model can describe systems containing arbitrarily large memories, buffers, and arrays of identical processes. We describe a form of predicate abstraction that constructs a formula over a set of universally quantified variables to describe invariant properties of the first-order state variables. We provide a formal justification of the soundness of our approach and describe how it has been used to verify several hardware and software designs, including a directory-based cache coherence protocol.Comment: 27 pages, 4 figures, 1 table, short version appeared in International Conference on Verification, Model Checking and Abstract Interpretation (VMCAI'04), LNCS 2937, pages = 267--28