Monadic Second-Order Logic with Arbitrary Monadic Predicates

We study Monadic Second-Order Logic (MSO) over finite words, extended with (non-uniform arbitrary) monadic predicates. We show that it defines a class of languages that has algebraic, automata-theoretic and machine-independent characterizations. We consider the regularity question: given a language in this class, when is it regular? To answer this, we show a substitution property and the existence of a syntactical predicate. We give three applications. The first two are to give very simple proofs that the Straubing Conjecture holds for all fragments of MSO with monadic predicates, and that the Crane Beach Conjecture holds for MSO with monadic predicates. The third is to show that it is decidable whether a language defined by an MSO formula with morphic predicates is regular.Comment: Conference version: MFCS'14, Mathematical Foundations of Computer Science Journal version: ToCL'17, Transactions on Computational Logi

Distances and automatic sequences in distinguished variants of Hanoi graphs

In this thesis three open problems concerning Hanoi-type graphs are addressed. I prove a theorem to determine all shortest paths between two arbitrary vertices s and t in the General Sierpiński graph S_p^n with base p ≥ 3 and exponent n ≥ 0 and find an algorithm based on this theorem which gives us the index of the potential auxiliary subgraph, the distance between s and t and the best first move(s). Using the isomorphism between S_3^n and the Hanoi graphs H_3^n, this algorithm also determines the shortest paths in H_3^n. The results are also used in order to simplify proofs of already known metric properties of S_p^n. Additionally, I compute the average number of input pairs (s_i, t_i) for i ϵ{1,...,n} to be read by the algorithm. The Theorem and the algorithm for S_p^n are modified for the Sierpiński triangle graphs, which are deeply connected to the well-known Sierpiński triangle and the Sierpiński graphs, with the result that the shortest paths in the Sierpiński triangle graphs can be determined for the first time. The Hanoi graphs H_3^n are then considered as directed graphs by differentiating the directions of the disc moves between the pegs of the corresponding Tower of Hanoi. For the problem to transfer a tower from one peg to another peg there are five different solvable variants. Here, the variants TH(C_3^+) and TH(K_3^-) are discussed concerning the infinite sequences of moves which arise from the solutions as n tends to infinity. The Allouche-Sapir Conjecture says that these sequences are not d-automatic for any d. I prove this for the TH(C_3^+) sequence with the aid of the frequency of a letter and its rationality in automatic sequences. For the TH(K_3^-) sequence I employ Cobham’s Theorem about multiplicative independence, automatic sequences and ultimate periodicity. I show that this sequence is the image, under a 1-uniform morphism, of an iterative fixed point of a primitive prolongable endomorphism. F. Durand’s methodᵃ is then used for the decision about the question whether the sequence is ultimately periodic. The method of I. V. Mitrofanovᵇ, which works with subword schemata,is applied to the problem as well. Using the theory of recognisable sets, a sufficient condition for deciding the question about the automaticity of the TH(K_3^-) sequence is deduced. Finally, a yet not studied distance problem on the so-called Star Tower of Hanoi, which is based on the star graph S t(4), is considered. Assuming that the Frame-Stewart type strategy is optimal, a recurrence for the length of the resulting paths is deduced and solved up to n = 12. ᵃ F. Durand, HD0L ω-equivalence and periodicity problems in the primitive case (to the memory of G. Rauzy). Journal of Uniform Distribution Theory, 7(1):199-215, 2012 ᵇ I. V. Mitrofanov, Periodicity of Morphic Words, Journal of Mathematical Sciences, 206(6):679-687, 2015Ich beweise ein Theorem zur Bestimmung aller kürzesten Wege zwischen zwei beliebigen Ecken s und t in den allgemeinen Sierpiński-Graphen S_p^n mit Basis p ≥ 3 und Exponent n ≥ 0 und erstelle auf diesem Theorem beruhend einen Algorithmus, der den Index des allfälligen Hilfsuntergraphen, den Abstand zwischen s und t und einen besten ersten Schritt liefert. Unter Verwendung des Isomorphismus zwischen S_3^n und den Hanoi-Graphen H_3^n bestimmt dieser Algorithmus auch die kürzesten Wege in H_3^n. Die Ergebnisse werden benutzt, um Beweise bereits bekannter metrischer Eigenschaften der S_p^n zu vereinfachen. Zusätzlich berechne ich die durchschnittlich benötigte Anzahl von Eingabepaaren (s_i, t_i) für i ϵ{1,...,n} in den Algorithmus. Das Theorem und der Algorithmus für S_p^n werden für die Klasse der Sierpiński-Dreiecksgraphen, welche in direktem Zusammenhang mit dem berühmten Sierpiński-Dreieck und den Sierpiński-Graphen stehen, modifiziert, sodass erstmals auch die kürzesten Wege in diesen Graphen bestimmt werden können. Die Hanoi-Graphen H_3^n werden dann als gerichtete Graphen betrachtet, indem man die Richtungen der Bewegungen zwischen den Stäben des entsprechenden Turms von Hanoi differenziert. Für das Problem des Versetzens eines Turms von einem Stab auf einen anderen gibt es fünf verschiedene lösbare Varianten. Die Varianten TH(C_3^+) und TH(K_3^-) werden bezüglich der unendlichen Folgen von Bewegungen betrachtet, die sich durch die Lösung für n gegen Unendlich strebend ergeben. Die Allouche-Sapir-Vermutung besagt, dass für kein d diese Folgen d-automatisch erzeugt sind. Ich beweise dies für die TH(C_3^+) Folge mit Hilfe der Theorie über die Häufigkeit eines Buchstabens und deren Rationalität in automatisch erzeugten Folgen. Für die TH(K_3^-) Folge wird Cobhams Theorem über multiplikative Unabhängigkeit, automatisch erzeugte Folgen und ultimative Periodizität verwendet. Ich zeige, dass diese Folge das Bild, unter einem 1-uniformen Morphismus, eines iterativen Fixpunktes eines primitiven verlängerbaren Endomorphismus ist. Die Methode von F. Durandᵃ wird dann für die Entscheidung über die Frage, ob die Folge ultimativ periodisch ist, verwendet. Ebenso wird die Methode von I. V. Mitrofanovᵇ, welche mit Teilwortschemata arbeitet, auf das Problem angewandt. Unter Verwendung der Theorie über erkennbare Mengen wird eine hinreichende Bedingung für die Frage der Automatizität der TH(K_3^-) Folge hergeleitet. Zuletzt wird ein bislang nicht untersuchtes Abstandsproblem im sogenannten Stern-Turm-von- Hanoi betrachtet, welcher auf dem Stern-Graphen St(4) beruht. Unter der Annahme, dass die Frame-Stewart-Strategie optimal sei, wird eine Rekursionsvorschrift für die Länge der so gewonnenen Wege entwickelt und bis n = 12 gelöst. ᵃ F. Durand, HD0L ω-equivalence and periodicity problems in the primitive case (to the memory of G. Rauzy). Journal of Uniform Distribution Theory, 7(1):199-215, 2012 ᵇ I. V. Mitrofanov, Periodicity of Morphic Words, Journal of Mathematical Sciences, 206(6):679-687, 201

