Monoid automata for displacement context-free languages

In 2007 Kambites presented an algebraic interpretation of Chomsky-Schutzenberger theorem for context-free languages. We give an interpretation of the corresponding theorem for the class of displacement context-free languages which are equivalent to well-nested multiple context-free languages. We also obtain a characterization of k-displacement context-free languages in terms of monoid automata and show how such automata can be simulated on two stacks. We introduce the simultaneous two-stack automata and compare different variants of its definition. All the definitions considered are shown to be equivalent basing on the geometric interpretation of memory operations of these automata.Comment: Revised version for ESSLLI Student Session 2013 selected paper

Multi-weighted Automata Models and Quantitative Logics

Recently, multi-priced timed automata have received much attention for real-time systems. These automata extend priced timed automata by featuring several price parameters. This permits to compute objectives like the optimal ratio between rewards and costs. Arising from the model of timed automata, the multi-weighted setting has also attracted much notice for classical nondeterministic automata. The present thesis develops multi-weighted MSO-logics on finite, infinite and timed words which are expressively equivalent to multi-weighted automata, and studies decision problems for them. In addition, a Nivat-like theorem for weighted timed automata is proved; this theorem establishes a connection between quantitative and qualitative behaviors of timed automata. Moreover, a logical characterization of timed pushdown automata is given

Foliations for solving equations in groups: free, virtually free, and hyperbolic groups

We give an algorithm for solving equations and inequations with rational constraints in virtually free groups. Our algorithm is based on Rips classification of measured band complexes. Using canonical representatives, we deduce an algorithm for solving equations and inequations in hyperbolic groups (maybe with torsion). Additionnally, we can deal with quasi-isometrically embeddable rational constraints.Comment: 70 pages, 7 figures, revised version. To appear in Journal of Topolog

Algebraic dependency grammar

We propose a mathematical formalism called Algebraic Dependency Grammar with applications to formal linguistics and to formal language theory. Regarding formal linguistics we aim to address the problem of grammaticality with special attention to cross-linguistic cases. In the field of formal language theory this formalism provides a new perspective allowing an algebraic classification of languages. Notably our approach suggests the existence of so-called anti-classes of languages associated to certain classes of languages. Our notion of a dependency grammar is as of a definition of a set of well-constructed dependency trees (we call this algebraic governance) and a relation which associates word-orders to dependency trees (we call this algebraic linearization). In relation to algebraic governance, we define a manifold which is a set of dependency trees satisfying an agreement condition throughout a pattern, which is the algebraic form of a collection of syntactic addresses over the dependency tree. A boolean condition on the words formalizes the notion of agreement. In relation to algebraic linearization, first we observe that the notion of projectivity is quintessentially that certain substructures of a dependency tree always form an interval in its linearization. So we have to establish well what is a substructure; we see again that patterns proportion the key, generalizing the notion of projectivity with recursive linearization procedures. Combining the above modules we have the formalism: an algebraic dependency grammar is a manifold together with a linearization. Notice that patterns sustain both manifolds and linearizations. We study their interrelation in terms of a new algebraic classification of classes of languages. We highlight the main contributions of the thesis. Regarding mathematical linguistics, algebraic dependency grammar considers trees and word-order different modules in the architecture, which allows description of languages with varied word-order. Ellipses are permitted; this issue is usually avoided because it makes some formalisms non-decidable. We differentiate linguistic phenomena structurally by their algebraic description. Algebraic dependency grammar permits observance of affinity between linguistic constructions which seem superficially different. Regarding formal language theory, a new system for understanding a very large family of languages is presented which permits observation of languages in broader contexts. We identify a new class named anti-context-free languages containing constructions structurally symmetric to context-free languages. Informally we could say that context-free languages are well-parenthesized, while anti-context-free languages are cross-serial-parenthesized. For example copy languages and respectively languages are anti-context-free.Es proposa un formalisme matemàtic anomenat Gramàtica de Dependències Algebraica amb aplicacions a la lingüística formal i a la teoria de llenguatges formals. Pel que fa a la lingüística formal es pretén abordar el problema de la gramaticalitat, amb un èmfasi especial en la transversalitat, això és, que el formalisme sigui apte per a un bon nombre de llengües. En el camp dels llenguatges formals aquest formalisme proporciona una nova perspectiva que permet una classificació algebraica dels llenguatges. Aquest enfocament suggereix a més a més l'existència de les aquí anomenades anti-classes de llenguatges associades a certes classes de llenguatges. La nostra idea d'una gramàtica de dependències és en un conjunt de sintagmes ben construïts (d'això en diem recció algebraica) i una relació que associa ordres de paraules als sintagmes d'aquest conjunt (d'això en diem linearització algebraica). Pel que fa a la recció algebraica, introduïm el concepte de varietat sintàctica com el conjunt de sintagmes que satisfan una concordança sobre un determinat patró. Un patró és un conjunt d'adreces sintàctiques descrit algebraicament. La concordança es formalitza a través d'una condició booleana sobre el vocabulari. En relació amb linearització algebraica, en primer lloc, observem que l'essencial de la noció clàssica de projectivitat rau en el fet que certes subestructures d'un arbre de dependències formen sempre un interval en la seva linearització. Així doncs, primer hem d'establir bé que vol dir subestructura. Un cop més veiem que els patrons en proporcionen la clau, tot generalitzant la noció de projectivitat a través d'un procediment recursiu de linearització. Tot unint els dos mòduls anteriors ja tenim el nostre formalisme a punt: una gramàtica de dependències algebraica és una varietat sintàctica juntament amb una linearització. Notem que els patrons són a la base de tots dos mòduls: varietats i linearitzacions, així que resulta del tot natural estudiar-ne la interrelació en termes d'un nou sistema de classificació algebraica de classes de llenguatges. Destaquem les principals contribucions d'aquesta tesi. Pel que fa a la matemàtica lingüística, la gramàtica de dependències algebraica considera els arbres i l'ordre de les paraules diferents mòduls dins l'arquitectura la qual cosa permet de descriure llenguatges amb una gran varietat d'ordre. L'ús d'el·lipsis és permès; aquesta qüestió és normalment evitada en altres formalismes per tal com la possibilitat d'el·lipsis fa que els models es tornin no decidibles. El nostre model també ens permet classificar estructuralment fenòmens lingüístics segons la seva descripció algebraica, així com de copsar afinitats entre construccions que semblen superficialment diferents. Pel que fa a la teoria dels llenguatges formals, presentem un nou sistema de classificació que ens permet d'entendre els llenguatges en un context més ampli. Identifiquem una nova classe que anomenem llenguatges anti-lliures-de-context que conté construccions estructuralment simètriques als llenguatges lliures de context. Informalment podríem dir que els llenguatges lliures de context estan ben parentetitzats, mentre que els anti-lliures-de-context estan parentetitzats segons dependències creuades en sèrie. En són mostres d'aquesta classe els llenguatges còpia i els llenguatges respectivament.Postprint (published version

