Sublinear-Time Cellular Automata and Connections to Complexity Theory

Im Gebiet des verteilten Rechnens werden Modelle untersucht, in denen sich mehrere Berechnungseinheiten koordinieren, um zusammen ein gemeinsames Ziel zu erreichen, wobei sie aber nur über begrenzte Ressourcen verfügen — sei diese Zeit-, Platz- oder Kommunikationskapazitäten. Das Hauptuntersuchungsobjekt dieser Dissertation ist das wohl einfachste solche Modell überhaupt: (eindimensionale) Zellularautomaten. Unser Ziel ist es, einen besseren Überblick über die Fähigkeiten und Einschränkungen des Modells und ihrer Varianten zu erlangen in dem Fall, dass die gesamte Bearbeitungszeit deutlich kleiner als die Größe der Eingabe ist (d. h. Sublinear-Zeit). Wir führen unsere Analyse von dem Standpunkt der Komplexitätstheorie und stellen dabei auch Bezüge zwischen Zellularautomaten und anderen Gebieten wie verteiltes Rechnen und Streaming-Algorithmen her. Sublinear-Zeit Zellularautomaten. Ein Zellularautomat (ZA) besteht aus identischen Zellen, die entlang einer Linie aneinandergereiht sind. Jede Zelle ist im Wesentlichen eine sehr primitive Berechnungseinheit (nämlich ein deterministischer endlicher Automat), die mit deren beiden Nachbarn interagieren kann. Die Berechnung entsteht durch die Aktualisierung der Zustände der Zellen gemäß derselben Zustandsüberführungsfunktion, die gleichzeitig überall im Automaten angewendet wird. Die von uns betrachteten Varianten sind unter anderem schrumpfende ZAs, die (gewissermaßen) dynamisch rekonfigurierbar sind, sowie eine probabilistische Variante, in der jede Zelle mit Zugriff auf eine faire Münze ausgestattet ist. Trotz überragendem Interesse an Linear- und Real-Zeit-ZAs scheint der Fall von Sublinear-Zeit im Großen und Ganzen von der wissenschaftlichen Gemeinschaft vernachlässigt worden zu sein. Wir arbeiten die überschaubare Anzahl an Vorarbeiten zu dem Thema auf, die vorhanden ist, und entwickeln die daraus stammenden Techniken weiter, sodass deren Spektrum an Anwendungsmöglichkeiten wesentlich breiter wird. Durch diese Bemühungen entsteht unter anderem ein Zeithierarchiesatz für das deterministische Modell. Außerdem übertragen wir Techniken zum Beweis unterer Schranken aus der Komplexitätstheorie auf das Modell der schrumpfenden ZAs und entwickeln neue Techniken, die auf probabilistische Sublinear-Zeit-ZAs zugeschnitten sind. Ein Bezug zu Härte-Magnifizierung. Ein Bezug zu Komplexitätstheorie, die wir im Laufe unserer Untersuchungen herstellen, ist ein Satz über Härte-Magnifizierung (engl. hardness magnification) für schrumpfende ZAs. Hier bezieht sich Härte-Magnifizierung auf eine Reihe neuerer Arbeiten, die bezeugen, dass selbst geringfügig nicht-triviale untere Schranken sehr beeindruckende Konsequenzen in der Komplexitätstheorie haben können. Unser Satz ist eine Abwandlung eines neuen Ergebnisses von McKay, Murray und Williams (STOC, 2019) für Streaming-Algorithmen. Wie wir zeigen kann die Aussage dabei genauso in Bezug auf schrumpfende ZAs formuliert werden, was sie auch beweisbar verstärkt. Eine Verbindung zu Sliding-Window Algorithmen. Wir verknüpfen das verteilte Zellularautomatenmodell mit dem sequenziellen Streaming-Algorithmen-Modell. Wie wir zeigen, können (gewisse Varianten von) ZAs von Streaming-Algorithmen simuliert werden, die bestimmten Lokalitätseinschränkungen unterliegen. Konkret ist der aktuelle Zustand des Algorithmus vollkommen bestimmt durch den Inhalt eines Fensters fester Größe, das wenige letzte Symbole enthält, die vom Algorithmus verarbeitet worden sind. Dementsprechend nennen wir diese eingeschränkte Form eines Streaming-Algorithmus einen Sliding-Window-Algorithmus. Wir zeigen, dass Sliding-Window-Algorithmen ZAs sehr effizient simulieren können und insbesondere in einer solchen Art und Weise, dass deren Platzkomplexität eng mit der Zeitkomplexität des simulierten ZA verbunden ist. Derandomisierungsergebnisse. Wir zeigen Derandomisierungsergebnisse für das Modell von Sliding-Window-Algorithmen, die Zufall aus einer binären Zufallsquelle beziehen. Dazu stützen wir uns auf die robuste Maschinerie von Branching-Programmen, die den gängigen Ansatz zur Derandomisierung von Platz-beschränkten Maschinen in der Komplexitätstheorie darstellen. Als eine Anwendung stellen sich Derandomisierungsergebnisse für probabilistische Sublinear-Zeit-ZAs heraus, die durch die oben genannten Verknüpfung erlangt werden. Vorhersageproblem für Pilz-Sandhaufen. Ein letztes Problem, das wir behandeln und das auch einen Bezug zu Sublinear-Zeitkomplexität im Rahmen von Zellularautomaten hat (obwohl nicht zu Sublinear-Zeit-Zellularautomaten selber), ist das Vorhersageproblem für Sandhaufen-Zellularautomaten. Diese Automaten sind basierend auf zweidimensionalen ZAs definiert und modellieren einen deterministischen Prozess, in dem sich Partikel (in der Regel denkt man an Sandkörnern) durch den Raum verbreiten. Das Vorhersageproblem fragt ob, gegeben eine Zellennummer $y$ und eine initiale Konfiguration für den Sandhaufen, die Zelle mit Nummer $y$ irgendwann vor einer gewissen Zeitschranke einen von Null verschiedenen Zustand erreichen wird. Die Komplexität dieses mindestens zwei Jahrzehnte alten Vorhersageproblems ist für zweidimensionelle Sandhaufen bemerkenswerterweise nach wie vor offen. Wir lösen diese Frage im Wesentlichen für eine neue Variante von Sandhaufen namens Pilz-Sandhaufen, die von Goles u. a. (Phys. Lett. A, 2020) vorgeschlagen worden ist. Unser Ergebnis ist besonders relevant, weil es innovative Erkenntnisse und neue Techniken liefert, die für die Lösung des offenen Problems im allgemeinen Fall von hoher Relevanz sein könnten

