Regulated Formal Models and Their Reduction

Department of Theoretical Computer Science and Mathematical LogicKatedra teoretické informatiky a matematické logikyFaculty of Mathematics and PhysicsMatematicko-fyzikální fakult

Finite Models of Splicing and Their Complexity

Durante las dos últimas décadas ha surgido una colaboración estrecha entre informáticos, bioquímicos y biólogos moleculares, que ha dado lugar a la investigación en un área conocida como la computación biomolecular. El trabajo en esta tesis pertenece a este área, y estudia un modelo de cómputo llamado sistema de empalme (splicing system). El empalme es el modelo formal del corte y de la recombinación de las moléculas de ADN bajo la influencia de las enzimas de la restricción.Esta tesis presenta el trabajo original en el campo de los sistemas de empalme, que, como ya indica el título, se puede dividir en dos partes. La primera parte introduce y estudia nuevos modelos finitos de empalme. La segunda investiga aspectos de complejidad (tanto computacional como descripcional) de los sistema de empalme. La principal contribución de la primera parte es que pone en duda la asunción general que una definición finita, más realista de sistemas de empalme es necesariamente débil desde un punto de vista computacional. Estudiamos varios modelos alternativos y demostramos que en muchos casos tienen más poder computacional. La segunda parte de la tesis explora otro territorio. El modelo de empalme se ha estudiado mucho respecto a su poder computacional, pero las consideraciones de complejidad no se han tratado apenas. Introducimos una noción de la complejidad temporal y espacial para los sistemas de empalme. Estas definiciones son utilizadas para definir y para caracterizar las clases de complejidad para los sistemas de empalme. Entre otros resultados, presentamos unas caracterizaciones exactas de las clases de empalme en términos de clases de máquina de Turing conocidas. Después, usando una nueva variante de sistemas de empalme, que acepta lenguajes en lugar de generarlos, demostramos que los sistemas de empalme se pueden usar para resolver problemas. Por último, definimos medidas de complejidad descriptional para los sistemas de empalme. Demostramos que en este respecto los sistemas de empalme finitos tienen buenas propiedades comparadosOver the last two decades, a tight collaboration has emerged between computer scientists, biochemists and molecular biologists, which has spurred research into an area known as DNAComputing (also biomolecular computing). The work in this thesis belongs to this field, and studies a computational model called splicing system. Splicing is the formal model of the cutting and recombination of DNA molecules under the influence of restriction enzymes.This thesis presents original work in the field of splicing systems, which, as the title already indicates, can be roughly divided into two parts: 'Finite models of splicing' on the onehand and 'their complexity' on the other. The main contribution of the first part is that it challenges the general assumption that a finite, more realistic definition of splicing is necessarily weal from a computational point of view. We propose and study various alternative models and show that in most cases they have more computational power, often reaching computational completeness. The second part explores other territory. Splicing research has been mainly focused on computational power, but complexity considerations have hardly been addressed. Here we introduce notions of time and space complexity for splicing systems. These definitions are used to characterize splicing complexity classes in terms of well known Turing machine classes. Then, using a new accepting variant of splicing systems, we show that they can also be used as problem solvers. Finally, we study descriptional complexity. We define measures of descriptional complexity for splicing systems and show that for representing regular languages they have good properties with respect to finite automata, especially in the accepting variant

26. Theorietag Automaten und Formale Sprachen 23. Jahrestagung Logik in der Informatik: Tagungsband

Der Theorietag ist die Jahrestagung der Fachgruppe Automaten und Formale Sprachen der Gesellschaft für Informatik und fand erstmals 1991 in Magdeburg statt. Seit dem Jahr 1996 wird der Theorietag von einem eintägigen Workshop mit eingeladenen Vorträgen begleitet. Die Jahrestagung der Fachgruppe Logik in der Informatik der Gesellschaft für Informatik fand erstmals 1993 in Leipzig statt. Im Laufe beider Jahrestagungen finden auch die jährliche Fachgruppensitzungen statt. In diesem Jahr wird der Theorietag der Fachgruppe Automaten und Formale Sprachen erstmalig zusammen mit der Jahrestagung der Fachgruppe Logik in der Informatik abgehalten. Organisiert wurde die gemeinsame Veranstaltung von der Arbeitsgruppe Zuverlässige Systeme des Instituts für Informatik an der Christian-Albrechts-Universität Kiel vom 4. bis 7. Oktober im Tagungshotel Tannenfelde bei Neumünster. Während des Tre↵ens wird ein Workshop für alle Interessierten statt finden. In Tannenfelde werden • Christoph Löding (Aachen) • Tomás Masopust (Dresden) • Henning Schnoor (Kiel) • Nicole Schweikardt (Berlin) • Georg Zetzsche (Paris) eingeladene Vorträge zu ihrer aktuellen Arbeit halten. Darüber hinaus werden 26 Vorträge von Teilnehmern und Teilnehmerinnen gehalten, 17 auf dem Theorietag Automaten und formale Sprachen und neun auf der Jahrestagung Logik in der Informatik. Der vorliegende Band enthält Kurzfassungen aller Beiträge. Wir danken der Gesellschaft für Informatik, der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel und dem Tagungshotel Tannenfelde für die Unterstützung dieses Theorietags. Ein besonderer Dank geht an das Organisationsteam: Maike Bradler, Philipp Sieweck, Joel Day. Kiel, Oktober 2016 Florin Manea, Dirk Nowotka und Thomas Wilk

Communication in membrana Systems with symbol Objects.

