Incremental decision procedures for modal logics with nominals and eventualities

This thesis contributes to the study of incremental decision procedures for modal logics with nominals and eventualities. Eventualities are constructs that allow to reason about the reflexive-transitive closure of relations. Eventualities are an essential feature of temporal logics and propositional dynamic logic (PDL). Nominals extend modal logics with the possibility to reason about state equality. Modal logics with nominals are often called hybrid logics. Incremental procedures are procedures that can potentially solve a problem by performing only the reasoning steps needed for the problem in the underlying calculus. We begin by introducing a class of syntactic models called demos and showing how demos can be used for obtaining nonincremental but worst-case optimal decision procedures for extensions of PDL with nominals, converse and difference modalities. We show that in the absence of nominals, such nonincremental procedures can be refined into incremental demo search procedures, obtaining a worst-case optimal decision procedure for modal logic with eventualities. We then develop the first incremental decision procedure for basic hybrid logic with eventualities, which we eventually extend to deal with hybrid PDL. The approach in the thesis suggests a new principled design of modular, incremental decision procedures for expressive modal logics. In particular, it yields the first incremental procedures for modal logics containing both nominals and eventualities.Diese Dissertation untersucht inkrementelle Entscheidungsverfahren für Modallogiken mit Nominalen und Eventualities. Eventualities sind Konstrukte, die erlauben, über den reflexiv-transitiven Abschluss von Relationen zu sprechen. Sie sind ein Schlüsselmerkmal von Temporallogiken und dynamischer Aussagenlogik (PDL). Nominale erweitern Modallogik um die Möglichkeit, über Gleichheit von Zuständen zu sprechen. Modallogik mit Nominalen nennt man Hybridlogik. Inkrementell ist ein Verfahren dann, wenn es ein Problem so lösen kann, dass für die Lösung nur solche Schritte in dem zugrundeliegenden Kalkül gemacht werden, die für das Problem relevant sind. Wir führen zunächst eine Klasse syntaktischer Modelle ein, die wir Demos nennen. Wir nutzen Demos um nichtinkrementelle aber laufzeitoptimale Entscheidungsverfahren für Erweiterungen von PDL zu konstruieren. Wir zeigen, dass im Fall ohne Nominale solche Verfahren durch algorithmische Verfeinerung zu inkrementellen Verfahren ausgebaut werden können. Insbesondere erhalten wir so ein optimales Verfahren für Modallogik mit Eventualities. Anschließend entwickeln wir das erste inkrementelle Verfahren für Hybridlogik mit Eventualities, welches wir schließlich auf hybrides PDL erweitern. Die Dissertation vermittelt einen neuen Ansatz zur Konstruktion modularer, inkrementeller Entscheidungsverfahren für expressive Modallogiken. Insbesondere liefert der Ansatz die ersten inkrementellen Verfahren für Modallogiken mit Nominalen und Eventualities

A machine-checked constructive metatheory of computation tree logic

This thesis presents a machine-checked constructive metatheory of computation tree logic (CTL) and its sublogics K and K* based on results from the literature. We consider models, Hilbert systems, and history-based Gentzen systems and show that for every logic and every formula s the following statements are decidable and equivalent: s is true in all models, s is provable in the Hilbert system, and s is provable in the Gentzen system. We base our proofs on pruning systems constructing finite models for satisfiable formulas and abstract refutations for unsatisfiable formulas. The pruning systems are devised such that abstract refutations can be translated to derivations in the Hilbert system and the Gentzen system, thus establishing completeness of both systems with a single model construction. All results of this thesis are formalized and machine-checked with the Coq interactive theorem prover. Given the level of detail involved and the informal presentation in much of the original work, the gap between the original paper proofs and constructive machine-checkable proofs is considerable. The mathematical proofs presented in this thesis provide for elegant formalizations and often differ significantly from the proofs in the literature.Diese Dissertation beschreibt eine maschinell verifizierte konstruktive Metatheorie von computation tree logic (CTL) und deren Teillogiken K und K*. Wir betrachten Modelle, Hilbert-Kalküle und History-basierte Gentzen-Kalküle und zeigen, für jede betrachtete Logik und jede Formel s, Entscheidbarkeit und Äquivalenz der folgenden Aussagen: s gilt in allen Modellen, s ist im Hilbert-Kalkül ableitbar und s ist im Gentzen-Kalkül ableitbar. Die Beweise bauen auf Pruningsystemen auf, welche für erfüllbare Formeln endliche Modelle und für unerfüllbare Formeln abstrakte Widerlegungen konstruieren. Die Pruningsysteme sind so konstruiert, dass abstrakte Widerlegungen zu Widerlegungen sowohl im Hilbert- als auch im Gentzen-Kalkül übersetzt werden können. Dadurch wird es möglich, die Vollständigkeit beider Systeme mit nur einer Modellkonstruktion zu zeigen. Alle Ergebnisse dieser Dissertation sind formalisiert und maschinell verifiziert mit Hilfe des Beweisassistenten Coq. In Anbetracht der Fülle an Details und der informellen Beweisführung in großen Teilen der Originalliteratur, erfordert dies teilweise tiefgreifende Veränderungen an den Beweisen aus der Literatur. Die Beweise in der vorliegenden Arbeit sind so aufgebaut, dass sie zu eleganten Formalisierungen führen

