Descriptive complexity of #P functions : A new perspective

We introduce a new framework for a descriptive complexity approach to arithmetic computations. We define a hierarchy of classes based on the idea of counting assignments to free function variables in first-order formulae. We completely determine the inclusion structure and show that #P and #AC0 appear as classes of this hierarchy. In this way, we unconditionally place #AC0 properly in a strict hierarchy of arithmetic classes within #P. Furthermore, we show that some of our classes admit efficient approximation in the sense of FPRAS. We compare our classes with a hierarchy within #P defined in a model-theoretic way by Saluja et al. and argue that our approach is better suited to study arithmetic circuit classes such as #AC0 which can be descriptively characterized as a class in our framework.Peer reviewe

Parameterised Counting in Logspace

Logarithmic space bounded complexity classes such as L and NL play a central role in space bounded computation. The study of counting versions of these complexity classes have lead to several interesting insights into the structure of computational problems such as computing the determinant and counting paths in directed acyclic graphs. Though parameterised complexity theory was initiated roughly three decades ago by Downey and Fellows, a satisfactory study of parameterised logarithmic space bounded computation was developed only in the last decade by Elberfeld, Stockhusen and Tantau (IPEC 2013, Algorithmica 2015). In this paper, we introduce a new framework for parameterised counting in logspace, inspired by the parameterised space bounded models developed by Elberfeld, Stockhusen and Tantau (IPEC 2013, Algorithmica 2015). They defined the operators para_W and para_? for parameterised space complexity classes by allowing bounded nondeterminism with multiple-read and read-once access, respectively. Using these operators, they characterised the parameterised complexity of natural problems on graphs. In the spirit of the operators para_W and para_? by Stockhusen and Tantau, we introduce variants based on tail-nondeterminism, para_{W[1]} and para_{?tail}. Then, we consider counting versions of all four operators applied to logspace and obtain several natural complete problems for the resulting classes: counting of paths in digraphs, counting first-order models for formulas, and counting graph homomorphisms. Furthermore, we show that the complexity of a parameterised variant of the determinant function for (0,1)-matrices is #para_{?tail} L-hard and can be written as the difference of two functions in #para_{?tail} L. These problems exhibit the richness of the introduced counting classes. Our results further indicate interesting structural characteristics of these classes. For example, we show that the closure of #para_{?tail} L under parameterised logspace parsimonious reductions coincides with #para_? L, that is, modulo parameterised reductions, tail-nondeterminism with read-once access is the same as read-once nondeterminism. Initiating the study of closure properties of these parameterised logspace counting classes, we show that all introduced classes are closed under addition and multiplication, and those without tail-nondeterminism are closed under parameterised logspace parsimonious reductions. Also, we show that the counting classes defined can naturally be characterised by parameterised variants of classes based on branching programs in analogy to the classical counting classes. Finally, we underline the significance of this topic by providing a promising outlook showing several open problems and options for further directions of research

Mapping Monotone Boolean Functions into Majority

We consider the problem of decomposing monotone Boolean functions into majority-of-three operations, with a particular focus on decomposing the majority-n function. When targeting monotone Boolean functions, Shannon's expansion can be expressed by a single majority-of-three operation. We exploit this property to transform binary decision diagrams (BDDs) for monotone functions into majority-inverter graphs (MIGs), using a simple one-to-one mapping. This process highlights desirable properties for further majority graph optimization, e.g., symmetries between the inputs of primitive operations, which are not apparent from BDDs. Although our construction yields a quadratic upper bound on the number of majority-3 operations required to realize majority-n, for small n the concrete values are much smaller compared to those obtained from previous constructions which have linear and quasi-linear asymptotic upper bounds. Further, we demonstrate that minimum size MIGs, for the monotone functions majority-5 and majority-7, can be obtained applying a small number of algebraic transformations to the BDD

