Paul Lorenzen -- Mathematician and Logician

This open access book examines the many contributions of Paul Lorenzen, an outstanding philosopher from the latter half of the 20th century. It features papers focused on integrating Lorenzen's original approach into the history of logic and mathematics. The papers also explore how practitioners can implement Lorenzen’s systematical ideas in today’s debates on proof-theoretic semantics, databank management, and stochastics. Coverage details key contributions of Lorenzen to constructive mathematics, Lorenzen’s work on lattice-groups and divisibility theory, and modern set theory and Lorenzen’s critique of actual infinity. The contributors also look at the main problem of Grundlagenforschung and Lorenzen’s consistency proof and Hilbert’s larger program. In addition, the papers offer a constructive examination of a Russell-style Ramified Type Theory and a way out of the circularity puzzle within the operative justification of logic and mathematics. Paul Lorenzen's name is associated with the Erlangen School of Methodical Constructivism, of which the approach in linguistic philosophy and philosophy of science determined philosophical discussions especially in Germany in the 1960s and 1970s. This volume features 10 papers from a meeting that took place at the University of Konstanz

Formal methods in the theories of rings and domains

In recent years, Hilbert's Programme has been resumed within the framework of constructive mathematics. This undertaking has already shown its feasability for a considerable part of commutative algebra. In particular, point-free methods have been playing a primary role, emerging as the appropriate language for expressing the interplay between real and ideal in mathematics. This dissertation is written within this tradition and has Sambin's notion of formal topology at its core. We start by developing general tools, in order to make this notion more immediate for algebraic application. We revise the Zariski spectrum as an inductively generated basic topology, and we analyse the constructive status of the corresponding principles of spatiality and reducibility. Through a series of examples, we show how the principle of spatiality is recurrent in the mathematical practice. The tools developed before are applied to specific problems in constructive algebra. In particular, we find an elementary characterization of the notion of codimension for ideals of a commutative ring, by means of which a constructive version of Krull's principal ideal theorem can be stated and proved. We prove a formal version of the projective Eisenbud-Evans-Storch theorem. Finally, guided by the algebraic intuition, we present an application in constructive domain theory, by proving a finite version of Kleene-Kreisel density theorem for non-flat information systems.In den vergangenen Jahren wurde das Hilbertsche Programm im Rahmen der konstruktiven Mathematik wiederaufgenommen. Diese Unternehmung hat sich vor allem in der kommutativen Algebra als praktikabel erwiesen. Insbesondere spielen punktfreie Methoden eine wesentliche Rolle: sie haben sich als die angemessene Sprache herausgestellt, um das Zwischenspiel von "real'" und "ideal" in der Mathematik auszudrücken. Die vorliegende Dissertation steht in dieser Tradition; zentral ist Sambins Begriff der formalen Topologie. Zunächst entwickeln wir ein allgemeines Instrumentarium, das geeignet ist, diesen Begriff seinen algebraischen Anwendungen näherzubringen. Sodann arbeiten wir das Zariski-Spektrum in eine induktiv erzeugte "basic topology" um und analysieren den konstruktiven Status der einschlägigen Varianten von Spatialität und Reduzibilität. Durch Angabe einer Reihe von Instanzen zeigen wir, wie häufig das Prinzip der Spatialität in der mathematischen Praxis vorkommt. Die eigens entwickelten Werkzeuge werden schließlich auf spezifische Probleme aus der konstruktiven Algebra angewandt. Insbesondere geben wir eine elementare Charakterisierung der Kodimension eines Ideals in einem kommutativen Ring an, mit der eine konstruktive Fassung des Krullschen Hauptidealsatzes formuliert und bewiesen werden kann. Ferner beweisen wir eine formale Fassung des Satzes von Eisenbud-Evans-Storch im projektiven Fall. Geleitet von der algebraischen Intuition stellen wir zuletzt eine Anwendung in der konstruktiven Bereichstheorie vor, indem wir eine finite Variante des Dichtheitssatzes von Kleene und Kreisel für nicht-flache Informationssysteme beweisen

Analytic Combinatorics in Several Variables: Effective Asymptotics and Lattice Path Enumeration

The field of analytic combinatorics, which studies the asymptotic behaviour of sequences through analytic properties of their generating functions, has led to the development of deep and powerful tools with applications across mathematics and the natural sciences. In addition to the now classical univariate theory, recent work in the study of analytic combinatorics in several variables (ACSV) has shown how to derive asymptotics for the coefficients of certain D-finite functions represented by diagonals of multivariate rational functions. We give a pedagogical introduction to the methods of ACSV from a computer algebra viewpoint, developing rigorous algorithms and giving the first complexity results in this area under conditions which are broadly satisfied. Furthermore, we give several new applications of ACSV to the enumeration of lattice walks restricted to certain regions. In addition to proving several open conjectures on the asymptotics of such walks, a detailed study of lattice walk models with weighted steps is undertaken.Comment: PhD thesis, University of Waterloo and ENS Lyon - 259 page

