Theory of traces

AbstractThe theory of traces, originated by A. Mazurkiewicz in 1977, is an attempt to provide a mathematical description of the behavior of concurrent systems. Its aim is to reconcile the sequential nature of observations of the system behavior on the one hand and the nonsequential nature of causality between the actions of the system on the other hand.One can see the theory of traces to be rooted in formal string language theory with the notion of partial commutativity playing the central role. Alternatively one can see the theory of traces to be rooted in the theory of labeled acyclic directed graphs (or even in the theory of labeled partial orders).This paper attempts to present a major portion of the theory of traces in a unified way. However, it is not a survey in the sense that a number of new notions are introduced and a number of new results are proved. Although traditionally most of the development in the theory of traces follows the string-language-theoretic line, we try to demonstrate to the reader that the graph-theoretic point of view may be more appropriate.The paper essentially consists of two parts. The first one (Sections 1 through 4) is concerned with the basic theory of traces. The second one (Section 5) presents applications of the theory of traces to the theory of the behavior of concurrent systems, where the basic system model we have chosen is the condition/event system introduced by C.A. Petri

Solution sets for equations over free groups are EDT0L languages

© World Scientific Publishing Company. We show that, given an equation over a finitely generated free group, the set of all solutions in reduced words forms an effectively constructible EDT0L language. In particular, the set of all solutions in reduced words is an indexed language in the sense of Aho. The language characterization we give, as well as further questions about the existence or finiteness of solutions, follow from our explicit construction of a finite directed graph which encodes all the solutions. Our result incorporates the recently invented recompression technique of Jez, and a new way to integrate solutions of linear Diophantine equations into the process. As a byproduct of our techniques, we improve the complexity from quadratic nondeterministic space in previous works to NSPACE(n log n) here

