Topological Complexity of Sets Defined by Automata and Formulas

In this thesis we consider languages of infinite words or trees defined by automata of various types or formulas of various logics. We ask about the highest possible position in the Borel or the projective hierarchy inhabited by sets defined in a given formalism. The answer to this question is called the topological complexity of the formalism.It is shown that the topological complexity of Monadic Second Order Logic extended with the unbounding quantifier (introduced by Bojańczyk to express some asymptotic properties) over ω-words is the whole projective hierarchy. We also give the exact topological complexities of related classes of languages recognized by nondeterministic ωB-, ωS- and ωBS-automata studied by Bojańczyk and Colcombet, and a lower complexity bound for an alternating variant of ωBS-automata.We present the series of results concerning bi-unambiguous languages of infinite trees, i.e. languages recognized by unambiguous parity tree automata whose complements are also recognized by unambiguous parity automata. We give an example of a bi-unambiguous tree language G that is analytic-complete. We present an operation σ on tree languages with the property that σ(L) is topologically harder than any language in the sigma-algebra generated by the languages continuously reducible to L. If the operation is applied to a bi-unambiguous language than the result is also bi-unambiguous. We then show that the application of the operation can be iterated to obtain harder and harder languages. We also define another operation that enables a limit step iteration. Using the operations we are able to construct a sequence of bi-unambiguous languages of increasing topological complexity, of length at least ω square.W niniejszej rozprawie rozważane są języki nieskończonych słów lub drzew definiowane poprzez automaty różnych typów lub formuły różnych logik. Pytamy o najwyższą możliwą pozycję w hierarchii borelowskiej lub rzutowej zajmowaną przez zbiory definiowane w danym formalizmie. Odpowiedź na to pytanie jest nazywana złożonością topologiczną formalizmu.Przedstawiony został dowód, że złożonością topologiczną Logiki Monadycznej Drugiego Rzędu rozszerzonej o kwantyfikator Unbounding (wprowadzony przez Bojańczyka w celu umożliwienia wyrażania własności asymptotycznych) na słowach nieskończonych jest cała hierarchia rzutowa. Obliczone zostały również złożoności topologiczne klas języków rozpoznawanych przez niedeterministyczne ωB-, ωS- i ωBS-automaty rozważane przez Bojańczyka i Colcombet'a, oraz zostało podane dolne ograniczenie złożoności wariantu alternującego ωBS-automatów.Zaprezentowane zostały wyniki dotyczące języków podwójnie jednoznacznych, tzn. języków rozpoznawanych przez jednoznaczne automaty parzystości na drzewach, których dopełnienia również są rozpoznawane przez jednoznaczne automaty parzystości. Podany został przykład podwójnie jednoznacznego języka drzew G, który jest analityczny-zupełny. Została wprowadzona operacja σ na językach drzew taka, że język σ(L) jest topologicznie bardziej złożony niż jakikolwiek język należący do sigma-algebry generowanej przez języki redukujące się w sposób ciągły do języka L. W wyniku zastosowania powyższej operacji do języka podwójnie jednoznacznego otrzymujemy język podwójnie jednoznaczny. Zostało pokazane, że kolejne iteracje aplikacji powyższej operacji dają coraz bardziej złożone języki. Została również wprowadzona druga operacja, która umożliwia krok graniczny iteracji. Używając obydwu powyższych operacji można skonstruować ciąg długości ω kwadrat złożony z języków podwójnie jednoznacznych o coraz większej złożoności

Finitary languages

The class of omega-regular languages provides a robust specification language in verification. Every omega-regular condition can be decomposed into a safety part and a liveness part. The liveness part ensures that something good happens "eventually". Finitary liveness was proposed by Alur and Henzinger as a stronger formulation of liveness. It requires that there exists an unknown, fixed bound b such that something good happens within b transitions. In this work we consider automata with finitary acceptance conditions defined by finitary Buchi, parity and Streett languages. We study languages expressible by such automata: we give their topological complexity and present a regular-expression characterization. We compare the expressive power of finitary automata and give optimal algorithms for classical decisions questions. We show that the finitary languages are Sigma 2-complete; we present a complete picture of the expressive power of various classes of automata with finitary and infinitary acceptance conditions; we show that the languages defined by finitary parity automata exactly characterize the star-free fragment of omega B-regular languages; and we show that emptiness is NLOGSPACE-complete and universality as well as language inclusion are PSPACE-complete for finitary parity and Streett automata

Weak Mso with the Unbounding Quantifier

A new class of languages of infinite words is introduced, called the max-regular languages, extending the class of $\omega$-regular languages. The class has two equivalent descriptions: in terms of automata (a type of deterministic counter automaton), and in terms of logic (weak monadic second-order logic with a bounding quantifier). Effective translations between the logic and automata are given

Explicit linear kernels via dynamic programming

Several algorithmic meta-theorems on kernelization have appeared in the last years, starting with the result of Bodlaender et al. [FOCS 2009] on graphs of bounded genus, then generalized by Fomin et al. [SODA 2010] to graphs excluding a fixed minor, and by Kim et al. [ICALP 2013] to graphs excluding a fixed topological minor. Typically, these results guarantee the existence of linear or polynomial kernels on sparse graph classes for problems satisfying some generic conditions but, mainly due to their generality, it is not clear how to derive from them constructive kernels with explicit constants. In this paper we make a step toward a fully constructive meta-kernelization theory on sparse graphs. Our approach is based on a more explicit protrusion replacement machinery that, instead of expressibility in CMSO logic, uses dynamic programming, which allows us to find an explicit upper bound on the size of the derived kernels. We demonstrate the usefulness of our techniques by providing the first explicit linear kernels for $r$-Dominating Set and $r$-Scattered Set on apex-minor-free graphs, and for Planar-\mathcal{F}-Deletion on graphs excluding a fixed (topological) minor in the case where all the graphs in \mathcal{F} are connected.Comment: 32 page