Deterministically and Sudoku-Deterministically Recognizable Picture Languages

The recognizable 2-dimensional languages are a robust class with many characterizations, comparable to the regular languages in the 1-dimensional case. One characterization is by tiling systems. The corresponding word problem is NP-complete. Therefore, notions of determinism for tiling systems were suggested. For the notion which was called "deterministically recognizable" it was open since 1998 whether it implies recognizability. By showing that acyclicity of grid graphs is recognizable we answer this question positively. In contrast to that, we show that non-recognizable languages can be accepted by a generalization of this tiling system determinism which we call sudoku-determinism. Its word problem, however, is still in linear time. We show that Sudoku-determinism even contains the set of 2-dimensional languages which can be recognized by 4-way alternating automata

Deterministic recognizability of picture languages with Wang automata

special issue dedicated to the second edition of the conference AutoMathA: from Mathematics to ApplicationsInternational audienceWe present a model of automaton for picture language recognition, called Wang automaton, which is based on labeled Wang tiles. Wang automata combine features of both online tessellation acceptors and 4-way automata: as in online tessellation acceptors, computation assigns states to each picture position; as in 4-way automata, the input head visits the picture moving from one pixel to an adjacent one, according to some scanning strategy. Wang automata recognize the class REC, i.e. they are equivalent to tiling systems or online tessellation acceptors, and hence strictly more powerful than 4-way automata. We also introduce a natural notion of determinism for Wang automata, and study the resulting class, extending the more traditional approach of diagonal-based determinism, used e. g. by deterministic tiling systems. In particular, we prove that the concept of row (or column) ambiguity defines the class of languages recognized by Wang automata directed by boustrophedonic scanning strategies

Strategies to scan pictures with automata based on Wang tiles

Wang automata are devices for picture language recognition recently introduced by us, which characterize the class REC of recognizable picture languages. Thus, Wang automata are equivalent to tiling systems or online tessellation acceptors, and are based like Wang systems on labeled Wang tiles. The present work focus on scanning strategies, to prove that the ones Wang automata are based on are those following four kinds of movements: boustrophedonic, ``L-like'', ``U-like'', and spirals

Deterministically and Sudoku-Deterministically Recognizable Picture Languages

Abstract. The recognizable 2-dimensional languages are a robust class with many characterizations, comparable to the regular languages in the 1-dimensional case. One characterization is by tiling systems. The corresponding word problem is NP-complete. Therefore, notions of determinism for tiling systems were suggested. For the notion which was called ”deterministically recognizable ” it was open since 1998 whether it implies recognizability. By showing that acyclicity of grid graphs is recognizable we answer this question positively. In contrast to that, we show that non-recognizable languages can be accepted by a generalization of this tiling system determinism which we call Sudoku-determinism. Its word problem, however, is still in linear time. We show that Sudokudeterminism even contains the set of 2-dimensional languages which can be recognized by 4-way alternating automata.

The Significance of Evidence-based Reasoning in Mathematics, Mathematics Education, Philosophy, and the Natural Sciences

In this multi-disciplinary investigation we show how an evidence-based perspective of quantification---in terms of algorithmic verifiability and algorithmic computability---admits evidence-based definitions of well-definedness and effective computability, which yield two unarguably constructive interpretations of the first-order Peano Arithmetic PA---over the structure N of the natural numbers---that are complementary, not contradictory. The first yields the weak, standard, interpretation of PA over N, which is well-defined with respect to assignments of algorithmically verifiable Tarskian truth values to the formulas of PA under the interpretation. The second yields a strong, finitary, interpretation of PA over N, which is well-defined with respect to assignments of algorithmically computable Tarskian truth values to the formulas of PA under the interpretation. We situate our investigation within a broad analysis of quantification vis a vis: * Hilbert's epsilon-calculus * Goedel's omega-consistency * The Law of the Excluded Middle * Hilbert's omega-Rule * An Algorithmic omega-Rule * Gentzen's Rule of Infinite Induction * Rosser's Rule C * Markov's Principle * The Church-Turing Thesis * Aristotle's particularisation * Wittgenstein's perspective of constructive mathematics * An evidence-based perspective of quantification. By showing how these are formally inter-related, we highlight the fragility of both the persisting, theistic, classical/Platonic interpretation of quantification grounded in Hilbert's epsilon-calculus; and the persisting, atheistic, constructive/Intuitionistic interpretation of quantification rooted in Brouwer's belief that the Law of the Excluded Middle is non-finitary. We then consider some consequences for mathematics, mathematics education, philosophy, and the natural sciences, of an agnostic, evidence-based, finitary interpretation of quantification that challenges classical paradigms in all these disciplines