Conservation Laws in Cellular Automata

Conservation laws in physics are numerical invariants of the dynamics of a system. In cellular automata (CA), a similar concept has already been defined and studied. To each local pattern of cell states a real value is associated, interpreted as the “energy” (or “mass”, or . . . ) of that pattern.The overall “energy” of a configuration is simply the sum of the energy of the local patterns appearing on different positions in the configuration. We have a conservation law for that energy, if the total energy of each configuration remains constant during the evolution of the CA. For a given conservation law, it is desirable to find microscopic explanations for the dynamics of the conserved energy in terms of flows of energy from one region toward another. Often, it happens that the energy values are from non-negative integers, and are interpreted as the number of “particles” distributed on a configuration. In such cases, it is conjectured that one can always provide a microscopic explanation for the conservation laws by prescribing rules for the local movement of the particles. The onedimensional case has already been solved by Fuk´s and Pivato. We extend this to two-dimensional cellular automata with radius-0,5 neighborhood on the square lattice. We then consider conservation laws in which the energy values are chosen from a commutative group or semigroup. In this case, the class of all conservation laws for a CA form a partially ordered hierarchy. We study the structure of this hierarchy and prove some basic facts about it. Although the local properties of this hierarchy (at least in the group-valued case) are tractable, its global properties turn out to be algorithmically inaccessible. In particular, we prove that it is undecidable whether this hierarchy is trivial (i.e., if the CA has any non-trivial conservation law at all) or unbounded. We point out some interconnections between the structure of this hierarchy and the dynamical properties of the CA. We show that positively expansive CA do not have non-trivial conservation laws. We also investigate a curious relationship between conservation laws and invariant Gibbs measures in reversible and surjective CA. Gibbs measures are known to coincide with the equilibrium states of a lattice system defined in terms of a Hamiltonian. For reversible cellular automata, each conserved quantity may play the role of a Hamiltonian, and provides a Gibbs measure (or a set of Gibbs measures, in case of phase multiplicity) that is invariant. Conversely, every invariant Gibbs measure provides a conservation law for the CA. For surjective CA, the former statement also follows (in a slightly different form) from the variational characterization of the Gibbs measures. For one-dimensional surjective CA, we show that each invariant Gibbs measure provides a conservation law. We also prove that surjective CA almost surely preserve the average information content per cell with respect to any probability measure.Siirretty Doriast

