On optimal and near-optimal algorithms for some computational graph problems

PhD ThesisSome computational graph problems are considered in this thesis and algorithms for solving these problems are described in detail. The problems can be divided into three main classes, namely, problems involving partially ordered sets, finding cycles in graphs, and shortest path problems. Most of the algorithms are based on recursive procedures using depth-first search. The efficiency of each algorithm is derived and it can be concluded that the majority of the proposed algorithms are either optimal and near-optimal within a constant factor. The efficiency of the algorithms is measured by the time and space requirements for their implementation.Conselho Nacional de Pesquisas,Brazil: Universidade Federal do Rio de Janeiro, Brazil

Algebraic hierarchical decomposition of finite state automata : a computational approach

The theory of algebraic hierarchical decomposition of finite state automata is an important and well developed branch of theoretical computer science (Krohn-Rhodes Theory). Beyond this it gives a general model for some important aspects of our cognitive capabilities and also provides possible means for constructing artificial cognitive systems: a Krohn-Rhodes decomposition may serve as a formal model of understanding since we comprehend the world around us in terms of hierarchical representations. In order to investigate formal models of understanding using this approach, we need efficient tools but despite the significance of the theory there has been no computational implementation until this work. Here the main aim was to open up the vast space of these decompositions by developing a computational toolkit and to make the initial steps of the exploration. Two different decomposition methods were implemented: the VuT and the holonomy decomposition. Since the holonomy method, unlike the VUT method, gives decompositions of reasonable lengths, it was chosen for a more detailed study. In studying the holonomy decomposition our main focus is to develop techniques which enable us to calculate the decompositions efficiently, since eventually we would like to apply the decompositions for real-world problems. As the most crucial part is finding the the group components we present several different ways for solving this problem. Then we investigate actual decompositions generated by the holonomy method: automata with some spatial structure illustrating the core structure of the holonomy decomposition, cases for showing interesting properties of the decomposition (length of the decomposition, number of states of a component), and the decomposition of finite residue class rings of integers modulo n. Finally we analyse the applicability of the holonomy decompositions as formal theories of understanding, and delineate the directions for further research

"Algorithms for some Graph-Theoretical Optimization Problems".

Samenvatting Deze thesis situeert zich in het onderzoeksgebied van operationeel onder zoek. We richten ons op methoden om een aantal graaf-theoretische optima lisatie problemen op te lossen. Allereerst geven we een korte introducti e in lineair en integer programmeren en bespreken we enkele oplossingsme thoden die in deze thesis worden gebruikt. Het vervolg van deze thesis k an grofweg in twee delen worden opgesplitst. In het eerste deel komt het opdelen van een partial order aan bod. In het tweede deel be studeren we de structuur en de connectiviteit van het Internet. Het opsplitsen van een partial order in een zo klein mogelijk aantal cha ins is een welbekend en fundamenteel probleem in het vakgebied van opera tioneel onderzoek. Dilworth (1950) toonde aan dat het probleem polynomia al oplosbaar is en dat het minimum benodigde aantal chains gelijk is aan het aantal elementen in een maximale antichain. We generaliseren dit pr obleem door te stellen dat een chain niet meer dan een gegeven aantal el ementen mag bevatten. We stellen een aantal exacte algoritmen voor om di t probleem op te lossen en passen deze toe op een specifiek probleem bij een productiebedrijf in Nederland. Een interessant resultaat van dit on derzoek is dat we bij de probleem instanties van dit productiebedrijf ee n speciale structuur konden vaststellen, gerelateerd aan het concept van de clique-width van een graaf. Door deze structuur kunnen we aantonen d at het probleem, voor deze speciale instanties, polynomiaal oplosbaar is . Vervolgens behandelen we een tweede generalisatie van het probleem, waar bij we aan elk element van de partial order een gewicht toekennen. Het p robleem wordt dan om alle elementen op te delen in chains zod anig dat de som van de gewichten van de chains minimaal is. Hierbij word t het gewicht van een chain gedefinieerd als het gewicht van het zwaarst e element in de chain. Ook hier geldt de capaciteitsbeperking dat elke c hain ten hoogste een gegeven aantal elementen mag bevatten. We geven een aantal ondergrenzen voor de waarde van de optimale oplossing en we stel len een 2-approximatie algoritme voor. In het tweede deel van deze thesis bestuderen we de structuur en de conn ectiviteit van het Internet. Het Internet is de laatste decennia zeer po pulair geworden en de hoeveelheid data die via het Internet wordt verstu urd is enorm gegroeid. Het is zeer belangrijk dat communicatie die via I nternet verloopt efficiënt, veilig en betrouwbaar is, zeker in een tijd waarin virussen binnen enkele uren enorme computer netwerken kunnen stil leggen. Om de structuur en de connectiviteit van het Internet te bestude ren, modelleren we het Internet als een graaf. Een veel gebruikte manier om de connectiviteit van een graaf te analyseren is door het maximale a antal paden en de minimale sneden de bepalen. Het is welbekend dat deze twee problemen polynomiaal oplosbaar zijn voor gewone grafen, maar voor een Internet-graaf is dat niet het geval. Aangezien de definitie van een pad in de graaf in deze context anders is dan bij normale grafen, zijn beide problemen voor Internet-grafen NP-compleet. We stellen een aantal exacte algoritmen voor om deze problemen op te lossen en vergelijken de resultaten met de resultaten van twee 2-approximatie algoritmes voorgest eld door Erlebach et al. (2005).

