Complexity of analysis and verification problems for communicating automata and discrete dynamical systems.

We identify several simple but powerful concepts, techniques, and results; and we use them to characterize the complexities of a number of basic problems II, that arise in the analysis and verification of the following models M of communicating automata and discrete dynamical systems: systems of communicating automata including both finite and infinite cellular automata, transition systems, discrete dynamical systems, and succinctly-specified finite automata. These concepts, techniques, and results are centered on the following: (1) reductions Of STATE-REACHABILITY problems, especially for very simple systems of communicating copies of a single simple finite automaton, (2) reductions of generalized CNF satisfiability problems [Sc78], especially to very simple communicating systems of copies of a few basic acyclic finite sequential machines, and (3) reductions of the EMPTINESS and EMPTINESS-OF-INTERSECTION problems, for several kinds of regular set descriptors. For systems of communicating automata and transition systems, the problems studied include: all equivalence relations and simulation preorders in the Linear-time/Branching-time hierarchies of equivalence relations and simulation preorders of [vG90, vG93], both without and with the hiding abstraction. For discrete dynamical systems, the problems studied include the INITIAL and BOUNDARY VALUE PROBLEMS (denoted IVPs and BVPs, respectively), for nonlinear difference equations over many different algebraic structures, e.g. all unitary rings, all finite unitary semirings, and all lattices. For succinctly specified finite automata, the problems studied also include the several problems studied in [AY98], e.g. the EMPTINESS, EMPTINESS-OF-INTERSECTION, EQUIVALENCE and CONTAINMENT problems. The concepts, techniques, and results presented unify and significantly extend many of the known results in the literature, e.g. [Wo86, Gu89, BPT91, GM92, Ra92, HT94, SH+96, AY98, AKY99, RH93, SM73, Hu73, HRS76, HR78], for communicating automata including both finite and infinite cellular automata and for finite automata specified by special kinds of context-free grammars, by regular operations augmented with squaring and intersection, and specified succinctly as in [AY98, AKY99]. Moreover, our development of these concepts, techniques, and results shows how several ideas, techniques, and results, for the individual models M above can be extended to apply to all or to most of these models. As one example of this and paraphrasing [BPTBl] , we show that most of these models M exhibit computationally-intractable sensitive dependence on initial conditions, for the same reason. These computationally-intractable sensitivities range from PSPACE-hard to undecidable

