Computations on Nondeterministic Cellular Automata

The work is concerned with the trade-offs between the dimension and the time and space complexity of computations on nondeterministic cellular automata. It is proved, that 1). Every NCA \Cal A of dimension $r$, computing a predicate $P$ with time complexity T(n) and space complexity S(n) can be simulated by $r$-dimensional NCA with time and space complexity $O(T^{\frac{1}{r+1}} S^{\frac{r}{r+1}})$ and by $r+1$-dimensional NCA with time and space complexity $O(T^{1/2} +S)$. 2) For any predicate $P$ and integer $r>1$ if \Cal A is a fastest $r$-dimensional NCA computing $P$ with time complexity T(n) and space complexity S(n), then $T= O(S)$. 3). If $T_{r,P}$ is time complexity of a fastest $r$-dimensional NCA computing predicate $P$ then T_{r+1,P} &=O((T_{r,P})^{1-r/(r+1)^2}), T_{r-1,P} &=O((T_{r,P})^{1+2/r}). Similar problems for deterministic CA are discussed.Comment: 18 pages in AmsTex, 3 figures in PostScrip

On relations between arrays of processing elements of different dimensionality

We are examining the power of $d$-dimensional arrays of processing elements in view of a special kind of structural complexity. In particular simulation techniques are shown, which allow to reduce the dimension at an increased cost of time only. Conversely, it is not possible to regain the speed by increasing the dimension. Moreover, we demonstrate that increasing the computation time (just by a constant factor) can have a more favorable effect than increasing the dimension (arbitrari

Sublinear-Time Language Recognition and Decision by One-Dimensional Cellular Automata

After an apparent hiatus of roughly 30 years, we revisit a seemingly neglected subject in the theory of (one-dimensional) cellular automata: sublinear-time computation. The model considered is that of ACAs, which are language acceptors whose acceptance condition depends on the states of all cells in the automaton. We prove a time hierarchy theorem for sublinear-time ACA classes, analyze their intersection with the regular languages, and, finally, establish strict inclusions in the parallel computation classes $\mathsf{SC}$ and (uniform) $\mathsf{AC}$. As an addendum, we introduce and investigate the concept of a decider ACA (DACA) as a candidate for a decider counterpart to (acceptor) ACAs. We show the class of languages decidable in constant time by DACAs equals the locally testable languages, and we also determine $\Omega(\sqrt{n})$ as the (tight) time complexity threshold for DACAs up to which no advantage compared to constant time is possible.Comment: 16 pages, 2 figures, to appear at DLT 202

Efficient universal pushdown cellular automata and their application to complexity

In order to obtain universal classical cellular automata an infinite space is required. Therefore, the number of required processors depends on the length of input data and, additionally, may increase during the computation. On the other hand, Turing machines are universal devices which have one processor only and additionally an infinite storage tape. Here an in some sense intermediate model is studied. The pushdown cellular automata are a stack augmented generalization of classical cellular automata. They form a massively parallel universal model where the number of processors is bounded by the length of input data. Effcient universal pushdown cellular automata and their efficiently verifiable encodings are proposed. They are applied to computational complexity, and tight time and stack-space hierarchies are shown. CR Subject Classification (1998): F.1, F.4.3, B.6.1, E.

On the impact of treewidth in the computational complexity of freezing dynamics

An automata network is a network of entities, each holding a state from a finite set and evolving according to a local update rule which depends only on its neighbors in the network's graph. It is freezing if there is an order on states such that the state evolution of any node is non-decreasing in any orbit. They are commonly used to model epidemic propagation, diffusion phenomena like bootstrap percolation or cristal growth. In this paper we establish how treewidth and maximum degree of the underlying graph are key parameters which influence the overall computational complexity of finite freezing automata networks. First, we define a general model checking formalism that captures many classical decision problems: prediction, nilpotency, predecessor, asynchronous reachability. Then, on one hand, we present an efficient parallel algorithm that solves the general model checking problem in NC for any graph with bounded degree and bounded treewidth. On the other hand, we show that these problems are hard in their respective classes when restricted to families of graph with polynomially growing treewidth. For prediction, predecessor and asynchronous reachability, we establish the hardness result with a fixed set-defiend update rule that is universally hard on any input graph of such families

