Initial Algebra Semantics for Cyclic Sharing Tree Structures

Terms are a concise representation of tree structures. Since they can be naturally defined by an inductive type, they offer data structures in functional programming and mechanised reasoning with useful principles such as structural induction and structural recursion. However, for graphs or "tree-like" structures - trees involving cycles and sharing - it remains unclear what kind of inductive structures exists and how we can faithfully assign a term representation of them. In this paper we propose a simple term syntax for cyclic sharing structures that admits structural induction and recursion principles. We show that the obtained syntax is directly usable in the functional language Haskell and the proof assistant Agda, as well as ordinary data structures such as lists and trees. To achieve this goal, we use a categorical approach to initial algebra semantics in a presheaf category. That approach follows the line of Fiore, Plotkin and Turi's models of abstract syntax with variable binding

Sound and complete axiomatizations of coalgebraic language equivalence

Coalgebras provide a uniform framework to study dynamical systems, including several types of automata. In this paper, we make use of the coalgebraic view on systems to investigate, in a uniform way, under which conditions calculi that are sound and complete with respect to behavioral equivalence can be extended to a coarser coalgebraic language equivalence, which arises from a generalised powerset construction that determinises coalgebras. We show that soundness and completeness are established by proving that expressions modulo axioms of a calculus form the rational fixpoint of the given type functor. Our main result is that the rational fixpoint of the functor $FT$, where $T$ is a monad describing the branching of the systems (e.g. non-determinism, weights, probability etc.), has as a quotient the rational fixpoint of the "determinised" type functor $\bar F$, a lifting of $F$ to the category of $T$-algebras. We apply our framework to the concrete example of weighted automata, for which we present a new sound and complete calculus for weighted language equivalence. As a special case, we obtain non-deterministic automata, where we recover Rabinovich's sound and complete calculus for language equivalence.Comment: Corrected version of published journal articl

