Combinatorics

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Multicoloured Random Graphs: Constructions and Symmetry

This is a research monograph on constructions of and group actions on countable homogeneous graphs, concentrating particularly on the simple random graph and its edge-coloured variants. We study various aspects of the graphs, but the emphasis is on understanding those groups that are supported by these graphs together with links with other structures such as lattices, topologies and filters, rings and algebras, metric spaces, sets and models, Moufang loops and monoids. The large amount of background material included serves as an introduction to the theories that are used to produce the new results. The large number of references should help in making this a resource for anyone interested in beginning research in this or allied fields.Comment: Index added in v2. This is the first of 3 documents; the other 2 will appear in physic

Composing Deep Learning and Bayesian Nonparametric Methods

Recent progress in Bayesian methods largely focus on non-conjugate models featured with extensive use of black-box functions: continuous functions implemented with neural networks. Using deep neural networks, Bayesian models can reasonably fit big data while at the same time capturing model uncertainty. This thesis targets at a more challenging problem: how do we model general random objects, including discrete ones, using random functions? Our conclusion is: many (discrete) random objects are in nature a composition of Poisson processes and random functions}. Thus, all discreteness is handled through the Poisson process while random functions captures the rest complexities of the object. Thus the title: composing deep learning and Bayesian nonparametric methods. This conclusion is not a conjecture. In spacial cases such as latent feature models , we can prove this claim by working on infinite dimensional spaces, and that is how Bayesian nonparametric kicks in. Moreover, we will assume some regularity assumptions on random objects such as exchangeability. Then the representations will show up magically using representation theorems. We will see this two times throughout this thesis. One may ask: when a random object is too simple, such as a non-negative random vector in the case of latent feature models, how can we exploit exchangeability? The answer is to aggregate infinite random objects and map them altogether onto an infinite dimensional space. And then assume exchangeability on the infinite dimensional space. We demonstrate two examples of latent feature models by (1) concatenating them as an infinite sequence (Section 2,3) and (2) stacking them as a 2d array (Section 4). Besides, we will see that Bayesian nonparametric methods are useful to model discrete patterns in time series data. We will showcase two examples: (1) using variance Gamma processes to model change points (Section 5), and (2) using Chinese restaurant processes to model speech with switching speakers (Section 6). We also aware that the inference problem can be non-trivial in popular Bayesian nonparametric models. In Section 7, we find a novel solution of online inference for the popular HDP-HMM model

Topics in Programming Languages, a Philosophical Analysis through the case of Prolog

[EN]Programming languages seldom find proper anchorage in philosophy of logic, language and science. is more, philosophy of language seems to be restricted to natural languages and linguistics, and even philosophy of logic is rarely framed into programming languages topics. The logic programming paradigm and Prolog are, thus, the most adequate paradigm and programming language to work on this subject, combining natural language processing and linguistics, logic programming and constriction methodology on both algorithms and procedures, on an overall philosophizing declarative status. Not only this, but the dimension of the Fifth Generation Computer system related to strong Al wherein Prolog took a major role. and its historical frame in the very crucial dialectic between procedural and declarative paradigms, structuralist and empiricist biases, serves, in exemplar form, to treat straight ahead philosophy of logic, language and science in the contemporaneous age as well. In recounting Prolog's philosophical, mechanical and algorithmic harbingers, the opportunity is open to various routes. We herein shall exemplify some: - the mechanical-computational background explored by Pascal, Leibniz, Boole, Jacquard, Babbage, Konrad Zuse, until reaching to the ACE (Alan Turing) and EDVAC (von Neumann), offering the backbone in computer architecture, and the work of Turing, Church, Gödel, Kleene, von Neumann, Shannon, and others on computability, in parallel lines, throughly studied in detail, permit us to interpret ahead the evolving realm of programming languages. The proper line from lambda-calculus, to the Algol-family, the declarative and procedural split with the C language and Prolog, and the ensuing branching and programming languages explosion and further delimitation, are thereupon inspected as to relate them with the proper syntax, semantics and philosophical élan of logic programming and Prolog

Communication-Efficient Probabilistic Algorithms: Selection, Sampling, and Checking