Sublinear-Time Cellular Automata and Connections to Complexity Theory

Im Gebiet des verteilten Rechnens werden Modelle untersucht, in denen sich mehrere Berechnungseinheiten koordinieren, um zusammen ein gemeinsames Ziel zu erreichen, wobei sie aber nur über begrenzte Ressourcen verfügen — sei diese Zeit-, Platz- oder Kommunikationskapazitäten. Das Hauptuntersuchungsobjekt dieser Dissertation ist das wohl einfachste solche Modell überhaupt: (eindimensionale) Zellularautomaten. Unser Ziel ist es, einen besseren Überblick über die Fähigkeiten und Einschränkungen des Modells und ihrer Varianten zu erlangen in dem Fall, dass die gesamte Bearbeitungszeit deutlich kleiner als die Größe der Eingabe ist (d. h. Sublinear-Zeit). Wir führen unsere Analyse von dem Standpunkt der Komplexitätstheorie und stellen dabei auch Bezüge zwischen Zellularautomaten und anderen Gebieten wie verteiltes Rechnen und Streaming-Algorithmen her. Sublinear-Zeit Zellularautomaten. Ein Zellularautomat (ZA) besteht aus identischen Zellen, die entlang einer Linie aneinandergereiht sind. Jede Zelle ist im Wesentlichen eine sehr primitive Berechnungseinheit (nämlich ein deterministischer endlicher Automat), die mit deren beiden Nachbarn interagieren kann. Die Berechnung entsteht durch die Aktualisierung der Zustände der Zellen gemäß derselben Zustandsüberführungsfunktion, die gleichzeitig überall im Automaten angewendet wird. Die von uns betrachteten Varianten sind unter anderem schrumpfende ZAs, die (gewissermaßen) dynamisch rekonfigurierbar sind, sowie eine probabilistische Variante, in der jede Zelle mit Zugriff auf eine faire Münze ausgestattet ist. Trotz überragendem Interesse an Linear- und Real-Zeit-ZAs scheint der Fall von Sublinear-Zeit im Großen und Ganzen von der wissenschaftlichen Gemeinschaft vernachlässigt worden zu sein. Wir arbeiten die überschaubare Anzahl an Vorarbeiten zu dem Thema auf, die vorhanden ist, und entwickeln die daraus stammenden Techniken weiter, sodass deren Spektrum an Anwendungsmöglichkeiten wesentlich breiter wird. Durch diese Bemühungen entsteht unter anderem ein Zeithierarchiesatz für das deterministische Modell. Außerdem übertragen wir Techniken zum Beweis unterer Schranken aus der Komplexitätstheorie auf das Modell der schrumpfenden ZAs und entwickeln neue Techniken, die auf probabilistische Sublinear-Zeit-ZAs zugeschnitten sind. Ein Bezug zu Härte-Magnifizierung. Ein Bezug zu Komplexitätstheorie, die wir im Laufe unserer Untersuchungen herstellen, ist ein Satz über Härte-Magnifizierung (engl. hardness magnification) für schrumpfende ZAs. Hier bezieht sich Härte-Magnifizierung auf eine Reihe neuerer Arbeiten, die bezeugen, dass selbst geringfügig nicht-triviale untere Schranken sehr beeindruckende Konsequenzen in der Komplexitätstheorie haben können. Unser Satz ist eine Abwandlung eines neuen Ergebnisses von McKay, Murray und Williams (STOC, 2019) für Streaming-Algorithmen. Wie wir zeigen kann die Aussage dabei genauso in Bezug auf schrumpfende ZAs formuliert werden, was sie auch beweisbar verstärkt. Eine Verbindung zu Sliding-Window Algorithmen. Wir verknüpfen das verteilte Zellularautomatenmodell mit dem sequenziellen Streaming-Algorithmen-Modell. Wie wir zeigen, können (gewisse Varianten von) ZAs von Streaming-Algorithmen simuliert werden, die bestimmten Lokalitätseinschränkungen unterliegen. Konkret ist der aktuelle Zustand des Algorithmus vollkommen bestimmt durch den Inhalt eines Fensters fester Größe, das wenige letzte Symbole enthält, die vom Algorithmus verarbeitet worden sind. Dementsprechend nennen wir diese eingeschränkte Form eines Streaming-Algorithmus einen Sliding-Window-Algorithmus. Wir zeigen, dass Sliding-Window-Algorithmen ZAs sehr effizient simulieren können und insbesondere in einer solchen Art und Weise, dass deren Platzkomplexität eng mit der Zeitkomplexität des simulierten ZA verbunden ist. Derandomisierungsergebnisse. Wir zeigen Derandomisierungsergebnisse für das Modell von Sliding-Window-Algorithmen, die Zufall aus einer binären Zufallsquelle beziehen. Dazu stützen wir uns auf die robuste Maschinerie von Branching-Programmen, die den gängigen Ansatz zur Derandomisierung von Platz-beschränkten Maschinen in der Komplexitätstheorie darstellen. Als eine Anwendung stellen sich Derandomisierungsergebnisse für probabilistische Sublinear-Zeit-ZAs heraus, die durch die oben genannten Verknüpfung erlangt werden. Vorhersageproblem für Pilz-Sandhaufen. Ein letztes Problem, das wir behandeln und das auch einen Bezug zu Sublinear-Zeitkomplexität im Rahmen von Zellularautomaten hat (obwohl nicht zu Sublinear-Zeit-Zellularautomaten selber), ist das Vorhersageproblem für Sandhaufen-Zellularautomaten. Diese Automaten sind basierend auf zweidimensionalen ZAs definiert und modellieren einen deterministischen Prozess, in dem sich Partikel (in der Regel denkt man an Sandkörnern) durch den Raum verbreiten. Das Vorhersageproblem fragt ob, gegeben eine Zellennummer $y$ und eine initiale Konfiguration für den Sandhaufen, die Zelle mit Nummer $y$ irgendwann vor einer gewissen Zeitschranke einen von Null verschiedenen Zustand erreichen wird. Die Komplexität dieses mindestens zwei Jahrzehnte alten Vorhersageproblems ist für zweidimensionelle Sandhaufen bemerkenswerterweise nach wie vor offen. Wir lösen diese Frage im Wesentlichen für eine neue Variante von Sandhaufen namens Pilz-Sandhaufen, die von Goles u. a. (Phys. Lett. A, 2020) vorgeschlagen worden ist. Unser Ergebnis ist besonders relevant, weil es innovative Erkenntnisse und neue Techniken liefert, die für die Lösung des offenen Problems im allgemeinen Fall von hoher Relevanz sein könnten