Asymptotic properties of free monoid morphisms

Motivated by applications in the theory of numeration systems and recognizable sets of integers, this paper deals with morphic words when erasing morphisms are taken into account. Cobham showed that if an infinite word $w =g(f^\omega(a))$ is the image of a fixed point of a morphism $f$ under another morphism $g$, then there exist a non-erasing morphism $\sigma$ and a coding $\tau$ such that $w =\tau(\sigma^\omega(b))$. Based on the Perron theorem about asymptotic properties of powers of non-negative matrices, our main contribution is an in-depth study of the growth type of iterated morphisms when one replaces erasing morphisms with non-erasing ones. We also explicitly provide an algorithm computing $\sigma$ and $\tau$ from $f$ and $g$.Comment: 25 page

Distances and automatic sequences in distinguished variants of Hanoi graphs

In this thesis three open problems concerning Hanoi-type graphs are addressed. I prove a theorem to determine all shortest paths between two arbitrary vertices s and t in the General Sierpiński graph S_p^n with base p ≥ 3 and exponent n ≥ 0 and find an algorithm based on this theorem which gives us the index of the potential auxiliary subgraph, the distance between s and t and the best first move(s). Using the isomorphism between S_3^n and the Hanoi graphs H_3^n, this algorithm also determines the shortest paths in H_3^n. The results are also used in order to simplify proofs of already known metric properties of S_p^n. Additionally, I compute the average number of input pairs (s_i, t_i) for i ϵ{1,...,n} to be read by the algorithm. The Theorem and the algorithm for S_p^n are modified for the Sierpiński triangle graphs, which are deeply connected to the well-known Sierpiński triangle and the Sierpiński graphs, with the result that the shortest paths in the Sierpiński triangle graphs can be determined for the first time. The Hanoi graphs H_3^n are then considered as directed graphs by differentiating the directions of the disc moves between the pegs of the corresponding Tower of Hanoi. For the problem to transfer a tower from one peg to another peg there are five different solvable variants. Here, the variants TH(C_3^+) and TH(K_3^-) are discussed concerning the infinite sequences of moves which arise from the solutions as n tends to infinity. The Allouche-Sapir Conjecture says that these sequences are not d-automatic for any d. I prove this for the TH(C_3^+) sequence with the aid of the frequency of a letter and its rationality in automatic sequences. For the TH(K_3^-) sequence I employ Cobham’s Theorem about multiplicative independence, automatic sequences and ultimate periodicity. I show that this sequence is the image, under a 1-uniform morphism, of an iterative fixed point of a primitive prolongable endomorphism. F. Durand’s methodᵃ is then used for the decision about the question whether the sequence is ultimately periodic. The method of I. V. Mitrofanovᵇ, which works with subword schemata,is applied to the problem as well. Using the theory of recognisable sets, a sufficient condition for deciding the question about the automaticity of the TH(K_3^-) sequence is deduced. Finally, a yet not studied distance problem on the so-called Star Tower of Hanoi, which is based on the star graph S t(4), is considered. Assuming that the Frame-Stewart type strategy is optimal, a recurrence for the length of the resulting paths is deduced and solved up to n = 12. ᵃ F. Durand, HD0L ω-equivalence and periodicity