161 research outputs found

    LIPIcs, Volume 261, ICALP 2023, Complete Volume

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    LIPIcs, Volume 261, ICALP 2023, Complete Volum

    A New Class of Graph Grammars and Modelling of Certain Biological Structures

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    Graph grammars can be used to model the development of diverse graph families. Since their creation in the late 1960s, graph grammars have found usage in a variety of fields, such as the design of sophisticated computer systems and electronic circuits, as well as visual languages, computer animation, and even the modelling of intricate molecular structures Replacement of edges and nodes are the two primary approaches of graph rewriting. In this paper we introduce a new type of node replacement graph grammar known as nc-eNCE graph grammar. With this new class of graph grammars we generated certain graph classes and we showed that these class of graph grammars are more powerful than the existing edge and node controlled embedding graph grammars. In addition, these graph grammars were used to model several common protein secondary structures such as parallel and anti-parallel b-sheet structures in different configurations. The use of these graph grammars in modelling other bio-chemical structures and their interactions remains to be explored

    Generating Semantic Graph Corpora with Graph Expansion Grammar

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    We introduce Lovelace, a tool for creating corpora of semantic graphs. The system uses graph expansion grammar as a representational language, thus allowing users to craft a grammar that describes a corpus with desired properties. When given such grammar as input, the system generates a set of output graphs that are well-formed according to the grammar, i.e., a graph bank. The generation process can be controlled via a number of configurable parameters that allow the user to, for example, specify a range of desired output graph sizes. Central use cases are the creation of synthetic data to augment existing corpora, and as a pedagogical tool for teaching formal language theory.Comment: In Proceedings NCMA 2023, arXiv:2309.0733

    Time and space complexity of rule-based graph programs

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    This thesis concerns the time and space efficiency of programs in GP 2, a rule-based graph transformation language that facilitates formal program analysis. Such programs are a sequence of control structures in which rules are called. A rule describes how part of a host graph is changed to another by specifying a subgraph that is to be replaced. We call the process of finding the specified subgraph in the host graph matching, which takes polynomial time in general. In practise however, we often want rule application to take constant time since it likely corresponds to a single step in a classical algorithm. Several case studies show that the time complexity of GP 2 programs can be on the same level as that of their imperative counterparts. We give linear-time programs for connectedness checking, DAG recognition, and topological sorting, as well as an efficient implementation of Boruvka’s algorithm for finding minimum spanning trees. This efficiency is achieved via roots, which are special nodes in rules and graphs that can be accessed in constant time and allow matching to happen locally around them. The given programs also use depth-first search to traverse graphs in linear time instead of iterating over nodes because GP 2 abstracts away from internal graph data structures. In the spirit of formal program analysis, we give a framework in which to describe the time complexity of these efficient programs. This framework is underpinned by a formal semantics that describes program execution in a sequence of steps that do not cover more than one rule application. On the topic of space efficiency, we give a theoretical result that shows GP 2, like some graph-based machine models, can simulate Turing machines using less space and only quadratic time overhead

    String Diagrams for λ\lambda-calculi and Functional Computation

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    This tutorial gives an advanced introduction to string diagrams and graph languages for higher-order computation. The subject matter develops in a principled way, starting from the two dimensional syntax of key categorical concepts such as functors, adjunctions, and strictification, and leading up to Cartesian Closed Categories, the core mathematical model of the lambda calculus and of functional programming languages. This methodology inverts the usual approach of proceeding from syntax to a categorical interpretation, by rationally reconstructing a syntax from the categorical model. The result is a graph syntax -- more precisely, a hierarchical hypergraph syntax -- which in many ways is shown to be an improvement over the conventional linear term syntax. The rest of the tutorial focuses on applications of interest to programming languages: operational semantics, general frameworks for type inference, and complex whole-program transformations such as closure conversion and automatic differentiation

