Coalgebras, clone theory, and modal logic

gekürzte Fassung: Coalgebren wurden sowohl in der Mathematik (seit den 70er Jahren) als auch in der theoretischen Informatik (seit den 90er Jahren) untersucht. In der Mathematik sind Coalgebren dual zu universellen Algebren definiert. Sie bestehen aus einer Trägermenge A zusammen mit Cofunktionen ? : A ? , die A in die n-fache disjunkte Vereinigung von sich selbst abbilden. Das Ziel der Forschung ist hier vor allem, duale Versionen von Definitionen und Resultaten aus der universellen Algebra für die Welt der Coalgebren zu finden. Die theoretische Informatik betrachtet Coalgebren von kategorieller Seite aus. Für einen gegebenen Funktor F : C ? C sind Coalgebren als Paare (S,"alpha") definiert, wobei S ein Objekt von C und "alpha" : S ? F(S) ein Morphismus in C ist. Somit stellt der obige Ansatz mit Cofunktionen einen Spezialfall dar. Begriffe wie Homomorphismus oder Bisimularität lassen sich auf einfache Weise ausdrücken und handhaben. Solche Coalgebren modellieren eine große Anzahl von dynamischen Systemen. Das liefert eine kanonische und vereinheitlichende Sicht auf diese Systeme. Die vorliegende Dissertation führt beide genannten Forschungsrichtungen der Coalgebren weiter: Teil I beschäftigt sich mit "klassischen" Coalgebren, also solchen, wie sie in der universellen Algebra untersucht werden. Insbesondere wird das Verhältnis zur Klontheorie erforscht. Teil II der Arbeit widmet sich dem kategoriellen Ansatz aus der theoretischen Informatik. Von speziellem Interesse ist hier die Anwendung von Coalgebren zur Spezifikation von Systemen. Coalgebren und Klontheorie In der universellen Algebra spielen Systeme von Funktionen eine bedeutende Rolle, u.a. in der Klontheorie. Dort betrachtet man Funktionen auf einer festen gegebenen Grundmenge. Klone von Funktionen sind Mengen von Funktionen, die alle Projektionen enthalten und die gegen Superposition (d.h. Einsetzen) abgeschlossen sind. Extern lassen sich diese Klone als Galois-abgeschlossene Mengengzgl. der Galois-Verbindung zwischen Funktionen und Relationen darstellen. Diese Galois-Verbindung wird durch die Eigenschaft einer Funktion induziert, eine Relation zu bewahren. Dual zu Klonen von Funktionen wurde von B. Csákány auch Klone von Cofunktionen untersucht. Folglich stellt sich die Frage, ob solche Klone ebenfalls mittels einer geeigneten Galois-Verbindung charakterisiert werden können. Die vorliegende Arbeit führt zunächst den Begriff von Corelationen ein. Es wird auf kanonische Weise definiert, was es heißt, daß eine Cofunktion eine Corelation bewahrt. Dies mündet in einer Galois-Theorie, deren Galois-abgeschlossene Mengen von Cofunktionen tatsächlich genau die Klone von Cofunktionen sind. Überdies entsprechen die Galois-abgeschlossenen Mengen von Corelationen genau den Klonen von Corelationen. Die Galois-Theorien von Funktionen und Relationen einerseits und Cofunktionen und Corelationen anderseits sind sich sehr ähnlich. Das wirft die Frage auf, welche Voraussetzungen allgemein nötig sind, um solche und ähnliche Galois-Theorien aufzustellen und die entsprechenden Galois-abgeschlossenen Mengen zu charakterisieren. Das Ergebnis ist eine Metatheorie, bei der die Gemeinsamkeiten in den Charakterisierungen der Galois-abgeschlossenen Mengen herausgearbeitet sind. Bereits bekannte Galois-Theorien erweisen sich als Spezialfälle dieser Metatheorie, und zwar die Galois-Theorien von partiellen Funktionen und Relationen, von mehrwertigen Funktionen und Relationen und von einstelligen Funktionen und Relationen...

