Codes, arrangements, matroids, and their polynomial links

Codes, arrangements, matroids, and their polynomial links Many mathematical objects are closely related to each other. While studying certain aspects of a mathematical object, one tries to find a way to "view" the object in a way that is most suitable for a specific problem. Or, in other words, one tries to find the best way to model the problem. Many related fields of mathematics have evolved from one another this way. In practice, it is very useful to be able to transform a problem into other terminology: it gives a lot more available knowledge and that can be helpful to solve a problem. This thesis deals with various closely related fields in discrete mathematics, starting from linear error-correcting codes and their weight enumerator. We can generalize the weight enumerator in two ways, to the extended and generalized weight enumerators. The set of generalized weight enumerators is equivalent to the extended weight enumerator. Summarizing and extending known theory, we define the two-variable zeta polynomial of a code and its generalized zeta polynomial. These polynomials are equivalent to the extended and generalized weight enumerator of a code. We can determine the extended and generalized weight enumerator using projective systems. This calculation is explicitly done for codes coming from finite projective and affine spaces: these are the simplex code and the first order Reed-Muller code. As a result we do not only get the weight enumerator of these codes, but it also gives us information on their geometric structure. This is useful information in determining the dimension of geometric designs. To every linear code we can associate a matroid that is representable over a finite field. A famous and well-studied polynomial associated to matroids is the Tutte polynomial, or rank generating function. It is equivalent to the extended weight enumerator. This leads to a short proof of the MacWilliams relations for the extended weight enumerator. For every matroid, its flats form a geometric lattice. On the other hand, every geometric lattice induces a simple matroid. The Tutte polynomial of a matroid determines the coboundary polynomial of the associated geometric lattice. In the case of simple matroids, this becomes a two-way equivalence. Another polynomial associated to a geometric lattice (or, more general, to a poset) is the Möbius polynomial. It is not determined by the coboundary polynomial, neither the other way around. However, we can give conditions under which the Möbius polynomial of a simple matroid together with the Möbius polynomial of its dual matroid defines the coboundary polynomial. The proof of these relations involves the two-variable zeta polynomial, that can be generalized from codes to matroids. Both matroids and geometric lattices can be truncated to get an object of lower rank. The truncated matroid of a representable matroid is again representable. Truncation formulas exist for the coboundary and Möbius polynomial of a geometric lattice and the spectrum polynomial of a matroid, generalizing the known truncation formula of the Tutte polynomial of a matroid. Several examples and counterexamples are given for all the theory. To conclude, we give an overview of all polynomial relations

Fundamental Properties of Sum-Rank Metric Codes

This paper investigates the theory of sum-rank metric codes for which the individual matrix blocks may have different sizes. Various bounds on the cardinality of a code are derived, along with their asymptotic extensions. The duality theory of sum-rank metric codes is also explored, showing that MSRD codes (the sum-rank analogue of MDS codes) dualize to MSRD codes only if all matrix blocks have the same number of columns. In the latter case, duality considerations lead to an upper bound on the number of blocks for MSRD codes. The paper also contains various constructions of sum-rank metric codes for variable block sizes, illustrating the possible behaviours of these objects with respect to bounds, existence, and duality properties