Generic attacks on iterated hash functions

Includes bibliographical references (leaves 126-132).We survery the existing generic attacks on hash functions based on the Merkle­Damgard construction: that is, attacks in which the compression function is treated as a black box

Detecting stochastic dominance for poset-valued random variables as an example of linear programming on closure systems

In this paper we develop a linear programming method for detecting stochastic dominance for random variables with values in a partially ordered set (poset) based on the upset-characterization of stochastic dominance. The proposed detection-procedure is based on a descriptively interpretable statistic, namely the maximal probability-difference of an upset. We show how our method is related to the general task of maximizing a linear function on a closure system. Since closure systems are describable via their valid formal implications, we can use here ingredients of formal concept analysis. We also address the question of inference via resampling and via conservative bounds given by the application of Vapnik-Chervonenkis theory, which also allows for an adequate pruning of the envisaged closure system that allows for the regularization of the test statistic (by paying a price of less conceptual rigor). We illustrate the developed methods by applying them to a variety of data examples, concretely to multivariate inequality analysis, item impact and differential item functioning in item response theory and to the analysis of distributional differences in spatial statistics. The power of regularization is illustrated with a data example in the context of cognitive diagnosis models

Algorithms and hardness results for the jump number problem, the joint replenishment problem, and the optimal clustering of frequency-constrained maintenance jobs

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Sloan School of Management, Operations Research Center, 2012.Cataloged from PDF version of thesis.Includes bibliographical references (p. 107-110).In the first part of this thesis we present a new, geometric interpretation of the jump number problem on 2-dimensional 2-colorable (2D2C) partial order. We show that the jump number of a 2D2C poset is equivalent to the maximum cardinality of an independent set in a properly defined collection of rectangles in the plane. We then model the geometric problem as a linear program. Even though the underlying polytope may not be integral, we show that one can always find an integral optimal solution. Inspired by this result and by previous work of A. Frank, T. Jordan and L. Vegh [13, 14, 15] on set-pairs, we derive an efficient combinatorial algorithm to find the maximum independent set and its dual, the minimum hitting set, in polynomial time. The combinatorial algorithm solves the jump number problem on convex posets (a subclass of 2D2C posets) significantly faster than current methods. If n is the number of nodes in the partial order, our algorithm runs in 0((n log n)2.5) time, while previous algorithms ran in at least 0(n9 ) time. In the second part, we present a novel connection between certain sequencing problems that involve the coordination of activities and the problem of factorizing integer numbers. We use this connection to derive hardness results for three different problems: -- The Joint Replenishment Problem with General Integer Policies. -- The Joint Replenishment Problem with Correction Factor. -- The Problem of Optimal Clustering of Frequency-Constrained Maintenance Jobs. Our hardness results do not follow from a standard type of reduction (e.g., we do not prove NP-hardness), and imply that no polynomial-time algorithm exists for the problems above, unless Integer Factorization is solvable in polynomial time..by Claudio Telha Cornejo.Ph.D

Programming an interim report on the SETL project. Part I: generalities. Part II: the SETL language and examples of its use

A summary of work during the past several years on SETL, a new programming language drawing its dictions and basic concepts from the mathematical theory of sets, is presented. The work was started with the idea that a programming language modeled after an appropriate version of the formal language of mathematics might allow a programming style with some of the succinctness of mathematics, and that this might ultimately enable one to express and experiment with more complex algorithms than are now within reach. Part I discusses the general approach followed in the work. Part II focuses directly on the details of the SETL language as it is now defined. It describes the facilities of SETL, includes short libraries of miscellaneous and of code optimization algorithms illustrating the use of SETL, and gives a detailed description of the manner in which the set-theoretic primitives provided by SETL are currently implemented. (RWR