Verification of Automata with Storage Mechanisms

An important question in computer science is to ask, whether a given system conforms to a specification. Often this question is equivalent to ask whether a finite automaton with certain memory like a stack or queue can reach some given state. In this thesis we focus this reachability problem of automata having one or more lossy or reliable stacks or queues as their memory. Unfortunately, the reachability problem is undecidable or of high complexity in most of these cases. We circumvent this by several approximation methods. So we extend the exploration algorithm by Boigelot and Godefroid under-approximating the reachability problem of queue automata. We also study some automata having multiple stacks with a restricted behavior. These “asynchronous pushdown systems” have an efficiently decidable reachability problem. To show our results we first have to gain knowledge of several algebraic properties of the so-called transformation monoid of the studied storage mechanisms.An important research topic in computer science is the verification, i.e., the analysis of systems towards their correctness. This analysis consists of two parts: first we have to formalize the system and the desired properties. Afterwards we have to find algorithms to check whether the properties hold in the system. In many cases we can model the system as a finite automaton with a suitable storage mechanism, e.g., functional programs with recursive calls can be modeled as automata with a stack (or pushdown). Here, we consider automata with two variations of stacks and queues: 1. Partially lossy queues and stacks, which are allowed to forget some specified parts of their contents at any time. We are able to model unreliable systems with such memories. 2. Distributed queues and stacks, i.e., multiple such memories with a special synchronization in between. Often we can check the properties of our models by solving the reachability and recurrent reachability problems in our automata models. It is well-known that the decidability of these problems highly depends on the concrete data type of our automata’s memory. Both problems can be solved in polynomial time for automata with one stack. In contrast, these problems are undecidable if we attach a queue or at least two stacks to our automata. In some special cases we are still able to verify such systems. So, we will consider only special automata with multiple stacks - so-called asynchronous pushdown automata. These are multiple (local) automata each having one stack. Whenever these automata try to write something into at least one stack, we require a read action on these stacks right before these actions. We will see that the (recurrent) reachability problem is decidable for such asynchronous pushdown automata in polynomial time. We can also semi-decide the reachability problem of our queue automata by exploration of the configration space. To this end, we can join multiple consecutive transitions to so-called meta-transformations and simulate them at once. Here, we study meta-transformations alternating between writing words from a given regular language into the queues and reading words from another regular language from the queues. We will see that such metatransformations can be applied in polynomial time. To show this result we first study some algebraic properties of our stacks and queues.Ein wichtiges Forschungsthema in der Informatik ist die Verifikation, d.h., die Analyse von Systemen bezüglich ihrer Korrektheit. Diese Analyse erfolgt in zwei Schritten: Zuerst müssen wir das System und die gewünschten Eigenschaften formalisieren. Anschließend benötigen wir Algorithmen zum Testen, ob das System die Eigenschaften erfüllt. Oftmals können wir das Systemals endlichen Automaten mit geeignetem Speichermechanismus modellieren, z.B. rekursive Programme sind im Wesentlichen Automaten mit einem Stack. Hier betrachten wir Automaten mit zwei Varianten von Stacks und Queues: 1. Partiell vergessliche Stacks und Queues, welche bestimmte Teile ihrer Inhalte jederzeit vergessen können. Diese können für unzuverlässige Systeme verwendet werden. 2. Verteilte Stacks und Queues, d.h., mehrere Stacks und Queues mit vordefinierter Synchronisierung. Häufig lassen sich die Eigenschaften unserer Modelle mithilfe des (wiederholten) Erreichbarkeitsproblems in unseren Automaten lösen. Dabei ist bekannt, dass die Entscheidbarkeit dieser Probleme oftmals stark vom konkreten Datentyp des Speichers abhängt. Beide Probleme können für Automaten mit einem Stack in Polynomialzeit gelöst werden. Sie sind jedoch unentscheidbar, wenn wir Automaten mit einer Queue oder zwei Stacks betrachten. In bestimmten Spezialfällen sind aber dennoch in der Lage diese Systeme zu verifizieren. So können wir beispielsweise bestimmte Automaten mit mehreren Stacks betrachten - so genannte Asynchrone Kellerautomaten. Diese bestehen aus mehreren (lokalen) Automaten mit jeweils einem Stack. Wann immer diese Automaten etwas in mind. einen Stack schreiben, müssen sie unmittelbar zuvor von diesen Stacks etwas lesen. Das (wiederholte) Erreichbarkeitsproblem ist in asynchronen Kellerautomaten in Polynomialzeit entscheidbar. Wir können zudem das Erreichbarkeitsproblem von Queueautomaten durch Exploration des Konfigurationsraums semi-entscheiden. Hierzu können wir mehrere aufeinanderfolgende Transitionen zu so genannten Meta-Transformationen zusammenfassen und diese in einem Schritt simulieren. Hier betrachten wir Meta-Transformationen, die zwischen dem Lesen und Schreiben von Wörtern aus zwei gegebenen regulären Sprachen alternieren. Diese Meta-Transformationen können in Polynomialzeit ausgeführt werden. Für dieses Ergebnis müssen wir jedoch zunächst verschiedene algebraische Eigenschaften der Queues betrachten