Parameterised Counting in Logspace

Logarithmic space-bounded complexity classes such as L and NL play a central role in space-bounded computation. The study of counting versions of these complexity classes have lead to several interesting insights into the structure of computational problems such as computing the determinant and counting paths in directed acyclic graphs. Though parameterised complexity theory was initiated roughly three decades ago by Downey and Fellows, a satisfactory study of parameterised logarithmic space-bounded computation was developed only in the last decade by Elberfeld, Stockhusen and Tantau (IPEC 2013, Algorithmica 2015). In this paper, we introduce a new framework for parameterised counting in logspace, inspired by the parameterised space-bounded models developed by Elberfeld, Stockhusen and Tantau. They defined the operators paraW and paraβ for parameterised space complexity classes by allowing bounded nondeterminism with multiple-read and read-once access, respectively. Using these operators, they characterised the parameterised complexity of natural problems on graphs. In the spirit of the operators paraW and paraβ by Stockhusen and Tantau, we introduce variants based on tail-nondeterminism, paraW[1] and paraβtail. Then, we consider counting versions of all four operators and apply them to the class L. We obtain several natural complete problems for the resulting classes: counting of paths in digraphs, counting first-order models for formulas, and counting graph homomorphisms. Furthermore, we show that the complexity of a parameterised variant of the determinant function for (0, 1)-matrices is # paraβtailL-hard and can be written as the difference of two functions in # paraβtailL. These problems exhibit the richness of the introduced counting classes. Our results further indicate interesting structural characteristics of these classes. For example, we show that the closure of # paraβtailL under parameterised logspace parsimonious reductions coincides with # paraβL. In other words, in the setting of read-once access to nondeterministic bits, tail-nondeterminism coincides with unbounded nondeterminism modulo parameterised reductions. Initiating the study of closure properties of these parameterised logspace counting classes, we show that all introduced classes are closed under addition and multiplication, and those without tail-nondeterminism are closed under parameterised logspace parsimonious reductions. Finally, we want to emphasise the significance of this topic by providing a promising outlook highlighting several open problems and directions for further research