Formal methods in the theories of rings and domains

In recent years, Hilbert's Programme has been resumed within the framework of constructive mathematics. This undertaking has already shown its feasability for a considerable part of commutative algebra. In particular, point-free methods have been playing a primary role, emerging as the appropriate language for expressing the interplay between real and ideal in mathematics. This dissertation is written within this tradition and has Sambin's notion of formal topology at its core. We start by developing general tools, in order to make this notion more immediate for algebraic application. We revise the Zariski spectrum as an inductively generated basic topology, and we analyse the constructive status of the corresponding principles of spatiality and reducibility. Through a series of examples, we show how the principle of spatiality is recurrent in the mathematical practice. The tools developed before are applied to specific problems in constructive algebra. In particular, we find an elementary characterization of the notion of codimension for ideals of a commutative ring, by means of which a constructive version of Krull's principal ideal theorem can be stated and proved. We prove a formal version of the projective Eisenbud-Evans-Storch theorem. Finally, guided by the algebraic intuition, we present an application in constructive domain theory, by proving a finite version of Kleene-Kreisel density theorem for non-flat information systems.In den vergangenen Jahren wurde das Hilbertsche Programm im Rahmen der konstruktiven Mathematik wiederaufgenommen. Diese Unternehmung hat sich vor allem in der kommutativen Algebra als praktikabel erwiesen. Insbesondere spielen punktfreie Methoden eine wesentliche Rolle: sie haben sich als die angemessene Sprache herausgestellt, um das Zwischenspiel von "real'" und "ideal" in der Mathematik auszudrücken. Die vorliegende Dissertation steht in dieser Tradition; zentral ist Sambins Begriff der formalen Topologie. Zunächst entwickeln wir ein allgemeines Instrumentarium, das geeignet ist, diesen Begriff seinen algebraischen Anwendungen näherzubringen. Sodann arbeiten wir das Zariski-Spektrum in eine induktiv erzeugte "basic topology" um und analysieren den konstruktiven Status der einschlägigen Varianten von Spatialität und Reduzibilität. Durch Angabe einer Reihe von Instanzen zeigen wir, wie häufig das Prinzip der Spatialität in der mathematischen Praxis vorkommt. Die eigens entwickelten Werkzeuge werden schließlich auf spezifische Probleme aus der konstruktiven Algebra angewandt. Insbesondere geben wir eine elementare Charakterisierung der Kodimension eines Ideals in einem kommutativen Ring an, mit der eine konstruktive Fassung des Krullschen Hauptidealsatzes formuliert und bewiesen werden kann. Ferner beweisen wir eine formale Fassung des Satzes von Eisenbud-Evans-Storch im projektiven Fall. Geleitet von der algebraischen Intuition stellen wir zuletzt eine Anwendung in der konstruktiven Bereichstheorie vor, indem wir eine finite Variante des Dichtheitssatzes von Kleene und Kreisel für nicht-flache Informationssysteme beweisen

On Flows, Paths, Roots, and Zeros

This thesis has two parts; in the first of which we give new results for various network flow problems. (1) We present a novel dual ascent algorithm for min-cost flow and show that an implementation of it is very efficient on certain instance classes. (2) We approach the problem of numerical stability of interior point network flow algorithms by giving a path following method that works with integer arithmetic solely and is thus guaranteed to be free of any nu-merical instabilities. (3) We present a gradient descent approach for the undirected transship-ment problem and its special case, the single source shortest path problem (SSSP). For distrib-uted computation models this yields the first SSSP-algorithm with near-optimal number of communication rounds. The second part deals with fundamental topics from algebraic computation. (1) We give an algorithm for computing the complex roots of a complex polynomial. While achieving a com-parable bit complexity as previous best results, our algorithm is simple and promising to be of practical impact. It uses a test for counting the roots of a polynomial in a region that is based on Pellet's theorem. (2) We extend this test to polynomial systems, i.e., we develop an algorithm that can certify the existence of a k-fold zero of a zero-dimensional polynomial system within a given region. For bivariate systems, we show experimentally that this approach yields signifi-cant improvements when used as inclusion predicate in an elimination method.Im ersten Teil dieser Dissertation präsentieren wir neue Resultate für verschiedene Netzwerkflussprobleme. (1)Wir geben eine neue Duale-Aufstiegsmethode für das Min-Cost-Flow- Problem an und zeigen, dass eine Implementierung dieser Methode sehr effizient auf gewissen Instanzklassen ist. (2)Wir behandeln numerische Stabilität von Innere-Punkte-Methoden fürNetwerkflüsse, indem wir eine solche Methode angeben die mit ganzzahliger Arithmetik arbeitet und daher garantiert frei von numerischen Instabilitäten ist. (3) Wir präsentieren ein Gradienten-Abstiegsverfahren für das ungerichtete Transshipment-Problem, und seinen Spezialfall, das Single-Source-Shortest-Problem (SSSP), die für SSSP in verteilten Rechenmodellen die erste mit nahe-optimaler Anzahl von Kommunikationsrunden ist. Der zweite Teil handelt von fundamentalen Problemen der Computeralgebra. (1) Wir geben einen Algorithmus zum Berechnen der komplexen Nullstellen eines komplexen Polynoms an, der eine vergleichbare Bitkomplexität zu vorherigen besten Resultaten hat, aber vergleichsweise einfach und daher vielversprechend für die Praxis ist. (2)Wir erweitern den darin verwendeten Pellet-Test zum Zählen der Nullstellen eines Polynoms auf Polynomsysteme, sodass wir die Existenz einer k-fachen Nullstelle eines Systems in einer gegebenen Region zertifizieren können. Für bivariate Systeme zeigen wir experimentell, dass eine Integration dieses Ansatzes in eine Eliminationsmethode zu einer signifikanten Verbesserung führt