    ON EXPRESSIVENESS, INFERENCE, AND PARAMETER ESTIMATION OF DISCRETE SEQUENCE MODELS

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    Huge neural autoregressive sequence models have achieved impressive performance across different applications, such as NLP, reinforcement learning, and bioinformatics. However, some lingering problems (e.g., consistency and coherency of generated texts) continue to exist, regardless of the parameter count. In the first part of this thesis, we chart a taxonomy of the expressiveness of various sequence model families (Ch 3). In particular, we put forth complexity-theoretic proofs that string latent-variable sequence models are strictly more expressive than energy-based sequence models, which in turn are more expressive than autoregressive sequence models. Based on these findings, we introduce residual energy-based sequence models, a family of energy-based sequence models (Ch 4) whose sequence weights can be evaluated efficiently, and also perform competitively against autoregressive models. However, we show how unrestricted energy-based sequence models can suffer from uncomputability; and how such a problem is generally unfixable without knowledge of the true sequence distribution (Ch 5). In the second part of the thesis, we study practical sequence model families and algorithms based on theoretical findings in the first part of the thesis. We introduce neural particle smoothing (Ch 6), a family of approximate sampling methods that work with conditional latent variable models. We also introduce neural finite-state transducers (Ch 7), which extend weighted finite state transducers with the introduction of mark strings, allowing scoring transduction paths in a finite state transducer with a neural network. Finally, we propose neural regular expressions (Ch 8), a family of neural sequence models that are easy to engineer, allowing a user to design flexible weighted relations using Marked FSTs, and combine these weighted relations together with various operations

    A domain-specific language for structure manipulation in constraint system-based GUIs

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    A common frustration with programming Graphical User Interfaces (GUIs) is that features for manipulating structures, such as lists and trees, are limited, inconsistent, buggy, or even missing. Implementing complete and convenient sets of operations for inserting, removing, and reordering elements in such structures can be tedious and difficult: a structure that appears as one collection to the user can be implemented as several different data structures and a web of dependencies between them. Structural modifications require changes both to the GUIs' model and view, and possibly extraneous bookkeeping operations, such as adding and removing event handlers.This paper introduces a DSL that helps programmers to implement a complete set of operations to structures displayed in GUIs. The programmer specifies structures and relations between elements in the structure. Concretely, the latter are definitions of methods for establishing and unestablishing relations. Operations that manipulate structures are specified as rules that control which relations should hold before and after a rule is applied. From these specifications, our tools generate an easy-to-use API for structure manipulation. We target constraint system-based Web GUIs: the DSL generates JavaScript and relies on dataflow constraint systems for expressing dependencies between elements in GUI structures. Our DSL gives tangible representations with well-defined operations for ad-hoc and incidental GUI structures.</p

    LIPIcs, Volume 244, ESA 2022, Complete Volume

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    LIPIcs, Volume 244, ESA 2022, Complete Volum

    Vector Semantics

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    This open access book introduces Vector semantics, which links the formal theory of word vectors to the cognitive theory of linguistics. The computational linguists and deep learning researchers who developed word vectors have relied primarily on the ever-increasing availability of large corpora and of computers with highly parallel GPU and TPU compute engines, and their focus is with endowing computers with natural language capabilities for practical applications such as machine translation or question answering. Cognitive linguists investigate natural language from the perspective of human cognition, the relation between language and thought, and questions about conceptual universals, relying primarily on in-depth investigation of language in use. In spite of the fact that these two schools both have ‘linguistics’ in their name, so far there has been very limited communication between them, as their historical origins, data collection methods, and conceptual apparatuses are quite different. Vector semantics bridges the gap by presenting a formal theory, cast in terms of linear polytopes, that generalizes both word vectors and conceptual structures, by treating each dictionary definition as an equation, and the entire lexicon as a set of equations mutually constraining all meanings