Tree-Structured Problems and Parallel Computation

Turing-Maschinen sind das klassische Beschreibungsmittel für Wortsprachen und werden daher auch benützt, um Komplexitätsklassen zu definieren. Dies geschieht zum Beispiel durch das Einschränken des Platz- oder Zeitaufwandes der Berechnung zur Lösung eines Problems. Für sehr niedrige Komplexität wie etwa sublineare Laufzeit, werden Schaltkreise verwendet. Schaltkreise können auf natürliche Art Komplexitäten wie etwa logarithmische Laufzeit modellieren. Ebenso können sie als eine Art paralleles Rechenmodell gesehen werden. Eine wichtige parallele Komplexitätsklasse ist NC1. Sie wird beschrieben durch Boolesche Schaltkreise logarithmischer Tiefe und beschränktem Eingangsgrad der Gatter. Eine initiale Beobachtung, die die vorliegende Arbeit motiviert, ist, dass viele schwere Probleme in NC1 eine ähnliche Struktur haben und auf ähnliche Art und Weise gelöst werden. Das Auswertungsproblem für Boolesche Formeln ist eines der repräsentativsten Probleme aus dieser Klasse: Gegeben ist hier eine aussagenlogische Formel samt Belegung für die Variablen; gefragt ist, ob sie zu wahr oder zu falsch auswertet. Dieses Problem wird in NC1 gelöst durch den Algorithmus von Buss. Auf ähnliche Art können arithmetische Formeln in #NC1 ausgewertet oder das Wortproblem für Visibly-Pushdown-Sprachen gelöst werden. Zu besagter Klasse an Problemen gehört auch Courcelles Theorem, welches Berechnungen in Baumautomaten involviert. Zu bemerken ist, dass alle angesprochenen Probleme gemeinsam haben, dass sie aus Instanzen bestehen, die baumartig sind. Formeln sind Bäume, Visibly-Pushdown-Sprachen enthalten als Wörter kodierte Bäume und Courcelles Theorem betrachtet Graphen mit beschränkter Baumweite, d.h. Graphen, die sich als Baum darstellen lassen. Insbesondere Letzteres ist ein Schema, das häufiger auftritt. Zum Beispiel gibt es NP-vollständige Graphprobleme wie das Finden von Hamilton-Kreisen, welches unter beschränkter Baumweite in P fällt. Neuere Analysen konnten diese Schranke weiter zu SAC1 verbessern, was eine parallele Komplexitätsklasse ist. Die angesprochenen Probleme kommen aus unterschiedlichen Bereichen und haben individuelle Lösungen. Hauptthese dieser Arbeit ist, dass sich diese Vielfalt vereinheitlichen lässt. Es wird ein generisches Lösungskonzept vorgestellt, welches darauf beruht, dass sich die Probleme auf ein Termevaluierungsproblem reduzieren lassen. Kernstück ist daher ein Termevaluierungsalgorithmus, der unabhängig von der Algebra, über welche der Term evaluiert werden soll, ist. Resultat ist, dass eine Vielzahl, darunter die oben angesprochenen Probleme, sich auf analoge Art lösen lassen, und dass sich ebenso leicht neue Resultate zeigen lassen. Diese Menge an Resultaten hätte sich ohne den vereinheitlichten Lösungsansatz nicht innerhalb des Rahmens einer Arbeit wie der vorliegenden zeigen lassen. Der entwickelte Lösungsansatz führt stets zu Schaltkreisfamilien polylogarithmischer Tiefe. Es wird jedoch auch die Frage behandelt, wie mächtig Schaltkreisfamilien konstanter Tiefe noch bezüglich Termevaluierung sind. Die Klasse AC0 ist hierfür ein natürlicher Kandidat; sie entspricht der Menge der Sprachen, die durch Logik erster Ordung beschreibbar sind. Um dieses Problem anzugehen, wird zunächst das Termevaluierungsproblem über endlichen Algebren betrachtet. Dieses wiederum lässt sich in das Wortproblem von Visibly-Pushdown-Sprachen einbetten. Daher handelt dieser Teil der Arbeit vornehmlich von der Beschreibbarkeit von Visibly-Pushdown-Sprachen in Logik erster Ordnung. Hierbei treten ungelöste Probleme zu Tage, welche ein Indiz dafür sind, wie schlecht die Komplexität konstanter Tiefe bisher noch verstanden ist, und das, trotz des Resultats von Furst, Saxe und Sipser, bzw. Håstads. Die bis jetzt beschrieben Inhalte sind Teil einer kontinuierlichen Entwicklung. Es gibt jedoch ein Thema in dieser Arbeit, das orthogonal dazu ist: Automaten und im speziellen Cost-Register-Automaten. Zum einen sind, wie oben angedeutet, Automaten Beispiele für Anwendungen des hier entwickelten generischen Lösungsansatzes. Zum anderen können sie selbst zur Beschreibung von Termevaluierungsproblemen dienen; so können Visibly-Pushdown-Automaten Termevaluierung über endlichen Algebren ausführen. Um über endliche Algebren hinauszugehen, benötigen die Automaten mehr Speicher. Visibly-Pushdown-Automaten haben einen Keller, der genau dafür geeignet ist, die Baumstruktur einer Eingabeformel zu verifizieren. Für nichtendliche Algebren eignet sich ein Modell, welches hier vorgestellt werden soll. Es kombiniert Visibly-Pushdown-Automaten mit Cost-Register-Automaten. Ein Cost-Register-Automat ist ein endlicher Automat, welcher mit zusätzlichen Registern ausgestattet ist. Die Register können Werte einer Algebra speichern und werden in jedem Schritt in Abhängigkeit des Eingabezeichens und des Zustandes aktualisiert. Dieser Einwegdatenfluss von Zuständen zu Registern sorgt dafür, dass dieses Modell nicht nur entscheidbar bleibt, sondern, in Abhängigkeit der Algebra, auch niedrige Komplexität hat. Das neue Modell der Cost-Register-Visibly-Pushdown-Automaten kann nun Terme evaluieren. Es werden grundlegende Eigenschaften gezeigt, einschließlich Komplexitätsaussagen

On the logical definability of certain graph and poset languages

We show that it is equivalent, for certain sets of finite graphs, to be definable in CMS (counting monadic second-order logic, a natural extension of monadic second-order logic), and to be recognizable in an algebraic framework induced by the notion of modular decomposition of a finite graph. More precisely, we consider the set $F\_\infty$ of composition operations on graphs which occur in the modular decomposition of finite graphs. If $F$ is a subset of $F\_{\infty}$, we say that a graph is an \calF-graph if it can be decomposed using only operations in $F$. A set of $F$-graphs is recognizable if it is a union of classes in a finite-index equivalence relation which is preserved by the operations in $F$. We show that if $F$ is finite and its elements enjoy only a limited amount of commutativity -- a property which we call weak rigidity, then recognizability is equivalent to CMS-definability. This requirement is weak enough to be satisfied whenever all $F$-graphs are posets, that is, transitive dags. In particular, our result generalizes Kuske's recent result on series-parallel poset languages