Engineering SAT Applications

Das Erfüllbarkeitsproblem der Aussagenlogik (SAT) ist nicht nur in der theoretischen Informatik ein grundlegendes Problem, da alle NP-vollständigen Probleme auf SAT zurückgeführt werden können. Durch die Entwicklung von sehr effizienten SAT Lösern sind in den vergangenen 15 Jahren auch eine Vielzahl von praktischen Anwendungsmöglichkeiten entwickelt worden. Zu den bekanntesten gehört die Verifikation von Hardware- und Software-Bausteinen. Bei der Berechnung von unerfüllbaren SAT-Problemen sind Entwickler und Anwender oftmals an einer Erklärung für die Unerfüllbarkeit interessiert. Eine Möglichkeit diese zu ermitteln ist die Berechnung von minimal unerfüllbaren Teilformeln. Es sind drei grundlegend verschiedene Strategien zur Berechnung dieser Teilformeln bekannt: mittels Einfügen von Klauseln in ein erfüllbares Teilproblem, durch Entfernen von Kauseln aus einem unerfüllbaren Teilproblem und eine Kombination der beiden erstgenannten Methoden. In der vorliegenden Arbeit entwickeln wir zuerst eine interaktive Variante der Strategie, die auf Entfernen von Klauseln basiert. Sie ermöglicht es den Anwendern interessante Bereiche des Suchraumes manuell zu erschließen und aussagekräftige Erklärung für die Unerfüllbarkeit zu ermitteln. Der theoretische Hintergrund, der für die interaktive Berechnung von minimal unerfüllbaren Teilformeln entwickelt wurde, um dem Benutzer des Prototyps unnötige Schritte in der Berechnung der Teilformeln zu ersparen werden im Anschluss für die automatische Aufzählung von mehreren minimal unerfüllbaren Teilformeln verwendet, um dort die aktuell schnellsten Algorithmen weiter zu verbessern. Die Idee dabei ist mehrere Klauseln zu einem Block zusammenzufassen. Wir zeigen, wie diese Blöcke die Berechnungen von minimal unerfüllbaren Teilformeln positiv beeinflussen können. Durch die Implementierung eines Prototypen, der auf den aktuellen Methoden basiert, konnten wir die Effektivität unserer entwickelten Ideen belegen. Nachdem wir im ersten Teil der Arbeit grundlegende Algorithmen, die bei unerfüllbaren SAT-Problemen angewendet werden, verbessert haben, wenden wir uns im zweiten Teil der Arbeit neuen Anwendungsmöglichkeiten für SAT zu. Zuerst steht dabei ein Problem aus der Bioinformatik im Mittelpunkt. Wir lösen das sogenannte Kompatibilitätproblem für evolutionäre Bäume mittels einer Kodierung als Erfüllbarkeitsproblem und zeigen anschließend, wie wir mithilfe dieser neuen Kodierung ein nah verwandtes Optimierungsproblem lösen können. Den von uns neu entwickelten Ansatz vergleichen wir im Anschluss mit den bisher effektivsten Ansätzen das Optmierungsproblem zu lösen. Wir konnten zeigen, dass wir für den überwiegenden Teil der getesteten Instanzen neue Bestwerte in der Berechnungszeit erreichen. Die zweite neue Anwendung von SAT ist ein Problem aus der Graphentheorie, bzw. dem Graphenzeichen. Durch eine schlichte, intuitive, aber dennoch effektive Formulierung war es uns möglich neue Resultate für das Book Embedding Problem zu ermitteln. Zum einen konnten wir eine nicht triviale untere Schranke von vier für die benötigte Seitenzahl von 1-planaren Graphen ermitteln. Zum anderen konnten wir zeigen, dass es nicht für jeden planaren Graphen möglich ist, eine Einbettung in drei Seiten mittels einer sogenannten Schnyder-Aufteilung in drei verschiedene Bäume zu berechnen

Proceedings of the 22nd Conference on Formal Methods in Computer-Aided Design – FMCAD 2022

The Conference on Formal Methods in Computer-Aided Design (FMCAD) is an annual conference on the theory and applications of formal methods in hardware and system verification. FMCAD provides a leading forum to researchers in academia and industry for presenting and discussing groundbreaking methods, technologies, theoretical results, and tools for reasoning formally about computing systems. FMCAD covers formal aspects of computer-aided system design including verification, specification, synthesis, and testing

Proceedings of the 22nd Conference on Formal Methods in Computer-Aided Design – FMCAD 2022

The Conference on Formal Methods in Computer-Aided Design (FMCAD) is an annual conference on the theory and applications of formal methods in hardware and system verification. FMCAD provides a leading forum to researchers in academia and industry for presenting and discussing groundbreaking methods, technologies, theoretical results, and tools for reasoning formally about computing systems. FMCAD covers formal aspects of computer-aided system design including verification, specification, synthesis, and testing