A machine-checked constructive metatheory of computation tree logic

This thesis presents a machine-checked constructive metatheory of computation tree logic (CTL) and its sublogics K and K* based on results from the literature. We consider models, Hilbert systems, and history-based Gentzen systems and show that for every logic and every formula s the following statements are decidable and equivalent: s is true in all models, s is provable in the Hilbert system, and s is provable in the Gentzen system. We base our proofs on pruning systems constructing finite models for satisfiable formulas and abstract refutations for unsatisfiable formulas. The pruning systems are devised such that abstract refutations can be translated to derivations in the Hilbert system and the Gentzen system, thus establishing completeness of both systems with a single model construction. All results of this thesis are formalized and machine-checked with the Coq interactive theorem prover. Given the level of detail involved and the informal presentation in much of the original work, the gap between the original paper proofs and constructive machine-checkable proofs is considerable. The mathematical proofs presented in this thesis provide for elegant formalizations and often differ significantly from the proofs in the literature.Diese Dissertation beschreibt eine maschinell verifizierte konstruktive Metatheorie von computation tree logic (CTL) und deren Teillogiken K und K*. Wir betrachten Modelle, Hilbert-Kalküle und History-basierte Gentzen-Kalküle und zeigen, für jede betrachtete Logik und jede Formel s, Entscheidbarkeit und Äquivalenz der folgenden Aussagen: s gilt in allen Modellen, s ist im Hilbert-Kalkül ableitbar und s ist im Gentzen-Kalkül ableitbar. Die Beweise bauen auf Pruningsystemen auf, welche für erfüllbare Formeln endliche Modelle und für unerfüllbare Formeln abstrakte Widerlegungen konstruieren. Die Pruningsysteme sind so konstruiert, dass abstrakte Widerlegungen zu Widerlegungen sowohl im Hilbert- als auch im Gentzen-Kalkül übersetzt werden können. Dadurch wird es möglich, die Vollständigkeit beider Systeme mit nur einer Modellkonstruktion zu zeigen. Alle Ergebnisse dieser Dissertation sind formalisiert und maschinell verifiziert mit Hilfe des Beweisassistenten Coq. In Anbetracht der Fülle an Details und der informellen Beweisführung in großen Teilen der Originalliteratur, erfordert dies teilweise tiefgreifende Veränderungen an den Beweisen aus der Literatur. Die Beweise in der vorliegenden Arbeit sind so aufgebaut, dass sie zu eleganten Formalisierungen führen

Inkrementelle Entscheidungsverfahren für Modallogiken mit Nominalen und Eventualities

This thesis contributes to the study of incremental decision procedures for modal logics with nominals and eventualities. Eventualities are constructs that allow to reason about the reflexive-transitive closure of relations. Eventualities are an essential feature of temporal logics and propositional dynamic logic (PDL). Nominals extend modal logics with the possibility to reason about state equality. Modal logics with nominals are often called hybrid logics. Incremental procedures are procedures that can potentially solve a problem by performing only the reasoning steps needed for the problem in the underlying calculus. We begin by introducing a class of syntactic models called demos and showing how demos can be used for obtaining nonincremental but worst-case optimal decision procedures for extensions of PDL with nominals, converse and difference modalities. We show that in the absence of nominals, such nonincremental procedures can be refined into incremental demo search procedures, obtaining a worst-case optimal decision procedure for modal logic with eventualities. We then develop the first incremental decision procedure for basic hybrid logic with eventualities, which we eventually extend to deal with hybrid PDL. The approach in the thesis suggests a new principled design of modular, incremental decision procedures for expressive modal logics. In particular, it yields the first incremental procedures for modal logics containing both nominals and eventualities.Diese Dissertation untersucht inkrementelle Entscheidungsverfahren für Modallogiken mit Nominalen und Eventualities. Eventualities sind Konstrukte, die erlauben, über den reflexiv-transitiven Abschluss von Relationen zu sprechen. Sie sind ein Schlüsselmerkmal von Temporallogiken und dynamischer Aussagenlogik (PDL). Nominale erweitern Modallogik um die Möglichkeit, über Gleichheit von Zuständen zu sprechen. Modallogik mit Nominalen nennt man Hybridlogik. Inkrementell ist ein Verfahren dann, wenn es ein Problem so lösen kann, dass für die Lösung nur solche Schritte in dem zugrundeliegenden Kalkül gemacht werden, die für das Problem relevant sind. Wir führen zunächst eine Klasse syntaktischer Modelle ein, die wir Demos nennen. Wir nutzen Demos um nichtinkrementelle aber laufzeitoptimale Entscheidungsverfahren für Erweiterungen von PDL zu konstruieren. Wir zeigen, dass im Fall ohne Nominale solche Verfahren durch algorithmische Verfeinerung zu inkrementellen Verfahren ausgebaut werden können. Insbesondere erhalten wir so ein optimales Verfahren für Modallogik mit Eventualities. Anschließend entwickeln wir das erste inkrementelle Verfahren für Hybridlogik mit Eventualities, welches wir schließlich auf hybrides PDL erweitern. Die Dissertation vermittelt einen neuen Ansatz zur Konstruktion modularer, inkrementeller Entscheidungsverfahren für expressive Modallogiken. Insbesondere liefert der Ansatz die ersten inkrementellen Verfahren für Modallogiken mit Nominalen und Eventualities