Cryptographic Protocols from Physical Assumptions

Moderne Kryptographie erlaubt nicht nur, personenbezogene Daten im Internet zu schützen oder sich für bestimmte Dienste zu authentifizieren, sondern ermöglicht auch das Auswerten einer Funktion auf geheimen Eingaben mehrerer Parteien, ohne dass dabei etwas über diese Eingaben gelernt werden kann (mit der Ausnahme von Informationen, die aus der Ausgabe und eigenen Eingaben effizient abgeleitet werden können). Kryptographische Protokolle dieser Art werden sichere Mehrparteienberechnung genannt und eignen sich für ein breites Anwendungsspektrum, wie z.B. geheime Abstimmungen und Auktionen. Um die Sicherheit solcher Protokolle zu beweisen, werden Annahmen benötigt, die oft komplexitätstheoretischer Natur sind, beispielsweise, dass es schwierig ist, hinreichend große Zahlen zu faktorisieren. Sicherheitsannahmen, die auf physikalischen Prinzipien basieren, bieten im Gegensatz zu komplexitätstheoretischen Annahmen jedoch einige Vorteile: die Protokolle sind meist konzeptionell einfacher, die Sicherheit ist unabhängig von den Berechnungskapazitäten des Angreifers, und die Funktionsweise und Sicherheit ist oft für den Menschen leichter nachvollziehbar. (Zum Beispiel forderte das Bundesverfassungsgericht: „Beim Einsatz elektronischer Wahlgeräte müssen die wesentlichen Schritte der Wahlhandlung und der Ergebnisermittlung vom Bürger zuverlässig und ohne besondere Sachkenntnis überprüft werden können.“ (BVerfG, Urteil des Zweiten Senats vom 03. März 2009)). Beispiele für solche Annahmen sind physikalisch getrennte oder unkorrumpierbare Hardware-Komponenten (vgl. Broadnax et al., 2018), Write-Only-Geräte für Logging, oder frei zu rubbelnde Felder, wie man sie von PIN-Briefen kennt. Auch die aus der Quantentheorie folgende Nicht-Duplizierbarkeit von Quantenzuständen ist eine physikalische Sicherheitsannahme, die z.B. verwendet wird, um nicht-klonbares „Quantengeld“ zu realisieren. In der vorliegenden Dissertation geht es neben Protokollen, die die Sicherheit und Isolation bestimmter einfacher Hardware-Komponenten als Vertrauensanker verwenden, im Besonderen um kryptographischen Protokolle für die sichere Mehrparteienberechnung, die mit Hilfe physikalischer Spielkarten durchgeführt werden. Die Sicherheitsannahme besteht darin, dass die Karten ununterscheidbare Rückseiten haben und, dass bestimmte Mischoperationen sicher durchgeführt werden können. Eine Anwendung dieser Protokolle liegt also in der Veranschaulichung von Kryptographie und in der Ermöglichung sicherer Mehrparteienberechnungen, die gänzlich ohne Computer ausgeführt werden können. Ein Ziel in diesem Bereich der Kryptographie ist es, Protokolle anzugeben, die möglichst wenige Karten benötigen – und sie als optimal in diesem Sinne zu beweisen. Abhängig von Anforderungen an das Laufzeitverhalten (endliche vs. lediglich im Erwartungswert endliche Laufzeit) und an die Praktikabilität der eingesetzten Mischoperationen, ergeben sich unterschiedliche untere Schranken für die mindestens benötigte Kartenanzahl. Im Rahmen der Arbeit wird für jede Kombination dieser Anforderungen ein UND-Protokoll – ein logisches UND zweier in Karten codierter Bits; dieses ist zusammen mit der Negation und dem Kopieren von Bits hinreichend für die Realisierung allgemeiner Schaltkreise – konstruiert oder in der Literatur identifiziert, das mit der minimalen Anzahl an Karten auskommt, und dies auch als Karten-minimal bewiesen. Insgesamt ist UND mit vier (für erwartet endliche Laufzeit (Koch, Walzer und Härtel, 2015; Koch, 2018)), fünf (für praktikable Mischoperationen oder endliche Laufzeit (Koch, Walzer und Härtel, 2015; Koch, 2018)) oder