Programmability of Chemical Reaction Networks

Motivated by the intriguing complexity of biochemical circuitry within individual cells we study Stochastic Chemical Reaction Networks (SCRNs), a formal model that considers a set of chemical reactions acting on a finite number of molecules in a well-stirred solution according to standard chemical kinetics equations. SCRNs have been widely used for describing naturally occurring (bio)chemical systems, and with the advent of synthetic biology they become a promising language for the design of artificial biochemical circuits. Our interest here is the computational power of SCRNs and how they relate to more conventional models of computation. We survey known connections and give new connections between SCRNs and Boolean Logic Circuits, Vector Addition Systems, Petri Nets, Gate Implementability, Primitive Recursive Functions, Register Machines, Fractran, and Turing Machines. A theme to these investigations is the thin line between decidable and undecidable questions about SCRN behavior

Reliable Cellular Automata with Self-Organization

In a probabilistic cellular automaton in which all local transitions have positive probability, the problem of keeping a bit of information indefinitely is nontrivial, even in an infinite automaton. Still, there is a solution in 2 dimensions, and this solution can be used to construct a simple 3-dimensional discrete-time universal fault-tolerant cellular automaton. This technique does not help much to solve the following problems: remembering a bit of information in 1 dimension; computing in dimensions lower than 3; computing in any dimension with non-synchronized transitions. Our more complex technique organizes the cells in blocks that perform a reliable simulation of a second (generalized) cellular automaton. The cells of the latter automaton are also organized in blocks, simulating even more reliably a third automaton, etc. Since all this (a possibly infinite hierarchy) is organized in ``software'', it must be under repair all the time from damage caused by errors. A large part of the problem is essentially self-stabilization recovering from a mess of arbitrary size and content. The present paper constructs an asynchronous one-dimensional fault-tolerant cellular automaton, with the further feature of ``self-organization''. The latter means that unless a large amount of input information must be given, the initial configuration can be chosen homogeneous.Comment: 166 pages, 17 figure

A PVS-Simulink Integrated Environment for Model-Based Analysis of Cyber-Physical Systems

This paper presents a methodology, with supporting tool, for formal modeling and analysis of software components in cyber-physical systems. Using our approach, developers can integrate a simulation of logic-based specifications of software components and Simulink models of continuous processes. The integrated simulation is useful to validate the characteristics of discrete system components early in the development process. The same logic-based specifications can also be formally verified using the Prototype Verification System (PVS), to gain additional confidence that the software design complies with specific safety requirements. Modeling patterns are defined for generating the logic-based specifications from the more familiar automata-based formalism. The ultimate aim of this work is to facilitate the introduction of formal verification technologies in the software development process of cyber-physical systems, which typically requires the integrated use of different formalisms and tools. A case study from the medical domain is used to illustrate the approach. A PVS model of a pacemaker is interfaced with a Simulink model of the human heart. The overall cyber-physical system is co-simulated to validate design requirements through exploration of relevant test scenarios. Formal verification with the PVS theorem prover is demonstrated for the pacemaker model for specific safety aspects of the pacemaker design

On Dynamics of Integrate-and-Fire Neural Networks with Conductance Based Synapses

