Resolution-based decision procedures for subclasses of first-order logic

This thesis studies decidable fragments of first-order logic which are relevant to the field of nonclassical logic and knowledge representation. We show that refinements of resolution based on suitable liftable orderings provide decision procedures for the subclasses E+, K, and DK of first-order logic. By the use of semantics-based translation methods we can embed the description logic ALB and extensions of the basic modal logic K into fragments of first-order logic. We describe various decision procedures based on ordering refinements and selection functions for these fragments and show that a polynomial simulation of tableaux-based decision procedures for these logics is possible. In the final part of the thesis we develop a benchmark suite and perform an empirical analysis of various modal theorem provers.Diese Arbeit untersucht entscheidbare Fragmente der Logik erster Stufe, die mit nicht-klassischen Logiken und Wissensrepräsentationsformalismen im Zusammenhang stehen. Wir zeigen, daß Entscheidungsverfahren für die Teilklassen E+, K, und DK der Logik erster Stufe unter Verwendung von Resolution eingeschränkt durch geeignete liftbare Ordnungen realisiert werden können. Durch Anwendung von semantikbasierten Übersetzungsverfahren lassen sich die Beschreibungslogik ALB und Erweiterungen der Basismodallogik K in Teilklassen der Logik erster Stufe einbetten. Wir stellen eine Reihe von Entscheidungsverfahren auf der Basis von Resolution eingeschränkt durch liftbare Ordnungen und Selektionsfunktionen für diese Logiken vor und zeigen, daß eine polynomielle Simulation von tableaux-basierten Entscheidungsverfahren für diese Logiken möglich ist. Im abschließenden Teil der Arbeit führen wir eine empirische Untersuchung der Performanz verschiedener modallogischer Theorembeweiser durch

Separateness of Variables -- A Novel Perspective on Decidable First-Order Fragments

The classical decision problem, as it is understood today, is the quest for a delineation between the decidable and the undecidable parts of first-order logic based on elegant syntactic criteria. In this paper, we treat the concept of separateness of variables and explore its applicability to the classical decision problem. Two disjoint sets of first-order variables are separated in a given formula if variables from the two sets never co-occur in any atom of that formula. This simple notion facilitates extending many well-known decidable first-order fragments significantly and in a way that preserves decidability. We will demonstrate that for several prefix fragments, several guarded fragments, the two-variable fragment, and for the fluted fragment. Altogether, we will investigate nine such extensions more closely. Interestingly, each of them contains the relational monadic first-order fragment without equality. Although the extensions exhibit the same expressive power as the respective originals, certain logical properties can be expressed much more succinctly. In three cases the succinctness gap cannot be bounded using any elementary function.Comment: 44 pages, 1 figur

Saturation-based Boolean conjunctive query answering and rewriting for the guarded quantification fragments

Query answering is an important problem in AI, database and knowledge representation. In this paper, we develop saturation-based Boolean conjunctive query answering and rewriting procedures for the guarded, the loosely guarded and the clique-guarded fragments. Our query answering procedure improves existing resolution-based decision procedures for the guarded and the loosely guarded fragments and this procedure solves Boolean conjunctive query answering problems for the guarded, the loosely guarded and the clique-guarded fragments. Based on this query answering procedure, we also introduce a novel saturation-based query rewriting procedure for these guarded fragments. Unlike mainstream query answering and rewriting methods, our procedures derive a compact and reusable saturation, namely a closure of formulas, to handle the challenge of querying for distributed datasets. This paper lays the theoretical foundations for the first automated deduction decision procedures for Boolean conjunctive query answering and the first saturation-based Boolean conjunctive query rewriting in the guarded, the loosely guarded and the clique-guarded fragments

Decidable fragments of first-order logic and of first-order linear arithmetic with uninterpreted predicates