sechs Karten (für endliche Laufzeit und gleichzeitig praktikable Mischoperationen (Kastner et al., 2017)) möglich und optimal. Für die notwendigen Struktureinsichten wurden so-genannte „Zustandsdiagramme“ mit zugehörigen Kalkülregeln entwickelt, die eine graphenbasierte Darstellung aller möglichen Protokolldurchläufe darstellen und an denen Korrektheit und Sicherheit der Protokolle direkt ablesbar sind (Koch, Walzer und Härtel, 2015; Kastner et al., 2017). Dieser Kalkül hat seitdem eine breite Verwendung in der bereichsrelevanten Literatur gefunden. (Beweise für untere Schranken bzgl. der Kartenanzahl werden durch den Kalkül zu Beweisen, die zeigen, dass bestimmte Protokollzustände in einer bestimmten kombinatorischen Graphenstruktur nicht erreichbar sind.) Mit Hilfe des Kalküls wurden Begriffe der Spielkartenkryptographie als C-Programm formalisiert und (unter bestimmten Einschränkungen) mit einem „Software Bounded Model Checking“-Ansatz die Längenminimalität eines kartenminimalen UND-Protokolls bewiesen (Koch, Schrempp und Kirsten, 2019). Darüber hinaus werden konzeptionell einfache Protokolle für den Fall einer sicheren Mehrparteienberechnung angegeben, bei der sogar zusätzlich die zu berechnende Funktion geheim bleiben soll (Koch und Walzer, 2018), und zwar für jedes der folgenden Berechnungsmodelle: (universelle) Schaltkreise, binäre Entscheidungsdiagramme, Turingmaschinen und RAM-Maschinen. Es wird zudem untersucht, wie Karten-basierte Protokolle so ausgeführt werden können, dass die einzige Interaktion darin besteht, dass andere Parteien die korrekte Ausführung überwachen. Dies ermöglicht eine (schwach interaktive) Programm-Obfuszierung, bei der eine Partei ein durch Karten codiertes Programm auf eigenen Eingaben ausführen kann, ohne etwas über dessen interne Funktionsweise zu lernen, das über das Ein-/Ausgabeverhalten hinaus geht. Dies ist ohne derartige physikalische Annahmen i.A. nicht möglich. Zusätzlich wird eine Sicherheit gegen Angreifer, die auch vom Protokoll abweichen dürfen, formalisiert und es wird eine Methode angegeben um unter möglichst schwachen Sicherheitsannahmen ein passiv sicheres Protokoll mechanisch in ein aktiv sicheres zu transformieren (Koch und Walzer, 2017). Eine weitere, in der Dissertation untersuchte physikalische Sicherheitsannahme, ist die Annahme primitiver, unkorrumpierbarer Hardware-Bausteine, wie z.B. einen TAN-Generator. Dies ermöglicht z.B. eine sichere Authentifikation des menschlichen Nutzers über ein korrumpiertes Terminal, ohne dass der Nutzer selbst kryptographische Berechnungen durchführen muss (z.B. große Primzahlen zu multiplizieren). Dies wird am Beispiel des Geldabhebens an einem korrumpierten Geldautomaten mit Hilfe eines als sicher angenommenen zweiten Geräts (Achenbach et al., 2019) und mit möglichst schwachen Anforderungen an die vorhandenen Kommunikationskanäle gelöst. Da das angegebene Protokoll auch sicher ist, wenn es beliebig mit anderen gleichzeitig laufenden Protokollen ausgeführt wird (also sogenannte Universelle Komponierbarkeit aufweist), es modular entworfen wurde, und die Sicherheitsannahme glaubwürdig ist, ist die Funktionsweise für den Menschen transparent und nachvollziehbar. Insgesamt bildet die Arbeit durch die verschiedenen Karten-basierten Protokolle, Kalküle und systematisierten Beweise für untere Schranken bzgl. der Kartenanzahl, sowie durch Ergebnisse zur sicheren Verwendung eines nicht-vertrauenswürdigen Terminals, und einer Einordnung dieser in eine systematische Darstellung der verschiedenen, in der Kryptographie verwendeten physikalischen Annahmen, einen wesentlichen Beitrag zur physikalisch-basierten Kryptographie

