The non-amenability of Schreier graphs for infinite index quasiconvex subgroups of hyperbolic groups

We show that if $H$ is a quasiconvex subgroup of infinite index in a non-elementary hyperbolic group $G$ then the Schreier coset graph $X$ for $G$ relative to $H$ is non-amenable (that is, $X$ has positive Cheeger constant). We present some corollaries regading the Martin boundary and Martin compactification of $X$ and the co-growth of $H$ in $G$.Comment: updated versio

Efficiently Detecting Torsion Points and Subtori

Suppose X is the complex zero set of a finite collection of polynomials in Z[x_1,...,x_n]. We show that deciding whether X contains a point all of whose coordinates are d_th roots of unity can be done within NP^NP (relative to the sparse encoding), under a plausible assumption on primes in arithmetic progression. In particular, our hypothesis can still hold even under certain failures of the Generalized Riemann Hypothesis, such as the presence of Siegel-Landau zeroes. Furthermore, we give a similar (but UNconditional) complexity upper bound for n=1. Finally, letting T be any algebraic subgroup of (C^*)^n we show that deciding whether X contains T is coNP-complete (relative to an even more efficient encoding),unconditionally. We thus obtain new non-trivial families of multivariate polynomial systems where deciding the existence of complex roots can be done unconditionally in the polynomial hierarchy -- a family of complexity classes lying between PSPACE and P, intimately connected with the P=?NP Problem. We also discuss a connection to Laurent's solution of Chabauty's Conjecture from arithmetic geometry.Comment: 21 pages, no figures. Final version, with additional commentary and references. Also fixes a gap in Theorems 2 (now Theorem 1.3) regarding translated subtor

From Statistical Relational to Neurosymbolic Artificial Intelligence: a Survey

This survey explores the integration of learning and reasoning in two different fields of artificial intelligence: neurosymbolic and statistical relational artificial intelligence. Neurosymbolic artificial intelligence (NeSy) studies the integration of symbolic reasoning and neural networks, while statistical relational artificial intelligence (StarAI) focuses on integrating logic with probabilistic graphical models. This survey identifies seven shared dimensions between these two subfields of AI. These dimensions can be used to characterize different NeSy and StarAI systems. They are concerned with (1) the approach to logical inference, whether model or proof-based; (2) the syntax of the used logical theories; (3) the logical semantics of the systems and their extensions to facilitate learning; (4) the scope of learning, encompassing either parameter or structure learning; (5) the presence of symbolic and subsymbolic representations; (6) the degree to which systems capture the original logic, probabilistic, and neural paradigms; and (7) the classes of learning tasks the systems are applied to. By positioning various NeSy and StarAI systems along these dimensions and pointing out similarities and differences between them, this survey contributes fundamental concepts for understanding the integration of learning and reasoning.Comment: To appear in Artificial Intelligence. Shorter version at IJCAI 2020 survey track, https://www.ijcai.org/proceedings/2020/0688.pd

IST Austria Thesis

Algorithms in computational 3-manifold topology typically take a triangulation as an input and return topological information about the underlying 3-manifold. However, extracting the desired information from a triangulation (e.g., evaluating an invariant) is often computationally very expensive. In recent years this complexity barrier has been successfully tackled in some cases by importing ideas from the theory of parameterized algorithms into the realm of 3-manifolds. Various computationally hard problems were shown to be efficiently solvable for input triangulations that are sufficiently “tree-like.” In this thesis we focus on the key combinatorial parameter in the above context: we consider the treewidth of a compact, orientable 3-manifold, i.e., the smallest treewidth of the dual graph of any triangulation thereof. By building on the work of Scharlemann–Thompson and Scharlemann–Schultens–Saito on generalized Heegaard splittings, and on the work of Jaco–Rubinstein on layered triangulations, we establish quantitative relations between the treewidth and classical topological invariants of a 3-manifold. In particular, among other results, we show that the treewidth of a closed, orientable, irreducible, non-Haken 3-manifold is always within a constant factor of its Heegaard genus