First-order logic is one of the most prominent formalisms in computer science and mathematics. Since there is no algorithm capable of solving its satisfiability problem, first-order logic is said to be undecidable. The classical decision problem is the quest for a delineation between the decidable and the undecidable parts. The results presented in this thesis shed more light on the boundary and open new perspectives on the landscape of known decidable fragments. In the first part we focus on the new concept of separateness of variables and explore its applicability to the classical decision problem and beyond. Two disjoint sets of first-order variables are separated in a given formula if none of its atoms contains variables from both sets. This notion facilitates the definition of decidable extensions of many well-known decidable first-order fragments. We demonstrate this for several prefix fragments, several guarded fragments, the two-variable fragment, and for the fluted fragment. Although the extensions exhibit the same expressive power as the respective originals, certain logical properties can be expressed much more succinctly. In two cases the succinctness gap cannot be bounded using elementary functions. This fact already hints at computationally hard satisfiability problems. Indeed, we derive non-elementary lower bounds for the separated fragment, an extension of the Bernays-Schönfinkel-Ramsey fragment (E*A*-prefix sentences). On the semantic level, separateness of quantified variables may lead to weaker dependences than we encounter in general. We investigate this property in the context of model-checking games. The focus of the second part of the thesis is on linear arithmetic with uninterpreted predicates. Two novel decidable fragments are presented, both based on the Bernays-Schönfinkel-Ramsey fragment. On the negative side, we identify several small fragments of the language for which satisfiability is undecidable.Untersuchungen der Logik erster Stufe blicken auf eine lange Tradition zurück. Es ist allgemein bekannt, dass das zugehörige Erfüllbarkeitsproblem im Allgemeinen nicht algorithmisch gelöst werden kann - man spricht daher von einer unentscheidbaren Logik. Diese Beobachtung wirft ein Schlaglicht auf die prinzipiellen Grenzen der Fähigkeiten von Computern im Allgemeinen aber auch des automatischen Schließens im Besonderen. Das Hilbertsche Entscheidungsproblem wird heute als die Erforschung der Grenze zwischen entscheidbaren und unentscheidbaren Teilen der Logik erster Stufe verstanden, wobei die untersuchten Fragmente der Logik mithilfe klar zu erfassender und berechenbarer syntaktischer Eigenschaften beschrieben werden. Viele Forscher haben bereits zu dieser Untersuchung beigetragen und zahlreiche entscheidbare und unentscheidbare Fragmente entdeckt und erforscht. Die vorliegende Dissertation setzt diese Tradition mit einer Reihe vornehmlich positiver Resultate fort und eröffnet neue Blickwinkel auf eine Reihe von Fragmenten, die im Laufe der letzten einhundert Jahre untersucht wurden. Im ersten Teil der Arbeit steht das syntaktische Konzept der Separiertheit von Variablen im Mittelpunkt, und dessen Anwendbarkeit auf das Entscheidungsproblem und darüber hinaus wird erforscht. Zwei Mengen von Individuenvariablen gelten bezüglich einer gegebenen Formel als separiert, falls in jedem Atom der Formel die Variablen aus höchstens einer der beiden Mengen vorkommen. Mithilfe dieses leicht verständlichen Begriffs lassen sich viele wohlbekannte entscheidbare Fragmente der Logik erster Stufe zu größeren Klassen von Formeln erweitern, die dennoch entscheidbar sind. Dieser Ansatz wird für neun Fragmente im Detail dargelegt, darunter mehrere Präfix-Fragmente, das Zwei-Variablen-Fragment und sogenannte "guarded" und " uted" Fragmente. Dabei stellt sich heraus, dass alle erweiterten Fragmente ebenfalls das monadische Fragment erster Stufe ohne Gleichheit enthalten. Obwohl die erweiterte Syntax in den betrachteten Fällen nicht mit einer erhöhten Ausdrucksstärke einhergeht, können bestimmte Zusammenhänge mithilfe der erweiterten Syntax deutlich kürzer formuliert werden. Zumindest in zwei Fällen ist diese Diskrepanz nicht durch eine elementare Funktion zu beschränken. Dies liefert einen ersten Hinweis darauf, dass die algorithmische Lösung des Erfüllbarkeitsproblems für die erweiterten Fragmente mit sehr hohem Rechenaufwand verbunden ist. Tatsächlich wird eine nicht-elementare untere Schranke für den entsprechenden Zeitbedarf beim sogenannten separierten Fragment, einer Erweiterung des bekannten Bernays-Schönfinkel-Ramsey-Fragments, abgeleitet. Darüber hinaus wird der Ein uss der Separiertheit von Individuenvariablen auf der semantischen Ebene untersucht, wo Abhängigkeiten zwischen quantifizierten Variablen durch deren Separiertheit stark abgeschwächt werden können. Für die genauere formale Betrachtung solcher als schwach bezeichneten Abhängigkeiten wird auf sogenannte Hintikka-Spiele zurückgegriffen. Den Schwerpunkt des zweiten Teils der vorliegenden Arbeit bildet das Entscheidungsproblem für die lineare Arithmetik über den rationalen Zahlen in Verbindung mit uninterpretierten Prädikaten. Es werden zwei bislang unbekannte entscheidbare Fragmente dieser Sprache vorgestellt, die beide auf dem Bernays-Schönfinkel-Ramsey-Fragment aufbauen. Ferner werden neue negative Resultate entwickelt und mehrere unentscheidbare Fragmente vorgestellt, die lediglich einen sehr eingeschränkten Teil der Sprache benötigen