Foundations of Software Science and Computation Structures

This open access book constitutes the proceedings of the 22nd International Conference on Foundations of Software Science and Computational Structures, FOSSACS 2019, which took place in Prague, Czech Republic, in April 2019, held as part of the European Joint Conference on Theory and Practice of Software, ETAPS 2019. The 29 papers presented in this volume were carefully reviewed and selected from 85 submissions. They deal with foundational research with a clear significance for software science

Two-dimensional Sgraffito automata

We present a new model of a two-dimensional computing device called Sgraffito automaton. In general, the model is quite simple, which allows a clear design of computations. When restricted to one-dimensional inputs, that is, strings, the Sgraffito automaton does not exceed the power of finite-state automata. On the other hand, for two-dimensional inputs, it yields a family of picture languages with good closure properties that strictly includes the class REC  of recognizable picture languages. The deterministic Sgraffito automata define a class of picture languages that includes the class of deterministic recognizable picture languages DREC, the class of picture languages that are accepted by four-way alternating automata, those that are accepted by deterministic one-marker automata, and the sudoku-deterministically recognizable picture languages, but the membership problem for the accepted languages is still decidable in polynomial time. In addition, the deterministic Sgraffito automata accept some unary picture languages that are outside of the class REC

Being Written While Writing: Crafting Selves in the Persian Blogosphere

University of Minnesota Ph.D. dissertation. May 2018. Major: Anthropology. Advisor: Wiliam Beeman. 1 computer file (PDF); ix, 316 pages.This dissertation examines how people change in the process of creating through the prism of a particular creative site of material production—the Persian blogosphere. In Iran, blogging is a popular means for producing self-centering narratives—i.e., written accounts centering around one’s lived experience—, making Persian one of the top 10 blogging languages. As it deploys ethnographic research to explore blogging, a medium enabled by the coming together of technology, language, and people, this project questions the received ideas of what media do. The findings of this research challenge conventional ideas of media that center on symbolic representation instead of material creation. This ethnography explores the intervening processes, material techniques, unintentional creations, and creative accidents that go into the making of blogposts and bloggers’ inner selves. This study also shows that local traditions and understandings inform writing practices in the Persian blogosphere. As it uncovers the processes through which people gain new understandings of the world, this ethnography examines not only the uniquely Iranian qualities or uses of the Internet, but also how singularities in this specific field of cultural forces led to the birth of these qualities and functions. This research, moreover, explores how writing blogs helps Iranian become autonomous subjects, which in turn changes the dynamics of power at a micro level. This project is not, however, either another anthropocentric account of self-fashioning of an autonomous subject acting as the sole source of its own authority, nor a representational study of the subject’s narrative. As it takes its scrutiny beyond the realm of meaning, narratives, and stories, where the already-constituted individual has an ontological privilege, this research shows that the seemingly autonomous selves, in their self-fashioning projects, depend upon the materiality of the technology and that of written words. Although ultimately about identities crafted online, this ethnography therefore underlines an understanding of fashioning selves that concerns itself with the negotiation of alterities rather than the formation of identities. In its contributions to the anthropology of the self, media, technology, and writing, this research shows that identities crafted through media are made possible because of those alterities