Finite-State Genericity : on the Diagonalization Strength of Finite Automata

Algorithmische Generizit¨atskonzepte spielen eine wichtige Rolle in der Berechenbarkeitsund Komplexit¨atstheorie. Diese Begriffe stehen in engem Zusammenhang mit grundlegenden Diagonalisierungstechniken, und sie wurden zur Erzielung starker Trennungen von Komplexit¨atsklassen verwendet. Da f¨ur jedes Generizit¨atskonzept die zugeh¨origen generischen Mengen eine co-magere Klasse bilden, ist die Analyse generischer Mengen ein wichtiges Hifsmittel f¨ur eine quantitative Analyse struktureller Ph¨anomene. Typischerweise werden Generizit¨atskonzepte mit Hilfe von Erweiterungsfunktionen definiert, wobei die St¨arke eines Konzepts von der Komplexit¨at der zugelassenen Erwiterungsfunktionen abh¨angt. Hierbei erweisen sich die sog. schwachen Generizit¨atskonzepte, bei denen nur totale Erweiterungsfunktionen ber¨ucksichtigt werden, meist als wesentlich schw¨acher als die vergleichbaren allgemeinen Konzepte, bei denen auch partielle Funktionen zugelassen sind. Weiter sind die sog. beschr¨ankten Generizit¨atskonzepte – basierend auf Erweiterungen konstanter L¨ange – besonders interessant, da hier die Klassen der zugeh¨origen generischen Mengen nicht nur co-mager sind sondern zus¨atzlich Maß 1 haben. Generische Mengen diesen Typs sind daher typisch sowohl im topologischen wie im maßtheoretischen Sinn. In dieser Dissertation initiieren wir die Untersuchung von Generizit¨at im Bereich der Theorie der Formalen Sprachen: Wir f¨uhren finite-state-Generizit¨atskonzepte ein und verwenden diese, um die Diagonalisierungsst¨arke endlicher Automaten zu erforschen. Wir konzentrieren uns hierbei auf die beschr¨ankte finite-state-Generizit¨at und Spezialf ¨alle hiervon, die wir durch die Beschr¨ankung auf totale Erweiterungsfunktionen bzw. auf Erweiterungen konstanter L¨ange erhalten. Wir geben eine rein kombinatorische Charakterisierung der beschr¨ankt finite-state-generischen Mengen: Diese sind gerade die Mengen, deren charakteristische Folge saturiert ist, d.h. jedes Bin¨arwort als Teilwort enth¨alt. Mit Hilfe dieser Charakterisierung bestimmen wir die Komplexit¨at der beschr¨ankt finitestate- generischen Mengen und zeigen, dass solch eine generische Menge nicht regul¨ar sein kann es aber kontext-freie Sprachen mit dieser Generizit¨atseigenschaft gibt. Die von uns betrachteten unbeschr¨ankten finite-state-Generizit¨atskonzepte basieren auf Moore-Funktionen und auf Verallgemeinerungen dieser Funktionen. Auch hier vergleichen wir die St¨arke der verschiedenen korrespondierenden Generizit¨atskonzepte und er¨ortern die Frage, inwieweit diese Konzepte m¨achtiger als die beschr¨ankte finite-state-Generizit ¨at sind. Unsere Untersuchungen der finite-state-Generizit¨at beruhen zum Teil auf neuen Ergebnissen ¨uber Bi-Immunit¨at in der Chomsky-Hierarchie, einer neuen Chomsky-Hierarchie f¨ur unendliche Folgen und einer gr¨undlichen Untersuchung der saturierten Folgen. Diese Ergebnisse – die von unabh¨angigem Interesse sind – werden im ersten Teil der Dissertation vorgestellt. Sie k¨onnen unabh¨angig von dem Hauptteil der Arbeit gelesen werden

Methods for Structural Pattern Recognition: Complexity and Applications

Katedra kybernetik

Algebras of partial functions

This thesis collects together four sets of results, produced by investigating modifications, in four distinct directions, of the following. Some set-theoretic operations on partial functions are chosen—composition and intersection are examples—and the class of algebras isomorphic to a collection of partial functions, equipped with those operations, is studied. Typical questions asked are whether the class is axiomatisable, or indeed finitely axiomatisable, in any fragment of first-order logic, what computational complexity classes its equational/quasiequational/first-order theories lie in, and whether it is decidable if a finite algebra is in the class. The first modification to the basic picture asks that the isomorphisms turn any existing suprema into unions and/or infima into intersections, and examines the class so obtained. For composition, intersection, and antidomain together, we show that the suprema and infima conditions are equivalent. We show the resulting class is axiomatisable by a universal-existential-universal sentence, but not axiomatisable by any existential-universal-existential theory. The second contribution concerns what happens when we demand partial functions on some finite base set. The finite representation property is essentially the assertion that this restriction that the base set be finite does not restrict the algebras themselves. For composition, intersection, domain, and range, plus many supersignatures, we prove the finite representation property. It follows that it is decidable whether a finite algebra is a member of the relevant class. The third set of results generalises from unary to ‘multiplace’ functions. For the signatures investigated, finite equational or quasiequational axiomatisations are obtained; similarly when the functions are constrained to be injective. The finite representation property follows. The equational theories are shown to be coNP-complete. In the last section we consider operations that may only be partial. For most signatures the relevant class is found to be recursively, but not finitely, axiomatisable. For others, finite axiomatisations are provided