270 research outputs found

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    Weighted Logics for Nested Words and Algebraic Formal Power Series

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    Nested words, a model for recursive programs proposed by Alur and Madhusudan, have recently gained much interest. In this paper we introduce quantitative extensions and study nested word series which assign to nested words elements of a semiring. We show that regular nested word series coincide with series definable in weighted logics as introduced by Droste and Gastin. For this we establish a connection between nested words and the free bisemigroup. Applying our result, we obtain characterizations of algebraic formal power series in terms of weighted logics. This generalizes results of Lautemann, Schwentick and Therien on context-free languages

    A probabilistic model of computing with words

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    AbstractComputing in the traditional sense involves inputs with strings of numbers and symbols rather than words, where words mean probability distributions over input alphabet, and are different from the words in classical formal languages and automata theory. In this paper our goal is to deal with probabilistic finite automata (PFAs), probabilistic Turing machines (PTMs), and probabilistic context-free grammars (PCFGs) by inputting strings of words (probability distributions). Specifically, (i) we verify that PFAs computing strings of words can be implemented by means of calculating strings of symbols (Theorem 1); (ii) we elaborate on PTMs with input strings of words, and particularly demonstrate by describing Example 2 that PTMs computing strings of words may not be directly performed through only computing strings of symbols, i.e., Theorem 1 may not hold for PTMs; (iii) we study PCFGs and thus PRGs with input strings of words, and prove that Theorem 1 does hold for PCFRs and PRGs (Theorem 2); a characterization of PRGs in terms of PFAs, and the equivalence between PCFGs and their Chomsky and Greibach normal forms, in the sense that the inputs are strings of words, are also presented. Finally, the main results obtained are summarized, and a number of related issues for further study are raised

    Regular Methods for Operator Precedence Languages

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    The operator precedence languages (OPLs) represent the largest known subclass of the context-free languages which enjoys all desirable closure and decidability properties. This includes the decidability of language inclusion, which is the ultimate verification problem. Operator precedence grammars, automata, and logics have been investigated and used, for example, to verify programs with arithmetic expressions and exceptions (both of which are deterministic pushdown but lie outside the scope of the visibly pushdown languages). In this paper, we complete the picture and give, for the first time, an algebraic characterization of the class of OPLs in the form of a syntactic congruence that has finitely many equivalence classes exactly for the operator precedence languages. This is a generalization of the celebrated Myhill-Nerode theorem for the regular languages to OPLs. As one of the consequences, we show that universality and language inclusion for nondeterministic operator precedence automata can be solved by an antichain algorithm. Antichain algorithms avoid determinization and complementation through an explicit subset construction, by leveraging a quasi-order on words, which allows the pruning of the search space for counterexample words without sacrificing completeness. Antichain algorithms can be implemented symbolically, and these implementations are today the best-performing algorithms in practice for the inclusion of finite automata. We give a generic construction of the quasi-order needed for antichain algorithms from a finite syntactic congruence. This yields the first antichain algorithm for OPLs, an algorithm that solves the ExpTime-hard language inclusion problem for OPLs in exponential time

    A bibliography on formal languages and related topics

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    Tree-Structured Problems and Parallel Computation

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    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
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