Esta tesis está dedicada a los sistemas de membranas con objetos-símbolo como marco teórico de los sistemas paralelos y distribuidos de procesamiento de multiconjuntos.Una computación de parada puede aceptar, generar o procesar un número, un vector o una palabra; por tanto el sistema define globalmente (a través de los resultados de todas sus computaciones) un conjunto de números, de vectores, de palabras (es decir, un lenguaje), o bien una función. En esta tesis estudiamos la capacidad de estos sistemas para resolver problemas particulares, así como su potencia computacional. Por ejemplo, las familias de lenguajes definidas por diversas clases de estos sistemas se comparan con las familias clásicas, esto es, lenguajes regulares, independientes del contexto, generados por sistemas 0L tabulados extendidos, generados por gramáticas matriciales sin chequeo de apariciones, recursivamente enumerables, etc. Se prestará especial atención a la comunicación de objetos entre regiones y a las distintas formas de cooperación entre ellos.Se pretende (Sección 3.4) realizar una formalización los sistemas de membranas y construir una herramienta tipo software para la variante que usa cooperación no distribuida, el navegador de configuraciones, es decir, un simulador, en el cual el usuario selecciona la siguiente configuración entre todas las posibles, estando permitido volver hacia atrás. Se considerarán diversos modelos distribuidos. En el modelo de evolución y comunicación (Capítulo 4) separamos las reglas tipo-reescritura y las reglas de transporte (llamadas symport y antiport). Los sistemas de bombeo de protones (proton pumping, Secciones 4.8, 4.9) constituyen una variante de los sistemas de evolución y comunicación con un modo restrictivo de cooperación. Un modelo especial de computación con membranas es el modelo puramente comunicativo, en el cual los objetos traspasan juntos una membrana. Estudiamos la potencia computacional de las sistemas de membranas con symport/antiport de 2 o 3 objetos (Capítulo 5) y la potencia computacional de las sistemas de membranas con alfabeto limitado (Capítulo 6).El determinismo (Secciones 4.7, 5.5, etc.) es una característica especial (restrictiva) de los sistemas computacionales. Se pondrá especial énfasis en analizar si esta restricción reduce o no la potencia computacional de los mismos. Los resultados obtenidos para sistemas de bombeo del protones están transferidos (Sección 7.3) a sistemas con catalizadores bistabiles. Unos ejemplos de aplicación concreta de los sistemas de membranas (Secciones 7.1, 7.2) son la resolución de problemas NP-completos en tiempo polinomial y la resolución de problemas de ordenación.This thesis deals with membrane systems with symbol objects as a theoretical framework of distributed parallel multiset processing systems.A halting computation can accept, generate or process a number, a vector or a word, so the system globally defines (by the results of all its computations) a set of numbers or a set of vectors or a set of words, (i.e., a language), or a function. The ability of these systems to solve particular problems is investigated, as well as their computational power, e.g., the language families defined by different classes of these systems are compared to the classical ones, i.e., regular, context-free, languages generated by extended tabled 0L systems, languages generated by matrix grammars without appearance checking, recursively enumerable languages, etc. Special attention is paid to communication of objects between the regions and to the ways of cooperation between the objects.An attempt to formalize the membrane systems is made (Section 3.4), and a software tool is constructed for the non-distributed cooperative variant, the configuration browser, i.e., a simulator, where the user chooses the next configuration among the possible ones and can go back. Different distributed models are considered. In the evolution-communication model (Chapter 4) rewriting-like rules are separated from transport rules. Proton pumping systems (Sections 4.8, 4.9) are a variant of the evolution-communication systems with a restricted way of cooperation. A special membrane computing model is a purely communicative one: the objects are moved together through a membrane. We study the computational power of membrane systems with symport/antiport of 2 or 3 objects (Chapter 5) and the computational power of membrane systems with a limited alphabet (Chapter 6).Determinism (Sections 4.7, 5.5, etc.) is a special property of computational systems; the question of whether this restriction reduces the computational power is addressed. The results on proton pumping systems can be carried over (Section 7.3) to the systems with bi-stable catalysts. Some particular examples of membrane systems applications are solving NP-complete problems in polynomial time, and solving the sorting problem

In Memoriam, Solomon Marcus

This book commemorates Solomon Marcus’s fifth death anniversary with a selection of articles in mathematics, theoretical computer science, and physics written by authors who work in Marcus’s research fields, some of whom have been influenced by his results and/or have collaborated with him