    Physical database design in document stores

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    Tesi en modalitat de cotutela, Universitat Politècnica de Catalunya i Université libre de BruxellesNoSQL is an umbrella term used to classify alternate storage systems to the traditional Relational Database Management Systems (RDBMSs). Among these, Document stores have gained popularity mainly due to the semi-structured data storage model and the rich query capabilities. They encourage users to use a data-first approach as opposed to a design-first one. Database design on document stores is mainly carried out in a trial-and-error or ad-hoc rule-based manner instead of a formal process such as normalization in an RDBMS. However, these approaches could easily lead to a non-optimal design resulting additional costs in the long run. This PhD thesis aims to provide a novel multi-criteria-based approach to database design in document stores. Most of such existing approaches are based on optimizing query performance. However, other factors include storage requirement and complexity of the stored documents specific to each use case. There is a large solution space of alternative designs due to the different combinations of referencing and nesting of data. Thus, we believe multi-criteria optimization is ideal to solve this problem. To achieve this, we need to address several issues that will enable us to apply multi-criteria optimization for the data design problem. First, we evaluate the impact of alternate storage representations of semi-structured data. There are multiple and equivalent ways to physically represent semi-structured data, but there is a lack of evidence about the potential impact on space and query performance. Thus, we embark on the task of quantifying that precisely for document stores. We empirically compare multiple ways of representing semi-structured data, allowing us to derive a set of guidelines for efficient physical database design considering both JSON and relational options in the same palette. Then, we need a formal canonical model that can represent alternative designs. We propose a hypergraph-based approach for representing heterogeneous datastore designs. We extend and formalize an existing common programming interface to NoSQL systems as hypergraphs. We define design constraints and query transformation rules for representative data store types. Next, we propose a simple query rewriting algorithm and provide a prototype implementation together with storage statistics estimator. Next, we require a formal query cost model to estimate and evaluate query performance on alternative document store designs. Document stores use primitive approaches to query processing, such as relying on the end-user to specify the usage of indexes instead of a formal cost model. But we require a reliable approach to compare alternative designs on how they perform on a specific query. For this, we define a generic storage and query cost model based on disk access and memory allocation. As all document stores carry out data operations in memory, we first estimate the memory usage by considering the characteristics of the stored documents, their access patterns, and memory management algorithms. Then, using this estimation and metadata storage size, we introduce a cost model for random access queries. We validate our work on two well-known document store implementations. The results show that the memory usage estimates have an average precision of 91% and predicted costs are highly correlated to the actual execution times. During this work, we also managed to suggest several improvements to document stores. Finally, we implement the automated database design solution using multi-criteria optimization. We introduce an algebra of transformations that can systematically modify a design of our canonical representation. Then, using them, we implement a local search algorithm driven by a loss function that can propose near-optimal designs with high probability. We compare our prototype against an existing document store data design solution. Our proposed designs have better performance and are more compact with less redundancy.NoSQL descriu sistemes d'emmagatzematge alternatius als tradicionals de gestió de bases de dades relacionals (RDBMS). Entre aquests, els magatzems de documents han guanyat popularitat principalment a causa del model de dades semiestructurat i les riques capacitats de consulta. Animen els usuaris a utilitzar un enfocament de dades primer, en lloc d'un enfocament de disseny primer. El disseny de dades en magatzems de documents es porta a terme principalment en forma d'assaig-error o basat en regles ad-hoc en lloc d'un procés formal i sistemàtic com ara la normalització en un RDBMS. Aquest enfocament condueix fàcilment a un disseny no òptim que generarà costos addicionals a llarg termini. La majoria dels enfocaments existents es basen en l'optimització del rendiment de les consultes. Aquesta