Impact of Symmetries in Graph Clustering

Diese Dissertation beschäftigt sich mit der durch die Automorphismusgruppe definierten Symmetrie von Graphen und wie sich diese auf eine Knotenpartition, als Ergebnis von Graphenclustering, auswirkt. Durch eine Analyse von nahezu 1700 Graphen aus verschiedenen Anwendungsbereichen kann gezeigt werden, dass mehr als 70 % dieser Graphen Symmetrien enthalten. Dies bildet einen Gegensatz zum kombinatorischen Beweis, der besagt, dass die Wahrscheinlichkeit eines zufälligen Graphen symmetrisch zu sein bei zunehmender Größe gegen Null geht. Das Ergebnis rechtfertigt damit die Wichtigkeit weiterer Untersuchungen, die auf mögliche Auswirkungen der Symmetrie eingehen. Bei der Analyse werden sowohl sehr kleine Graphen (10 000 000 Knoten/>25 000 000 Kanten) berücksichtigt. Weiterhin wird ein theoretisches Rahmenwerk geschaffen, das zum einen die detaillierte Quantifizierung von Graphensymmetrie erlaubt und zum anderen Stabilität von Knotenpartitionen hinsichtlich dieser Symmetrie formalisiert. Eine Partition der Knotenmenge, die durch die Aufteilung in disjunkte Teilmengen definiert ist, wird dann als stabil angesehen, wenn keine Knoten symmetriebedingt von der einen in die andere Teilmenge abgebildet werden und dadurch die Partition verändert wird. Zudem wird definiert, wie eine mögliche Zerlegbarkeit der Automorphismusgruppe in unabhängige Untergruppen als lokale Symmetrie interpretiert werden kann, die dann nur Auswirkungen auf einen bestimmten Bereich des Graphen hat. Um die Auswirkungen der Symmetrie auf den gesamten Graphen und auf Partitionen zu quantifizieren, wird außerdem eine Entropiedefinition präsentiert, die sich an der Analyse dynamischer Systeme orientiert. Alle Definitionen sind allgemein und können daher für beliebige Graphen angewandt werden. Teilweise ist sogar eine Anwendbarkeit für beliebige Clusteranalysen gegeben, solange deren Ergebnis in einer Partition resultiert und sich eine Symmetrierelation auf den Datenpunkten als Permutationsgruppe angeben lässt. Um nun die tatsächliche Auswirkung von Symmetrie auf Graphenclustering zu untersuchen wird eine zweite Analyse durchgeführt. Diese kommt zum Ergebnis, dass von 629 untersuchten symmetrischen Graphen 72 eine instabile Partition haben. Für die Analyse werden die Definitionen des theoretischen Rahmenwerks verwendet. Es wird außerdem festgestellt, dass die Lokalität der Symmetrie eines Graphen maßgeblich beeinflusst, ob dessen Partition stabil ist oder nicht. Eine hohe Lokalität resultiert meist in einer stabilen Partition und eine stabile Partition impliziert meist eine hohe Lokalität. Bevor die obigen Ergebnisse beschrieben und definiert werden, wird eine umfassende Einführung in die verschiedenen benötigten Grundlagen gegeben. Diese umfasst die formalen Definitionen von Graphen und statistischen Graphmodellen, Partitionen, endlichen Permutationsgruppen, Graphenclustering und Algorithmen dafür, sowie von Entropie. Ein separates Kapitel widmet sich ausführlich der Graphensymmetrie, die durch eine endliche Permutationsgruppe, der Automorphismusgruppe, beschrieben wird. Außerdem werden Algorithmen vorgestellt, die die Symmetrie von Graphen ermitteln können und, teilweise, auch das damit eng verwandte Graphisomorphie Problem lösen. Am Beispiel von Graphenclustering gibt die Dissertation damit Einblicke in mögliche Auswirkungen von Symmetrie in der Datenanalyse, die so in der Literatur bisher wenig bis keine Beachtung fanden

Applying Formal Methods to Networking: Theory, Techniques and Applications

Despite its great importance, modern network infrastructure is remarkable for the lack of rigor in its engineering. The Internet which began as a research experiment was never designed to handle the users and applications it hosts today. The lack of formalization of the Internet architecture meant limited abstractions and modularity, especially for the control and management planes, thus requiring for every new need a new protocol built from scratch. This led to an unwieldy ossified Internet architecture resistant to any attempts at formal verification, and an Internet culture where expediency and pragmatism are favored over formal correctness. Fortunately, recent work in the space of clean slate Internet design---especially, the software defined networking (SDN) paradigm---offers the Internet community another chance to develop the right kind of architecture and abstractions. This has also led to a great resurgence in interest of applying formal methods to specification, verification, and synthesis of networking protocols and applications. In this paper, we present a self-contained tutorial of the formidable amount of work that has been done in formal methods, and present a survey of its applications to networking.Comment: 30 pages, submitted to IEEE Communications Surveys and Tutorial