Algebraic dependency grammar

We propose a mathematical formalism called Algebraic Dependency Grammar with applications to formal linguistics and to formal language theory. Regarding formal linguistics we aim to address the problem of grammaticality with special attention to cross-linguistic cases. In the field of formal language theory this formalism provides a new perspective allowing an algebraic classification of languages. Notably our approach suggests the existence of so-called anti-classes of languages associated to certain classes of languages. Our notion of a dependency grammar is as of a definition of a set of well-constructed dependency trees (we call this algebraic governance) and a relation which associates word-orders to dependency trees (we call this algebraic linearization). In relation to algebraic governance, we define a manifold which is a set of dependency trees satisfying an agreement condition throughout a pattern, which is the algebraic form of a collection of syntactic addresses over the dependency tree. A boolean condition on the words formalizes the notion of agreement. In relation to algebraic linearization, first we observe that the notion of projectivity is quintessentially that certain substructures of a dependency tree always form an interval in its linearization. So we have to establish well what is a substructure; we see again that patterns proportion the key, generalizing the notion of projectivity with recursive linearization procedures. Combining the above modules we have the formalism: an algebraic dependency grammar is a manifold together with a linearization. Notice that patterns sustain both manifolds and linearizations. We study their interrelation in terms of a new algebraic classification of classes of languages. We highlight the main contributions of the thesis. Regarding mathematical linguistics, algebraic dependency grammar considers trees and word-order different modules in the architecture, which allows description of languages with varied word-order. Ellipses are permitted; this issue is usually avoided because it makes some formalisms non-decidable. We differentiate linguistic phenomena structurally by their algebraic description. Algebraic dependency grammar permits observance of affinity between linguistic constructions which seem superficially different. Regarding formal language theory, a new system for understanding a very large family of languages is presented which permits observation of languages in broader contexts. We identify a new class named anti-context-free languages containing constructions structurally symmetric to context-free languages. Informally we could say that context-free languages are well-parenthesized, while anti-context-free languages are cross-serial-parenthesized. For example copy languages and respectively languages are anti-context-free.Es proposa un formalisme matemàtic anomenat Gramàtica de Dependències Algebraica amb aplicacions a la lingüística formal i a la teoria de llenguatges formals. Pel que fa a la lingüística formal es pretén abordar el problema de la gramaticalitat, amb un èmfasi especial en la transversalitat, això és, que el formalisme sigui apte per a un bon nombre de llengües. En el camp dels llenguatges formals aquest formalisme proporciona una nova perspectiva que permet una classificació algebraica dels llenguatges. Aquest enfocament suggereix a més a més l'existència de les aquí anomenades anti-classes de llenguatges associades a certes classes de llenguatges. La nostra idea d'una gramàtica de dependències és en un conjunt de sintagmes ben construïts (d'això en diem recció algebraica) i una relació que associa ordres de paraules als sintagmes d'aquest conjunt (d'això en diem linearització algebraica). Pel que fa a la recció algebraica, introduïm el concepte de varietat sintàctica com el conjunt de sintagmes que satisfan una concordança sobre un determinat patró. Un patró és un conjunt d'adreces sintàctiques descrit algebraicament. La concordança es formalitza a través d'una condició booleana sobre el vocabulari. En relació amb linearització algebraica, en primer lloc, observem que l'essencial de la noció clàssica de projectivitat rau en el fet que certes subestructures d'un arbre de dependències formen sempre un interval en la seva linearització. Així doncs, primer hem d'establir bé que vol dir subestructura. Un cop més veiem que els patrons en proporcionen la clau, tot generalitzant la noció de projectivitat a través d'un procediment recursiu de linearització. Tot unint els dos mòduls anteriors ja tenim el nostre formalisme a punt: una gramàtica de dependències algebraica és una varietat sintàctica juntament amb una linearització. Notem que els patrons són a la base de tots dos mòduls: varietats i linearitzacions, així que resulta del tot natural estudiar-ne la interrelació en termes d'un nou sistema de classificació algebraica de classes de llenguatges. Destaquem les principals contribucions d'aquesta tesi. Pel que fa a la matemàtica lingüística, la gramàtica de dependències algebraica considera els arbres i l'ordre de les paraules diferents mòduls dins l'arquitectura la qual cosa permet de descriure llenguatges amb una gran varietat d'ordre. L'ús d'el·lipsis és permès; aquesta qüestió és normalment evitada en altres formalismes per tal com la possibilitat d'el·lipsis fa que els models es tornin no decidibles. El nostre model també ens permet classificar estructuralment fenòmens lingüístics segons la seva descripció algebraica, així com de copsar afinitats entre construccions que semblen superficialment diferents. Pel que fa a la teoria dels llenguatges formals, presentem un nou sistema de classificació que ens permet d'entendre els llenguatges en un context més ampli. Identifiquem una nova classe que anomenem llenguatges anti-lliures-de-context que conté construccions estructuralment simètriques als llenguatges lliures de context. Informalment podríem dir que els llenguatges lliures de context estan ben parentetitzats, mentre que els anti-lliures-de-context estan parentetitzats segons dependències creuades en sèrie. En són mostres d'aquesta classe els llenguatges còpia i els llenguatges respectivament.Postprint (published version