tesi pretén, en canvi, proporcionar un nou enfocament basat en diversos criteris per al disseny de bases de dades en magatzems de documents, inclouen el requisit d'espai i la complexitat dels documents emmagatzemats específics per a cada cas d'ús. En general, hi ha un gran espai de solucions de dissenys alternatives. Per tant, creiem que l'optimització multicriteri és ideal per resoldre aquest problema. Per aconseguir-ho, hem d'abordar diversos problemes que ens permetran aplicar l'optimització multicriteri. En primer, avaluem l'impacte de les representacions alternatives de dades semiestructurades. Hi ha maneres múltiples i equivalents de representar dades semiestructurades, però hi ha una manca d'evidència sobre l'impacte potencial en l'espai i el rendiment de les consultes. Així, ens embarquem en la tasca de quantificar-ho. Comparem empíricament múltiples representacions de dades semiestructurades, cosa que ens permet derivar directrius per a un disseny eficient tenint en compte les opcions dels JSON i relacionals alhora. Aleshores, necessitem un model canònic que pugui representar dissenys alternatius i proposem un enfocament basat en hipergrafs. Estenem i formalitzem una interfície de programació comuna existent als sistemes NoSQL com a hipergrafs. Definim restriccions de disseny i regles de transformació de consultes per a tipus de magatzem de dades representatius. A continuació, proposem un algorisme de reescriptura de consultes senzill i proporcionem una implementació juntament amb un estimador d'estadístiques d'emmagatzematge. Els magatzems de documents utilitzen enfocaments primitius per al processament de consultes, com ara confiar en l'usuari final per especificar l'ús d'índexs en lloc d'un model de cost. Conseqüentment, necessitem un model de cost de consulta per estimar i avaluar el rendiment en dissenys alternatius. Per això, definim un model genèric propi basat en l'accés a disc i l'assignació de memòria. Com que tots els magatzems de documents duen a terme operacions de dades a memòria, primer estimem l'ús de la memòria tenint en compte les característiques dels documents emmagatzemats, els seus patrons d'accés i els algorismes de gestió de memòria. A continuació, utilitzant aquesta estimació i la mida d'emmagatzematge de metadades, introduïm un model de costos per a consultes d'accés aleatori. Validem el nostre treball en dues implementacions conegudes. Els resultats mostren que les estimacions d'ús de memòria tenen una precisió mitjana del 91% i els costos previstos estan altament correlacionats amb els temps d'execució reals. Finalment, implementem la solució de disseny automatitzat de bases de dades mitjançant l'optimització multicriteri. Introduïm una àlgebra de transformacions que pot modificar sistemàticament un disseny en la nostra representació canònica. A continuació, utilitzant-la, implementem un algorisme de cerca local impulsat per una funció de pèrdua que pot proposar dissenys gairebé òptims amb alta probabilitat. Comparem el nostre prototip amb una solució de disseny de dades de magatzem de documents existent. Els nostres dissenys proposats tenen un millor rendiment i són més compactes, amb menys redundànciaNoSQL est un terme générique utilisé pour classer les systèmes de stockage alternatifs aux systèmes de gestion de bases de données relationnelles (SGBDR) traditionnels. Au moment de la rédaction de cet article, il existe plus de 200 systèmes NoSQL disponibles qui peuvent être classés en quatre catégories principales sur le modèle de stockage de données : magasins de valeurs-clés, magasins de documents, magasins de familles de colonnes et magasins de graphiques. Les magasins de documents ont gagné en popularité principalement en raison du modèle de stockage de données semi-structuré et des capacités de requêtes riches par rapport aux autres systèmes NoSQL, ce qui en fait un candidat idéal pour le prototypage rapide. Les magasins de documents encouragent les utilisateurs à utiliser une approche axée sur les données plutôt que sur la conception. La conception de bases de données sur les magasins de documents est principalement effectuée par essais et erreurs ou selon des règles ad hoc plutôt que par un processus formel tel que la normalisation dans un SGBDR. Cependant, ces approches pourraient facilement conduire à une conception de base de données non optimale entraînant des coûts supplémentaires de traitement des requêtes, de stockage des données et de refonte. Cette thèse de doctorat vise à fournir une nouvelle approche multicritère de la conception de bases de données dans les magasins de documents. La plupart des approches existantes de conception de bases de données sont basées sur l’optimisation des performances des requêtes. Cependant, d’autres facteurs incluent les exigences de stockage et la complexité des documents stockés spécifique à chaque cas d’utilisation. De plus, il existe un grand espace de solution de conceptions alternatives en raison des différentes