We present a mathematical analysis of a networks with Integrate-and-Fire neurons and adaptive conductances. Taking into account the realistic fact that the spike time is only known within some \textit{finite} precision, we propose a model where spikes are effective at times multiple of a characteristic time scale $\delta$, where $\delta$ can be \textit{arbitrary} small (in particular, well beyond the numerical precision). We make a complete mathematical characterization of the model-dynamics and obtain the following results. The asymptotic dynamics is composed by finitely many stable periodic orbits, whose number and period can be arbitrary large and can diverge in a region of the synaptic weights space, traditionally called the "edge of chaos", a notion mathematically well defined in the present paper. Furthermore, except at the edge of chaos, there is a one-to-one correspondence between the membrane potential trajectories and the raster plot. This shows that the neural code is entirely "in the spikes" in this case. As a key tool, we introduce an order parameter, easy to compute numerically, and closely related to a natural notion of entropy, providing a relevant characterization of the computational capabilities of the network. This allows us to compare the computational capabilities of leaky and Integrate-and-Fire models and conductance based models. The present study considers networks with constant input, and without time-dependent plasticity, but the framework has been designed for both extensions.Comment: 36 pages, 9 figure

Membrane computing: traces, neural inspired models, controls

Membrane Computing:Traces, Neural Inspired Models, ControlsAutor: Armand-Mihai IonescuDirectores: Dr. Victor Mitrana (URV)Dr. Takashi Yokomori (Universidad Waseda, Japón)Resumen Castellano:El presente trabajo está dedicado a una área muy activa del cálculo natural (que intenta descubrir la odalidad en la cual la naturaleza calcula, especialmente al nivel biológico), es decir el cálculo con membranas, y más preciso, a los modelos de membranas inspirados de la funcionalidad biológica de la neurona.La disertación contribuye al área de cálculo con membranas en tres direcciones principales. Primero, introducimos una nueva manera de definir el resultado de una computación siguiendo los rastros de un objeto especificado dentro de una estructura celular o de una estructura neuronal. A continuación, nos acercamos al ámbito de la biología del cerebro, con el objetivo de obtener varias maneras de controlar la computación por medio de procesos que inhiben/de-inhiben. Tercero, introducimos e investigamos en detallo - aunque en una fase preliminar porque muchos aspectos tienen que ser clarificados - una clase de sistemas inspirados de la manera en la cual las neuronas cooperan por medio de spikes, pulsos eléctricos de formas idénticas.English summary:The present work is dedicated to a very active branch of natural computing (which tries to discover the way nature computes, especially at a biological level), namely membrane computing, more precisely, to those models of membrane systems mainly inspired from the functioning of the neural cell.The present dissertation contributes to membrane computing in three main directions. First, we introduce a new way of defining the result of a computation by means of following the traces of a specified object within a cell structure or a neural structure. Then, we get closer to the biology of the brain, considering various ways to control the computation by means of inhibiting/de-inhibiting processes. Third, we introduce and investigate in a great - though preliminary, as many issues remain to be clarified - detail a class of P systems inspired from the way neurons cooperate by means of spikes, electrical pulses of identical shapes

REGULAR LANGUAGES: TO FINITE AUTOMATA AND BEYOND - SUCCINCT DESCRIPTIONS AND OPTIMAL SIMULATIONS

\uc8 noto che i linguaggi regolari \u2014 o di tipo 3 \u2014 sono equivalenti agli automi a stati finiti. Tuttavia, in letteratura sono presenti altre caratterizzazioni di questa classe di linguaggi, in termini di modelli riconoscitori e grammatiche. Per esempio, limitando le risorse computazionali di modelli pi\uf9 generali, quali grammatiche context-free, automi a pila e macchine di Turing, che caratterizzano classi di linguaggi pi\uf9 ampie, \ue8 possibile ottenere modelli che generano o riconoscono solamente i linguaggi regolari. I dispositivi risultanti forniscono delle rappresentazioni alternative dei linguaggi di tipo 3, che, in alcuni casi, risultano significativamente pi\uf9 compatte rispetto a quelle dei modelli che caratterizzano la stessa classe di linguaggi. Il presente lavoro ha l\u2019obiettivo di studiare questi modelli formali dal punto di vista della complessit\ue0 descrizionale, o, in altre parole, di analizzare le relazioni tra le loro dimensioni, ossia il numero di simboli utilizzati per specificare la loro descrizione. Sono presentati, inoltre, alcuni risultati connessi allo studio della famosa domanda tuttora aperta posta da Sakoda e Sipser nel 1978, inerente al costo, in termini di numero di stati, per l\u2019eliminazione del nondeterminismo dagli automi stati finiti sfruttando la capacit\ue0 degli automi two-way deterministici di muovere la testina avanti e indietro sul nastro di input.It is well known that regular \u2014 or type 3 \u2014 languages are equivalent to finite automata. Nevertheless, many other characterizations of this class of languages in terms of computational devices and generative models are present in the literature. For example, by suitably restricting more general models such as context-free grammars, pushdown automata, and Turing machines, that characterize wider classes of languages, it is possible to obtain formal models that generate or recognize regular languages only. The resulting formalisms provide alternative representations of type 3 languages that may be significantly more concise than other models that share the same expressing power. The goal of this work is to investigate these formal systems from a descriptional complexity perspective, or, in other words, to study the relationships between their sizes, namely the number of symbols used to write down their descriptions. We also present some results related to the investigation of the famous question posed by Sakoda and Sipser in 1978, concerning the size blowups from nondeterministic finite automata to two-way deterministic finite automata