problems in the primitive case (to the memory of G. Rauzy). Journal of Uniform Distribution Theory, 7(1):199-215, 2012 ᵇ I. V. Mitrofanov, Periodicity of Morphic Words, Journal of Mathematical Sciences, 206(6):679-687, 2015Ich beweise ein Theorem zur Bestimmung aller kürzesten Wege zwischen zwei beliebigen Ecken s und t in den allgemeinen Sierpiński-Graphen S_p^n mit Basis p ≥ 3 und Exponent n ≥ 0 und erstelle auf diesem Theorem beruhend einen Algorithmus, der den Index des allfälligen Hilfsuntergraphen, den Abstand zwischen s und t und einen besten ersten Schritt liefert. Unter Verwendung des Isomorphismus zwischen S_3^n und den Hanoi-Graphen H_3^n bestimmt dieser Algorithmus auch die kürzesten Wege in H_3^n. Die Ergebnisse werden benutzt, um Beweise bereits bekannter metrischer Eigenschaften der S_p^n zu vereinfachen. Zusätzlich berechne ich die durchschnittlich benötigte Anzahl von Eingabepaaren (s_i, t_i) für i ϵ{1,...,n} in den Algorithmus. Das Theorem und der Algorithmus für S_p^n werden für die Klasse der Sierpiński-Dreiecksgraphen, welche in direktem Zusammenhang mit dem berühmten Sierpiński-Dreieck und den Sierpiński-Graphen stehen, modifiziert, sodass erstmals auch die kürzesten Wege in diesen Graphen bestimmt werden können. Die Hanoi-Graphen H_3^n werden dann als gerichtete Graphen betrachtet, indem man die Richtungen der Bewegungen zwischen den Stäben des entsprechenden Turms von Hanoi differenziert. Für das Problem des Versetzens eines Turms von einem Stab auf einen anderen gibt es fünf verschiedene lösbare Varianten. Die Varianten TH(C_3^+) und TH(K_3^-) werden bezüglich der unendlichen Folgen von Bewegungen betrachtet, die sich durch die Lösung für n gegen Unendlich strebend ergeben. Die Allouche-Sapir-Vermutung besagt, dass für kein d diese Folgen d-automatisch erzeugt sind. Ich beweise dies für die TH(C_3^+) Folge mit Hilfe der Theorie über die Häufigkeit eines Buchstabens und deren Rationalität in automatisch erzeugten Folgen. Für die TH(K_3^-) Folge wird Cobhams Theorem über multiplikative Unabhängigkeit, automatisch erzeugte Folgen und ultimative Periodizität verwendet. Ich zeige, dass diese Folge das Bild, unter einem 1-uniformen Morphismus, eines iterativen Fixpunktes eines primitiven verlängerbaren Endomorphismus ist. Die Methode von F. Durandᵃ wird dann für die Entscheidung über die Frage, ob die Folge ultimativ periodisch ist, verwendet. Ebenso wird die Methode von I. V. Mitrofanovᵇ, welche mit Teilwortschemata arbeitet, auf das Problem angewandt. Unter Verwendung der Theorie über erkennbare Mengen wird eine hinreichende Bedingung für die Frage der Automatizität der TH(K_3^-) Folge hergeleitet. Zuletzt wird ein bislang nicht untersuchtes Abstandsproblem im sogenannten Stern-Turm-von- Hanoi betrachtet, welcher auf dem Stern-Graphen St(4) beruht. Unter der Annahme, dass die Frame-Stewart-Strategie optimal sei, wird eine Rekursionsvorschrift für die Länge der so gewonnenen Wege entwickelt und bis n = 12 gelöst. ᵃ F. Durand, HD0L ω-equivalence and periodicity problems in the primitive case (to the memory of G. Rauzy). Journal of Uniform Distribution Theory, 7(1):199-215, 2012 ᵇ I. V. Mitrofanov, Periodicity of Morphic Words, Journal of Mathematical Sciences, 206(6):679-687, 201

On the Simplification of HD0L Power Series

Nielsen, Rozenberg, Salomaa and Skyum have shown that HD0L languages are CPDF0L languages. We will generalize this result for formal power series. We will also give a new proof of the result of Nielsen, Rozenberg, Salomaa and Skyum