combinaisons de référencement et d’imbrication des données. Par conséquent, nous pensons que l’optimisation multicritères est idéale par l’intermédiaire d’une expérience éprouvée dans la résolution de tels problèmes dans divers domaines. Cependant, pour y parvenir, nous devons résoudre plusieurs problèmes qui nous permettront d’appliquer une optimisation multicritère pour le problème de conception de données. Premièrement, nous évaluons l’impact des représentations alternatives de stockage des données semi-structurées. Il existe plusieurs manières équivalentes de représenter physiquement des données semi-structurées, mais il y a un manque de preuves concernant l’impact potentiel sur l’espace et sur les performances des requêtes. Ainsi, nous nous lançons dans la tâche de quantifier cela précisément pour les magasins de documents. Nous comparons empiriquement plusieurs façons de représenter des données semi-structurées, ce qui nous permet de dériver un ensemble de directives pour une conception de base de données physique efficace en tenant compte à la fois des options JSON et relationnelles dans la même palette. Ensuite, nous avons besoin d’un modèle canonique formel capable de représenter des conceptions alternatives. Dans cette mesure, nous proposons une approche basée sur des hypergraphes pour représenter des conceptions de magasins de données hétérogènes. Prenant une interface de programmation commune existante aux systèmes NoSQL, nous l’étendons et la formalisons sous forme d’hypergraphes. Ensuite, nous définissons les contraintes de conception et les règles de transformation des requêtes pour trois types de magasins de données représentatifs. Ensuite, nous proposons un algorithme de réécriture de requête simple à partir d’un algorithme générique dans un magasin de données sous-jacent spécifique et fournissons une implémentation prototype. De plus, nous introduisons un estimateur de statistiques de stockage sur les magasins de données sous-jacents. Enfin, nous montrons la faisabilité de notre approche sur un cas d’utilisation d’un système polyglotte existant ainsi que son utilité dans les calculs de métadonnées et de chemins de requêtes physiques. Ensuite, nous avons besoin d’un modèle de coûts de requêtes formel pour estimer et évaluer les performances des requêtes sur des conceptions alternatives de magasin de documents. Les magasins de documents utilisent des approches primitives du traitement des requêtes, telles que l’évaluation de tous les plans de requête possibles pour trouver le plan gagnant et son utilisation dans les requêtes similaires ultérieures, ou l’appui sur l’usager final pour spécifier l’utilisation des index au lieu d’un modèle de coûts formel. Cependant, nous avons besoin d’une approche fiable pour comparer deux conceptions alternatives sur la façon dont elles fonctionnent sur une requête spécifique. Pour cela, nous définissons un modèle de coûts de stockage et de requête générique basé sur l’accès au disque et l’allocation de mémoire qui permet d’estimer l’impact des décisions de conception. Étant donné que tous les magasins de documents effectuent des opérations sur les données en mémoire, nous estimons d’abord l’utilisation de la mémoire en considérant les caractéristiques des documents stockés, leurs modèles d’accès et les algorithmes de gestion de la mémoire. Ensuite, en utilisant cette estimation et la taille de stockage des métadonnées, nous introduisons un modèle de coûts pour les requêtes à accès aléatoire. Il s’agit de la première tenta ive d’une telle approche au meilleur de notre connaissance. Enfin, nous validons notre travail sur deux implémentations de magasin de documents bien connues : MongoDB et Couchbase. Les résultats démontrent que les estimations d’utilisation de la mémoire ont une précision moyenne de 91% et que les coûts prévus sont fortement corrélés aux temps d’exécution réels. Au cours de ce travail, nous avons réussi à proposer plusieurs améliorations aux systèmes de stockage de documents. Ainsi, ce modèle de coûts contribue également à identifier les discordances entre les implémentations de stockage de documents et leurs attentes théoriques. Enfin, nous implémentons la solution de conception automatisée de bases de données en utilisant l’optimisation multicritères. Tout d’abord, nous introduisons une algèbre de transformations qui peut systématiquement modifier une conception de notre représentation canonique. Ensuite, en utilisant ces transformations, nous implémentons un algorithme de recherche locale piloté par une fonction de perte qui peut proposer des conceptions quasi optimales avec une probabilité élevée. Enfin, nous comparons notre prototype à une solution de conception de données de magasin de documents existante uniquement basée sur le coût des requêtes. Nos conceptions proposées ont de meilleures performances et sont plus compactes avec moins de redondancePostprint (published version
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