Algebraic dependency grammar

We propose a mathematical formalism called Algebraic Dependency Grammar with applications to formal linguistics and to formal language theory. Regarding formal linguistics we aim to address the problem of grammaticality with special attention to cross-linguistic cases. In the field of formal language theory this formalism provides a new perspective allowing an algebraic classification of languages. Notably our approach suggests the existence of so-called anti-classes of languages associated to certain classes of languages. Our notion of a dependency grammar is as of a definition of a set of well-constructed dependency trees (we call this algebraic governance) and a relation which associates word-orders to dependency trees (we call this algebraic linearization). In relation to algebraic governance, we define a manifold which is a set of dependency trees satisfying an agreement condition throughout a pattern, which is the algebraic form of a collection of syntactic addresses over the dependency tree. A boolean condition on the words formalizes the notion of agreement. In relation to algebraic linearization, first we observe that the notion of projectivity is quintessentially that certain substructures of a dependency tree always form an interval in its linearization. So we have to establish well what is a substructure; we see again that patterns proportion the key, generalizing the notion of projectivity with recursive linearization procedures. Combining the above modules we have the formalism: an algebraic dependency grammar is a manifold together with a linearization. Notice that patterns sustain both manifolds and linearizations. We study their interrelation in terms of a new algebraic classification of classes of languages. We highlight the main contributions of the thesis. Regarding mathematical linguistics, algebraic dependency grammar considers trees and word-order different modules in the architecture, which allows description of languages with varied word-order. Ellipses are permitted; this issue is usually avoided because it makes some formalisms non-decidable. We differentiate linguistic phenomena structurally by their algebraic description. Algebraic dependency grammar permits observance of affinity between linguistic constructions which seem superficially different. Regarding formal language theory, a new system for understanding a very large family of languages is presented which permits observation of languages in broader contexts. We identify a new class named anti-context-free languages containing constructions structurally symmetric to context-free languages. Informally we could say that context-free languages are well-parenthesized, while anti-context-free languages are cross-serial-parenthesized. For example copy languages and respectively languages are anti-context-free.Es proposa un formalisme matemàtic anomenat Gramàtica de Dependències Algebraica amb aplicacions a la lingüística formal i a la teoria de llenguatges formals. Pel que fa a la lingüística formal es pretén abordar el problema de la gramaticalitat, amb un èmfasi especial en la transversalitat, això és, que el formalisme sigui apte per a un bon nombre de llengües. En el camp dels llenguatges formals aquest formalisme proporciona una nova perspectiva que permet una classificació algebraica dels llenguatges. Aquest enfocament suggereix a més a més l'existència de les aquí anomenades anti-classes de llenguatges associades a certes classes de llenguatges. La nostra idea d'una gramàtica de dependències és en un conjunt de sintagmes ben construïts (d'això en diem recció algebraica) i una relació que associa ordres de paraules als sintagmes d'aquest conjunt (d'això en diem linearització algebraica). Pel que fa a la recció algebraica, introduïm el concepte de varietat sintàctica com el conjunt de sintagmes que satisfan una concordança sobre un determinat patró. Un patró és un conjunt d'adreces sintàctiques descrit algebraicament. La concordança es formalitza a través d'una condició booleana sobre el vocabulari. En relació amb linearització algebraica, en primer lloc, observem que l'essencial de la noció clàssica de projectivitat rau en el fet que certes subestructures d'un arbre de dependències formen sempre un interval en la seva linearització. Així doncs, primer hem d'establir bé que vol dir subestructura. Un cop més veiem que els patrons en proporcionen la clau, tot generalitzant la noció de projectivitat a través d'un procediment recursiu de linearització. Tot unint els dos mòduls anteriors ja tenim el nostre formalisme a punt: una gramàtica de dependències algebraica és una varietat sintàctica juntament amb una linearització. Notem que els patrons són a la base de tots dos mòduls: varietats i linearitzacions, així que resulta del tot natural estudiar-ne la interrelació en termes d'un nou sistema de classificació algebraica de classes de llenguatges. Destaquem les principals contribucions d'aquesta tesi. Pel que fa a la matemàtica lingüística, la gramàtica de dependències algebraica considera els arbres i l'ordre de les paraules diferents mòduls dins l'arquitectura la qual cosa permet de descriure llenguatges amb una gran varietat d'ordre. L'ús d'el·lipsis és permès; aquesta qüestió és normalment evitada en altres formalismes per tal com la possibilitat d'el·lipsis fa que els models es tornin no decidibles. El nostre model també ens permet classificar estructuralment fenòmens lingüístics segons la seva descripció algebraica, així com de copsar afinitats entre construccions que semblen superficialment diferents. Pel que fa a la teoria dels llenguatges formals, presentem un nou sistema de classificació que ens permet d'entendre els llenguatges en un context més ampli. Identifiquem una nova classe que anomenem llenguatges anti-lliures-de-context que conté construccions estructuralment simètriques als llenguatges lliures de context. Informalment podríem dir que els llenguatges lliures de context estan ben parentetitzats, mentre que els anti-lliures-de-context estan parentetitzats segons dependències creuades en sèrie. En són mostres d'aquesta classe els llenguatges còpia i els llenguatges respectivament