MSOL-Definability Equals Recognizability for Halin Graphs and Bounded Degree k-Outerplanar Graphs

One of the most famous algorithmic meta-theorems states that every graph property that can be defined by a sentence in counting monadic second order logic (CMSOL) can be checked in linear time for graphs of bounded treewidth, which is known as Courcelle's Theorem. These algorithms are constructed as finite state tree automata, and hence every CMSOL-definable graph property is recognizable. Courcelle also conjectured that the converse holds, i.e. every recognizable graph property is definable in CMSOL for graphs of bounded treewidth. We prove this conjecture for a number of special cases in a stronger form. That is, we show that each recognizable property is definable in MSOL, i.e. the counting operation is not needed in our expressions. We give proofs for Halin graphs, bounded degree k-outerplanar graphs and some related graph classes. We furthermore show that the conjecture holds for any graph class that admits tree decompositions that can be defined in MSOL, thus providing a useful tool for future proofs

Algebraic recognizability of regular tree languages

We propose a new algebraic framework to discuss and classify recognizable tree languages, and to characterize interesting classes of such languages. Our algebraic tool, called preclones, encompasses the classical notion of syntactic Sigma-algebra or minimal tree automaton, but adds new expressivity to it. The main result in this paper is a variety theorem \`{a} la Eilenberg, but we also discuss important examples of logically defined classes of recognizable tree languages, whose characterization and decidability was established in recent papers (by Benedikt and S\'{e}goufin, and by Bojanczyk and Walukiewicz) and can be naturally formulated in terms of pseudovarieties of preclones. Finally, this paper constitutes the foundation for another paper by the same authors, where first-order definable tree languages receive an algebraic characterization

Order-theoretic trees: monadic second-order descriptions and regularity

An order-theoretic forest is a countable partial order such that the set of elements larger than any element is linearly ordered. It is an order-theoretic tree if any two elements have an upper-bound. The order type of a branch can be any countable linear order. Such generalized infinite trees yield convenient definitions of the rank-width and the modular decomposition of countable graphs. We define an algebra based on only four operations that generate up to isomorphism and via infinite terms these order-theoretic trees and forests. We prove that the associated regular objects, those defined by regular terms, are exactly the ones that are the unique models of monadic second-order sentences.Comment: 32 pages, 6 figure

Logic and Automata

Mathematical logic and automata theory are two scientific disciplines with a fundamentally close relationship. The authors of Logic and Automata take the occasion of the sixtieth birthday of Wolfgang Thomas to present a tour d'horizon of automata theory and logic. The twenty papers in this volume cover many different facets of logic and automata theory, emphasizing the connections to other disciplines such as games, algorithms, and semigroup theory, as well as discussing current challenges in the field

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