NASA Tech Briefs, July 2010

Topics covered include: Wirelessly Interrogated Wear or Temperature Sensors; Processing Nanostructured Sensors Using Microfabrication Techniques; Optical Pointing Sensor; Radio-Frequency Tank Eigenmode Sensor for Propellant Quantity Gauging; High-Temperature Optical Sensor; Integral Battery Power Limiting Circuit for Intrinsically Safe Applications; Configurable Multi-Purpose Processor; Squeezing Alters Frequency Tuning of WGM Optical Resonator; Automated Computer Access Request System; Range Safety for an Autonomous Flight Safety System; Fast and Easy Searching of Files in Unisys 2200 Computers; Parachute Drag Model; Evolutionary Scheduler for the Deep Space Network; Modular Habitats Comprising Rigid and Inflatable Modules; More About N2O-Based Propulsion and Breathable-Gas Systems; Ultrasonic/Sonic Rotary-Hammer Drills; Miniature Piezoelectric Shaker for Distribution of Unconsolidated Samples to Instrument Cells; Lunar Soil Particle Separator; Advanced Aerobots for Scientific Exploration; Miniature Bioreactor System for Long-Term Cell Culture; Electrochemical Detection of Multiple Bioprocess Analytes; Fabrication and Modification of Nanoporous Silicon Particles; High-Altitude Hydration System; Photon Counting Using Edge-Detection Algorithm; Holographic Vortex Coronagraph; Optical Structural Health Monitoring Device; Fuel-Cell Power Source Based on Onboard Rocket Propellants; Polar Lunar Regions: Exploiting Natural and Augmented Thermal Environments; Simultaneous Spectral Temporal Adaptive Raman Spectrometer - SSTARS; Improved Speed and Functionality of a 580-GHz Imaging Radar; Bolometric Device Based on Fluxoid Quantization; Algorithms for Learning Preferences for Sets of Objects; Model for Simulating a Spiral Software-Development Process; Algorithm That Synthesizes Other Algorithms for Hashing; Algorithms for High-Speed Noninvasive Eye-Tracking System; and Adapting ASPEN for Orbital Express

Analytical representation of architectural built heritage. A Sketch-to-Bim approach

HBIM methodology is increasingly used for the management of all aspects of architectural heritage, from survey and analysis to conservation, management and restoration issues. Application of HBIM are the so-called Scan-to-BIM processes in which the artifact is surveyed with digital techniques of laser scanning and photogrammetry. These techniques result in point clouds, the basis of the subsequent process of informative and geometric modelling of the artifact. The resulting "smart models" are composed of parametric objects rich in information that can be easily updated at any time. The proposed methodology aims at integrating a study of architectural orders, whose results become preparatory to the subsequent phases of survey and modeling, to the classic Scan-to-BIM workflows. In particular, in the modeling these results have allowed a more targeted choice of techniques used. The method has been applied to the atrium of the former Jesuit College of Santa Croce in Cagliari, which today hosts one of the seats of the Faculty of Engineering and Architecture of the University of Cagliari; in particular, the atrium of the east body of the former Jesuit College, designed by the Piedmontese architect Antonio Felice De Vincenti, has been modelled