Logical and Algebraic Characterizations of Rational Transductions

Rational word languages can be defined by several equivalent means: finite state automata, rational expressions, finite congruences, or monadic second-order (MSO) logic. The robust subclass of aperiodic languages is defined by: counter-free automata, star-free expressions, aperiodic (finite) congruences, or first-order (FO) logic. In particular, their algebraic characterization by aperiodic congruences allows to decide whether a regular language is aperiodic. We lift this decidability result to rational transductions, i.e., word-to-word functions defined by finite state transducers. In this context, logical and algebraic characterizations have also been proposed. Our main result is that one can decide if a rational transduction (given as a transducer) is in a given decidable congruence class. We also establish a transfer result from logic-algebra equivalences over languages to equivalences over transductions. As a consequence, it is decidable if a rational transduction is first-order definable, and we show that this problem is PSPACE-complete

О минимизации конечных автоматов-преобразователей над полугруппами

Finite state transducers over semigroups are regarded as a formal model of sequential reactive programs that operate in the interaction with the environment. At receiving a piece of data a program performs a sequence of actions and displays the current result. Such programs usually arise at implementation of computer drivers, on-line algorithms, control procedures. In many cases verification of such programs can be reduced to minimization and equivalence checking problems for finite state transducers. Minimization of a transducer over a semigroup is performed in three stages. At first the greatest common left-divisors are computed for all states of the transducer, next the transducer is brought to a reduced form by pulling all such divisors ”upstream”, and finally a minimization algorithm for finite state automata is applied to the reduced transducer.Автоматы-преобразователи над полугруппами можно использовать в качестве модели последовательных реагирующих программ, работающих в постоянном взаимодействии со своим окружением. Получив очередную порцию данных, реагирующая программа выполняет некоторую последовательность действий и предъявляет результат. Такие программы возникают при проектировании компьютерных драйверов, алгоритмов, работающих в оперативном режиме, сетевых коммутаторов. Во многих случаях проблема верификации программ такого рода может быть сведена к задачам минимизации и проверки эквивалентности конечных автоматовпреобразователей. Минимизация преобразователей над полугруппами проводится в три этапа. Вначале для всех состояний преобразователя вычисляются наибольшие общие левые делители. Затем все вычисленные делители ”поднимаются вверх” по переходам преобразователя, и в результате образуется приведенный преобразователь. Наконец, для минимизации приведенных преобразователей применяются методы минимизации классических конечных автоматов-распознавателей