Coalgebras on Measurable Spaces

Thesis (PhD) - Indiana University, Mathematics, 2005Given an endofunctor T in a category C, a coalgebra is a pair (X,c) consisting of an object X and a morphism c:X ->T(X). X is called the carrier and the morphism c is called the structure map of the T-coalgebra. The theory of coalgebras has been found to abstract common features of different areas like computer program semantics, modal logic, automata, non-well-founded sets, etc. Most of the work on concrete examples, however, has been limited to the category Set. The work developed in this dissertation is concerned with the category Meas of measurable spaces and measurable functions. Coalgebras of measurable spaces are of interest as a formalization of Markov Chains and can also be used to model probabilistic reasoning. We discuss some general facts related to the most interesting functor in Meas, Delta, that assigns to each measurable space, the space of all probability measures on it. We show that this functor does not preserve weak pullbacks or omega op-limits, conditions assumed in many theorems about coalgebras. The main result will be two constructions of final coalgebras for many interesting functors in Meas. The first construction (joint work with L. Moss), is based on a modal language that lets us build formulas that describe the elements of the final coalgebra. The second method makes use of a subset of the projective limit of the final sequence for the functor in question. That is, the sequence 1 <- T1 <- T 2 1 <-... obtained by iteratively applying the functor to the terminal element 1 of the category. Since these methods seem to be new, we also show how to use them in the category Set, where they provide some insight on how the structure map of the final coalgebra works. We show as an application how to construct universal Type Spaces, an object of interest in Game Theory and Economics. We also compare our method with previously existing constructions

Foundational Extensible Corecursion

This paper presents a formalized framework for defining corecursive functions safely in a total setting, based on corecursion up-to and relational parametricity. The end product is a general corecursor that allows corecursive (and even recursive) calls under well-behaved operations, including constructors. Corecursive functions that are well behaved can be registered as such, thereby increasing the corecursor's expressiveness. The metatheory is formalized in the Isabelle proof assistant and forms the core of a prototype tool. The corecursor is derived from first principles, without requiring new axioms or extensions of the logic

Foundational extensible corecursion: a proof assistant perspective

This paper presents a formalized framework for defining corecursive functions safely in a total setting, based on corecursion up-to and relational parametricity. The end product is a general corecursor that allows corecursive (and even recursive) calls under “friendly” operations, including constructors. Friendly corecursive functions can be registered as such, thereby increasing the corecursor’s expressiveness. The metatheory is formalized in the Isabelle proof assistant and forms the core of a prototype tool. The corecursor is derived from first principles, without requiring new axioms or extensions of the logic

Coalgebraic Methods for Object-Oriented Specification

This thesis is about coalgebraic methods in software specification and verification. It extends known techniques of coalgebraic specification to a more general level to pave the way for real world applications of software verification. There are two main contributions of the present thesis: 1. Chapter 3 proposes a generalisation of the familiar notion of coalgebra such that classes containing methods with arbitrary types (including binary methods) can be modelled with these generalised coalgebras. 2. Chapter 4 presents the specification language CCSL (short for Coalgebraic Class Specification Language), its syntax, its semantics, and a prototype compiler that translates CCSL into higher-order logic.Die Dissertation beschreibt coalgebraische Mittel und Methoden zur Softwarespezifikation und -verifikation. Die Ergebnisse dieser Dissertation vereinfachen die Anwendung coalgebraischer Spezifikations- und Verifikationstechniken und erweitern deren Anwendbarkeit. Damit werden Softwareverifikation im Allgemeinen und im Besonderen coalgebraische Methoden zur Softwareverifikation der praktischen Anwendbarkeit ein Stück nähergebracht. Diese Dissertation enthält zwei wesentliche Beiträge: 1. Im Kapitel 3 wird eine Erweiterung des klassischen Begriffs der Coalgebra vorgestellt. Diese Erweiterung erlaubt die coalgebraische Modellierung von Klassenschnittstellen mit beliebigen Methodentypen (insbesondere mit binären Methoden). 2. Im Kapitel 4 wird die coalgebraische Spezifikationssprache CCSL (Coalgebraic Class Specification Language) vorgestellt. Die Bescheibung umfasst Syntax, Semantik und einen Prototypcompiler, der CCSL Spezifikationen in Logik höherer Ordnung (passend für die Theorembeweiser PVS und Isabelle/HOL) übersetzt

Foundational extensible corecursion: a proof assistant perspective

This paper presents a formalized framework for defining corecursive functions safely in a total setting, based on corecursion up-to and relational parametricity. The end product is a general corecursor that allows corecursive (and even recursive) calls under “friendly” operations, including constructors. Friendly corecursive functions can be registered as such, thereby increasing the corecursor’s expressiveness. The metatheory is formalized in the Isabelle proof assistant and forms the core of a prototype tool. The corecursor is derived from first principles, without requiring new axioms or extensions of the logic

Foundational extensible corecursion: a proof assistant perspective

This paper presents a formalized framework for defining corecursive functions safely in a total setting, based on corecursion up-to and relational parametricity. The end product is a general corecursor that allows corecursive (and even recursive) calls under "friendly" operations, including constructors. Friendly corecursive functions can be registered as such, thereby increasing the corecursor's expressiveness. The metatheory is formalized in the Isabelle proof assistant and forms the core of a prototype tool. The corecursor is derived from first principles, without requiring new axioms or extensions of the logic