Diese Dissertation behandelt drei grundlegende Klassen von Problemen in Big-Data-Systemen, für die wir kommunikationseffiziente probabilistische Algorithmen entwickeln. Im ersten Teil betrachten wir verschiedene Selektionsprobleme, im zweiten Teil das Ziehen gewichteter Stichproben (Weighted Sampling) und im dritten Teil die probabilistische Korrektheitsprüfung von Basisoperationen in Big-Data-Frameworks (Checking). Diese Arbeit ist durch einen wachsenden Bedarf an Kommunikationseffizienz motiviert, der daher rührt, dass der auf das Netzwerk und seine Nutzung zurückzuführende Anteil sowohl der Anschaffungskosten als auch des Energieverbrauchs von Supercomputern und der Laufzeit verteilter Anwendungen immer weiter wächst. Überraschend wenige kommunikationseffiziente Algorithmen sind für grundlegende Big-Data-Probleme bekannt. In dieser Arbeit schließen wir einige dieser Lücken. Zunächst betrachten wir verschiedene Selektionsprobleme, beginnend mit der verteilten Version des klassischen Selektionsproblems, d. h. dem Auffinden des Elements von Rang $k$ in einer großen verteilten Eingabe. Wir zeigen, wie dieses Problem kommunikationseffizient gelöst werden kann, ohne anzunehmen, dass die Elemente der Eingabe zufällig verteilt seien. Hierzu ersetzen wir die Methode zur Pivotwahl in einem schon lange bekannten Algorithmus und zeigen, dass dies hinreichend ist. Anschließend zeigen wir, dass die Selektion aus lokal sortierten Folgen – multisequence selection – wesentlich schneller lösbar ist, wenn der genaue Rang des Ausgabeelements in einem gewissen Bereich variieren darf. Dies benutzen wir anschließend, um eine verteilte Prioritätswarteschlange mit Bulk-Operationen zu konstruieren. Später werden wir diese verwenden, um gewichtete Stichproben aus Datenströmen zu ziehen (Reservoir Sampling). Schließlich betrachten wir das Problem, die global häufigsten Objekte sowie die, deren zugehörige Werte die größten Summen ergeben, mit einem stichprobenbasierten Ansatz zu identifizieren. Im Kapitel über gewichtete Stichproben werden zunächst neue Konstruktionsalgorithmen für eine klassische Datenstruktur für dieses Problem, sogenannte Alias-Tabellen, vorgestellt. Zu Beginn stellen wir den ersten Linearzeit-Konstruktionsalgorithmus für diese Datenstruktur vor, der mit konstant viel Zusatzspeicher auskommt. Anschließend parallelisieren wir diesen Algorithmus für Shared Memory und erhalten so den ersten parallelen Konstruktionsalgorithmus für Aliastabellen. Hiernach zeigen wir, wie das Problem für verteilte Systeme mit einem zweistufigen Algorithmus angegangen werden kann. Anschließend stellen wir einen ausgabesensitiven Algorithmus für gewichtete Stichproben mit Zurücklegen vor. Ausgabesensitiv bedeutet, dass die Laufzeit des Algorithmus sich auf die Anzahl der eindeutigen Elemente in der Ausgabe bezieht und nicht auf die Größe der Stichprobe. Dieser Algorithmus kann sowohl sequentiell als auch auf Shared-Memory-Maschinen und verteilten Systemen eingesetzt werden und ist der erste derartige Algorithmus in allen drei Kategorien. Wir passen ihn anschließend an das Ziehen gewichteter Stichproben ohne Zurücklegen an, indem wir ihn mit einem Schätzer für die Anzahl der eindeutigen Elemente in einer Stichprobe mit Zurücklegen kombinieren. Poisson-Sampling, eine Verallgemeinerung des Bernoulli-Sampling auf gewichtete Elemente, kann auf ganzzahlige Sortierung zurückgeführt werden, und wir zeigen, wie ein bestehender Ansatz parallelisiert werden kann. Für das Sampling aus Datenströmen passen wir einen sequentiellen Algorithmus an und zeigen, wie er in einem Mini-Batch-Modell unter Verwendung unserer im Selektionskapitel eingeführten Bulk-Prioritätswarteschlange parallelisiert werden kann. Das Kapitel endet mit einer ausführlichen Evaluierung unserer Aliastabellen-Konstruktionsalgorithmen, unseres ausgabesensitiven Algorithmus für gewichtete Stichproben mit Zurücklegen und unseres Algorithmus für gewichtetes Reservoir-Sampling. Um die Korrektheit verteilter Algorithmen probabilistisch zu verifizieren, schlagen wir Checker für grundlegende Operationen von Big-Data-Frameworks vor. Wir zeigen, dass die Überprüfung zahlreicher Operationen auf zwei „Kern“-Checker reduziert werden kann, nämlich die Prüfung von Aggregationen und ob eine Folge eine Permutation einer anderen Folge ist. Während mehrere Ansätze für letzteres Problem seit geraumer Zeit bekannt sind und sich auch einfach parallelisieren lassen, ist unser Summenaggregations-Checker eine neuartige Anwendung der gleichen Datenstruktur, die auch zählenden Bloom-Filtern und dem Count-Min-Sketch zugrunde liegt. Wir haben beide Checker in Thrill, einem Big-Data-Framework, implementiert. Experimente mit absichtlich herbeigeführten Fehlern bestätigen die von unserer theoretischen Analyse vorhergesagte Erkennungsgenauigkeit. Dies gilt selbst dann, wenn wir häufig verwendete schnelle Hash-Funktionen mit in der Theorie suboptimalen Eigenschaften verwenden. Skalierungsexperimente auf einem Supercomputer zeigen, dass unsere Checker nur sehr geringen Laufzeit-Overhead haben, welcher im Bereich von $2\,\%$ liegt und dabei die Korrektheit des Ergebnisses nahezu garantiert wird