Complex Algebras of Arithmetic

An 'arithmetic circuit' is a labeled, acyclic directed graph specifying a sequence of arithmetic and logical operations to be performed on sets of natural numbers. Arithmetic circuits can also be viewed as the elements of the smallest subalgebra of the complex algebra of the semiring of natural numbers. In the present paper, we investigate the algebraic structure of complex algebras of natural numbers, and make some observations regarding the complexity of various theories of such algebras

Decomposition and Descriptional Complexity of Shuffle on Words and Finite Languages

We investigate various questions related to the shuffle operation on words and finite languages. First we investigate a special variant of the shuffle decomposition problem for regular languages, namely, when the given regular language is the shuffle of finite languages. The shuffle decomposition into finite languages is, in general not unique. Thatis,therearelanguagesL^,L2,L3,L4withLiluL2= £3luT4but{L\,L2}^ {I/3, L4}. However, if all four languages are singletons (with at least two combined letters), it follows by a result of Berstel and Boasson [6], that the solution is unique; that is {L\,L2} = {L3,L4}. We extend this result to show that if L\ and L2 are arbitrary finite sets and Lz and Z-4 are singletons (with at least two letters in each), the solution is unique. This is as strong as it can be, since we provide examples showing that the solution can be non-unique already when (1) both L\ and L2 are singleton sets over different unary alphabets; or (2) L\ contains two words and L2 is singleton. We furthermore investigate the size of shuffle automata for words. It was shown by Campeanu, K. Salomaa and Yu in [11] that the minimal shuffle automaton of two regular languages requires 2mn states in the worst case (where the minimal automata of the two component languages had m and n states, respectively). It was also recently shown that there exist words u and v such that the minimal shuffle iii DFA for u and v requires an exponential number of states. We study the size of shuffle DFAs for restricted cases of words, namely when the words u and v are both periods of a common underlying word. We show that, when the underlying word obeys certain conditions, then the size of the minimal shuffle DFA for u and v is at most quadratic. Moreover we provide an efficient algorithm, which decides for a given DFA A and two words u and v, whether u lu u C L(A)

Proceedings of the 26th International Symposium on Theoretical Aspects of Computer Science (STACS'09)

The Symposium on Theoretical Aspects of Computer Science (STACS) is held alternately in France and in Germany. The conference of February 26-28, 2009, held in Freiburg, is the 26th in this series. Previous meetings took place in Paris (1984), Saarbr¨ucken (1985), Orsay (1986), Passau (1987), Bordeaux (1988), Paderborn (1989), Rouen (1990), Hamburg (1991), Cachan (1992), W¨urzburg (1993), Caen (1994), M¨unchen (1995), Grenoble (1996), L¨ubeck (1997), Paris (1998), Trier (1999), Lille (2000), Dresden (2001), Antibes (2002), Berlin (2003), Montpellier (2004), Stuttgart (2005), Marseille (2006), Aachen (2007), and Bordeaux (2008). ..

Programmation et indécidabilités dans les systèmes complexes

N/AUn système complexe est un système constitué d'un ensemble d'entités quiinteragissent localement, engendrant des comportements globaux, émergeant dusystème, qu'on ne sait pas expliquer à partir du comportement local, connu, desentités qui le constituent. Nos travaux ont pour objet de mieux cerner lesliens entre certaines propriétés des systèmes complexes et le calcul. Parcalcul, il faut entendre l'objet d'étude de l'informatique, c'est-à-dire ledéplacement et la combinaison d'informations. À l'aide d'outils issus del'informatique, l'algorithmique et la programmation dans les systèmes complexessont abordées selon trois points de vue. Une première forme de programmation,dite externe, consiste à développer l'algorithmique qui permet de simuler lessystèmes étudiés. Une seconde forme de programmation, dite interne, consiste àdévelopper l'algorithmique propre à ces systèmes, qui permet de construire desreprésentants de ces systèmes qui exhibent des comportements programmés. Enfin,une troisième forme de programmation, de réduction, consiste à plonger despropriétés calculatoires complexes dans les représentants de ces systèmes pourétablir des résultats d'indécidabilité -- indice d'une grande complexitécalculatoire qui participe à l'explication de la complexité émergente. Afin demener à bien cette étude, les systèmes complexes sont modélisés par desautomates cellulaires. Le modèle des automates cellulaires offre une dualitépertinente pour établir des liens entre complexité des propriétés globales etcalcul. En effet, un automate cellulaire peut être décrit à la fois comme unréseau d'automates, offrant un point de vue familier de l'informatique, etcomme un système dynamique discret, une fonction définie sur un espacetopologique, offrant un point de vue familier de l'étude des systèmesdynamiques discrets.Une première partie de nos travaux concerne l'étude de l'objet automatecellulaire proprement dit. L'observation expérimentale des automatescellulaires distingue, dans la littérature, deux formes de dynamiques complexesdominantes. Certains automates cellulaires présentent une dynamique danslaquelle émergent des structures simples, sortes de particules qui évoluentdans un domaine régulier, se rencontrent lors de brèves collisions, avant degénérer d'autres particules. Cette forme de complexité, dans laquelletransparaît une notion de quanta d'information localisée en interaction, estl'objet de nos études. Un premier champ de nos investigations est d'établir uneclassification algébrique, le groupage, qui tend à rendre compte de ce type decomportement. Cette classification met à jour un type d'automate cellulaireparticulier : les automates cellulaires intrinsèquement universels. Un automatecellulaire intrinsèquement universel est capable de simuler le comportement detout automate cellulaire. C'est l'objet de notre second champ d'investigation.Nous caractérisons cette propriété et démontrons son indécidabilité. Enfin, untroisième champ d'investigation concerne l'algorithmique des automatescellulaires à particules et collisions. Étant donné un ensemble de particuleset de collisions d'un tel automate cellulaire, nous étudions l'ensemble desinteractions possibles et proposons des outils pour une meilleure programmationinterne à l'aide de ces collisions.Une seconde partie de nos travaux concerne la programmation par réduction. Afinde démontrer l'indécidabilité de propriétés dynamiques des automatescellulaires, nous étudions d'une part les problèmes de pavage du plan par desjeux de tuiles finis et d'autre part les problèmes de mortalité et depériodicité dans les systèmes dynamiques discrets à fonction partielle. Cetteétude nous amène à considérer des objets qui possèdent la même dualité entredescription combinatoire et topologique que les automates cellulaires. Unenotion d'apériodicité joue un rôle central dans l'indécidabilité des propriétésde ces objets

On language equations with concatenation and various sets of Boolean operations

Systems of equations of the form Xi = ϕi(X1,...,Xn), for 1 ⩽ i ⩽ n , in which the unknowns Xi are formal languages, and the right-hand sides ϕi may contain concatenation and union, are known for representing context-free grammars. If, instead of union only, another set of Boolean operations is used, the expressive power of such equations may change: for example, using both union and intersection leads to conjunctive grammars [A. Okhotin, J. Automata, Languages and Combinatorics 6 (2001) 519–535], whereas using all Boolean operations allows all recursive sets to be expressed by unique solutions [A. Okhotin, Decision problems for language equations with Boolean operations, Automata, Languages and Programming, ICALP 2003, Eindhoven, The Netherlands, 239–251]. This paper investigates the expressive power of such equations with any possible set of Boolean operations. It is determined that different sets of Boolean operations give rise to exactly seven families of formal languages: the recursive languages, the conjunctive languages, the context-free languages, a certain family incomparable with the context-free languages, as well as three subregular families