Tree-Structured Problems and Parallel Computation

Turing-Maschinen sind das klassische Beschreibungsmittel für Wortsprachen und werden daher auch benützt, um Komplexitätsklassen zu definieren. Dies geschieht zum Beispiel durch das Einschränken des Platz- oder Zeitaufwandes der Berechnung zur Lösung eines Problems. Für sehr niedrige Komplexität wie etwa sublineare Laufzeit, werden Schaltkreise verwendet. Schaltkreise können auf natürliche Art Komplexitäten wie etwa logarithmische Laufzeit modellieren. Ebenso können sie als eine Art paralleles Rechenmodell gesehen werden. Eine wichtige parallele Komplexitätsklasse ist NC1. Sie wird beschrieben durch Boolesche Schaltkreise logarithmischer Tiefe und beschränktem Eingangsgrad der Gatter. Eine initiale Beobachtung, die die vorliegende Arbeit motiviert, ist, dass viele schwere Probleme in NC1 eine ähnliche Struktur haben und auf ähnliche Art und Weise gelöst werden. Das Auswertungsproblem für Boolesche Formeln ist eines der repräsentativsten Probleme aus dieser Klasse: Gegeben ist hier eine aussagenlogische Formel samt Belegung für die Variablen; gefragt ist, ob sie zu wahr oder zu falsch auswertet. Dieses Problem wird in NC1 gelöst durch den Algorithmus von Buss. Auf ähnliche Art können arithmetische Formeln in #NC1 ausgewertet oder das Wortproblem für Visibly-Pushdown-Sprachen gelöst werden. Zu besagter Klasse an Problemen gehört auch Courcelles Theorem, welches Berechnungen in Baumautomaten involviert. Zu bemerken ist, dass alle angesprochenen Probleme gemeinsam haben, dass sie aus Instanzen bestehen, die baumartig sind. Formeln sind Bäume, Visibly-Pushdown-Sprachen enthalten als Wörter kodierte Bäume und Courcelles Theorem betrachtet Graphen mit beschränkter Baumweite, d.h. Graphen, die sich als Baum darstellen lassen. Insbesondere Letzteres ist ein Schema, das häufiger auftritt. Zum Beispiel gibt es NP-vollständige Graphprobleme wie das Finden von Hamilton-Kreisen, welches unter beschränkter Baumweite in P fällt. Neuere Analysen konnten diese Schranke weiter zu SAC1 verbessern, was eine parallele Komplexitätsklasse ist. Die angesprochenen Probleme kommen aus unterschiedlichen Bereichen und haben individuelle Lösungen. Hauptthese dieser Arbeit ist, dass sich diese Vielfalt vereinheitlichen lässt. Es wird ein generisches Lösungskonzept vorgestellt, welches darauf beruht, dass sich die Probleme auf ein Termevaluierungsproblem reduzieren lassen. Kernstück ist daher ein Termevaluierungsalgorithmus, der unabhängig von der Algebra, über welche der Term evaluiert werden soll, ist. Resultat ist, dass eine Vielzahl, darunter die oben angesprochenen Probleme, sich auf analoge Art lösen lassen, und dass sich ebenso leicht neue Resultate zeigen lassen. Diese Menge an Resultaten hätte sich ohne den vereinheitlichten Lösungsansatz nicht innerhalb des Rahmens einer Arbeit wie der vorliegenden zeigen lassen. Der entwickelte Lösungsansatz führt stets zu Schaltkreisfamilien polylogarithmischer Tiefe. Es wird jedoch auch die Frage behandelt, wie mächtig Schaltkreisfamilien konstanter Tiefe noch bezüglich Termevaluierung sind. Die Klasse AC0 ist hierfür ein natürlicher Kandidat; sie entspricht der Menge der Sprachen, die durch Logik erster Ordung beschreibbar sind. Um dieses Problem anzugehen, wird zunächst das Termevaluierungsproblem über endlichen Algebren betrachtet. Dieses wiederum lässt sich in das Wortproblem von Visibly-Pushdown-Sprachen einbetten. Daher handelt dieser Teil der Arbeit vornehmlich von der Beschreibbarkeit von Visibly-Pushdown-Sprachen in Logik erster Ordnung. Hierbei treten ungelöste Probleme zu Tage, welche ein Indiz dafür sind, wie schlecht die Komplexität konstanter Tiefe bisher noch verstanden ist, und das, trotz des Resultats von Furst, Saxe und Sipser, bzw. Håstads. Die bis jetzt beschrieben Inhalte sind Teil einer kontinuierlichen Entwicklung. Es gibt jedoch ein Thema in dieser Arbeit, das orthogonal dazu ist: Automaten und im speziellen Cost-Register-Automaten. Zum einen sind, wie oben angedeutet, Automaten Beispiele für Anwendungen des hier entwickelten generischen Lösungsansatzes. Zum anderen können sie selbst zur Beschreibung von Termevaluierungsproblemen dienen; so können Visibly-Pushdown-Automaten Termevaluierung über endlichen Algebren ausführen. Um über endliche Algebren hinauszugehen, benötigen die Automaten mehr Speicher. Visibly-Pushdown-Automaten haben einen Keller, der genau dafür geeignet ist, die Baumstruktur einer Eingabeformel zu verifizieren. Für nichtendliche Algebren eignet sich ein Modell, welches hier vorgestellt werden soll. Es kombiniert Visibly-Pushdown-Automaten mit Cost-Register-Automaten. Ein Cost-Register-Automat ist ein endlicher Automat, welcher mit zusätzlichen Registern ausgestattet ist. Die Register können Werte einer Algebra speichern und werden in jedem Schritt in Abhängigkeit des Eingabezeichens und des Zustandes aktualisiert. Dieser Einwegdatenfluss von Zuständen zu Registern sorgt dafür, dass dieses Modell nicht nur entscheidbar bleibt, sondern, in Abhängigkeit der Algebra, auch niedrige Komplexität hat. Das neue Modell der Cost-Register-Visibly-Pushdown-Automaten kann nun Terme evaluieren. Es werden grundlegende Eigenschaften gezeigt, einschließlich Komplexitätsaussagen