Algebraic dependency grammar

We propose a mathematical formalism called Algebraic Dependency Grammar with applications to formal linguistics and to formal language theory. Regarding formal linguistics we aim to address the problem of grammaticality with special attention to cross-linguistic cases. In the field of formal language theory this formalism provides a new perspective allowing an algebraic classification of languages. Notably our approach suggests the existence of so-called anti-classes of languages associated to certain classes of languages. Our notion of a dependency grammar is as of a definition of a set of well-constructed dependency trees (we call this algebraic governance) and a relation which associates word-orders to dependency trees (we call this algebraic linearization). In relation to algebraic governance, we define a manifold which is a set of dependency trees satisfying an agreement condition throughout a pattern, which is the algebraic form of a collection of syntactic addresses over the dependency tree. A boolean condition on the words formalizes the notion of agreement. In relation to algebraic linearization, first we observe that the notion of projectivity is quintessentially that certain substructures of a dependency tree always form an interval in its linearization. So we have to establish well what is a substructure; we see again that patterns proportion the key, generalizing the notion of projectivity with recursive linearization procedures. Combining the above modules we have the formalism: an algebraic dependency grammar is a manifold together with a linearization. Notice that patterns sustain both manifolds and linearizations. We study their interrelation in terms of a new algebraic classification of classes of languages. We highlight the main contributions of the thesis. Regarding mathematical linguistics, algebraic dependency grammar considers trees and word-order different modules in the architecture, which allows description of languages with varied word-order. Ellipses are permitted; this issue is usually avoided because it makes some formalisms non-decidable. We differentiate linguistic phenomena structurally by their algebraic description. Algebraic dependency grammar permits observance of affinity between linguistic constructions which seem superficially different. Regarding formal language theory, a new system for understanding a very large family of languages is presented which permits observation of languages in broader contexts. We identify a new class named anti-context-free languages containing constructions structurally symmetric to context-free languages. Informally we could say that context-free languages are well-parenthesized, while anti-context-free languages are cross-serial-parenthesized. For example copy languages and respectively languages are anti-context-free.Es proposa un formalisme matemàtic anomenat Gramàtica de Dependències Algebraica amb aplicacions a la lingüística formal i a la teoria de llenguatges formals. Pel que fa a la lingüística formal es pretén abordar el problema de la gramaticalitat, amb un èmfasi especial en la transversalitat, això és, que el formalisme sigui apte per a un bon nombre de llengües. En el camp dels llenguatges formals aquest formalisme proporciona una nova perspectiva que permet una classificació algebraica dels llenguatges. Aquest enfocament suggereix a més a més l'existència de les aquí anomenades anti-classes de llenguatges associades a certes classes de llenguatges. La nostra idea d'una gramàtica de dependències és en un conjunt de sintagmes ben construïts (d'això en diem recció algebraica) i una relació que associa ordres de paraules als sintagmes d'aquest conjunt (d'això en diem linearització algebraica). Pel que fa a la recció algebraica, introduïm el concepte de varietat sintàctica com el conjunt de sintagmes que satisfan una concordança sobre un determinat patró. Un patró és un conjunt d'adreces sintàctiques descrit algebraicament. La concordança es formalitza a través d'una condició booleana sobre el vocabulari. En relació amb linearització algebraica, en primer lloc, observem que l'essencial de la noció clàssica de projectivitat rau en el fet que certes subestructures d'un arbre de dependències formen sempre un interval en la seva linearització. Així doncs, primer hem d'establir bé que vol dir subestructura. Un cop més veiem que els patrons en proporcionen la clau, tot generalitzant la noció de projectivitat a través d'un procediment recursiu de linearització. Tot unint els dos mòduls anteriors ja tenim el nostre formalisme a punt: una gramàtica de dependències algebraica és una varietat sintàctica juntament amb una linearització. Notem que els patrons són a la base de tots dos mòduls: varietats i linearitzacions, així que resulta del tot natural estudiar-ne la interrelació en termes d'un nou sistema de classificació algebraica de classes de llenguatges. Destaquem les principals contribucions d'aquesta tesi. Pel que fa a la matemàtica lingüística, la gramàtica de dependències algebraica considera els arbres i l'ordre de les paraules diferents mòduls dins l'arquitectura la qual cosa permet de descriure llenguatges amb una gran varietat d'ordre. L'ús d'el·lipsis és permès; aquesta qüestió és normalment evitada en altres formalismes per tal com la possibilitat d'el·lipsis fa que els models es tornin no decidibles. El nostre model també ens permet classificar estructuralment fenòmens lingüístics segons la seva descripció algebraica, així com de copsar afinitats entre construccions que semblen superficialment diferents. Pel que fa a la teoria dels llenguatges formals, presentem un nou sistema de classificació que ens permet d'entendre els llenguatges en un context més ampli. Identifiquem una nova classe que anomenem llenguatges anti-lliures-de-context que conté construccions estructuralment simètriques als llenguatges lliures de context. Informalment podríem dir que els llenguatges lliures de context estan ben parentetitzats, mentre que els anti-lliures-de-context estan parentetitzats segons dependències creuades en sèrie. En són mostres d'aquesta classe els llenguatges còpia i els llenguatges respectivament

Foundations of Software Science and Computation Structures

This open access book constitutes the proceedings of the 22nd International Conference on Foundations of Software Science and Computational Structures, FOSSACS 2019, which took place in Prague, Czech Republic, in April 2019, held as part of the European Joint Conference on Theory and Practice of Software, ETAPS 2019. The 29 papers presented in this volume were carefully reviewed and selected from 85 submissions. They deal with foundational research with a clear significance for software science