Optimizing Phylogenetic Supertrees Using Answer Set Programming

The supertree construction problem is about combining several phylogenetic trees with possibly conflicting information into a single tree that has all the leaves of the source trees as its leaves and the relationships between the leaves are as consistent with the source trees as possible. This leads to an optimization problem that is computationally challenging and typically heuristic methods, such as matrix representation with parsimony (MRP), are used. In this paper we consider the use of answer set programming to solve the supertree construction problem in terms of two alternative encodings. The first is based on an existing encoding of trees using substructures known as quartets, while the other novel encoding captures the relationships present in trees through direct projections. We use these encodings to compute a genus-level supertree for the family of cats (Felidae). Furthermore, we compare our results to recent supertrees obtained by the MRP method.Comment: To appear in Theory and Practice of Logic Programming (TPLP), Proceedings of ICLP 201

MaxSAT Evaluation 2020 : Solver and Benchmark Descriptions

Non peer reviewe

Engineering SAT Applications

Das Erfüllbarkeitsproblem der Aussagenlogik (SAT) ist nicht nur in der theoretischen Informatik ein grundlegendes Problem, da alle NP-vollständigen Probleme auf SAT zurückgeführt werden können. Durch die Entwicklung von sehr effizienten SAT Lösern sind in den vergangenen 15 Jahren auch eine Vielzahl von praktischen Anwendungsmöglichkeiten entwickelt worden. Zu den bekanntesten gehört die Verifikation von Hardware- und Software-Bausteinen. Bei der Berechnung von unerfüllbaren SAT-Problemen sind Entwickler und Anwender oftmals an einer Erklärung für die Unerfüllbarkeit interessiert. Eine Möglichkeit diese zu ermitteln ist die Berechnung von minimal unerfüllbaren Teilformeln. Es sind drei grundlegend verschiedene Strategien zur Berechnung dieser Teilformeln bekannt: mittels Einfügen von Klauseln in ein erfüllbares Teilproblem, durch Entfernen von Kauseln aus einem unerfüllbaren Teilproblem und eine Kombination der beiden erstgenannten Methoden. In der vorliegenden Arbeit entwickeln wir zuerst eine interaktive Variante der Strategie, die auf Entfernen von Klauseln basiert. Sie ermöglicht es den Anwendern interessante Bereiche des Suchraumes manuell zu erschließen und aussagekräftige Erklärung für die Unerfüllbarkeit zu ermitteln. Der theoretische Hintergrund, der für die interaktive Berechnung von minimal unerfüllbaren Teilformeln entwickelt wurde, um dem Benutzer des Prototyps unnötige Schritte in der Berechnung der Teilformeln zu ersparen werden im Anschluss für die automatische Aufzählung von mehreren minimal unerfüllbaren Teilformeln verwendet, um dort die aktuell schnellsten Algorithmen weiter zu verbessern. Die Idee dabei ist mehrere Klauseln zu einem Block zusammenzufassen. Wir zeigen, wie diese Blöcke die Berechnungen von minimal unerfüllbaren Teilformeln positiv beeinflussen können. Durch die Implementierung eines Prototypen, der auf den aktuellen Methoden basiert, konnten wir die Effektivität unserer entwickelten Ideen belegen. Nachdem wir im ersten Teil der Arbeit grundlegende Algorithmen, die bei unerfüllbaren SAT-Problemen angewendet werden, verbessert haben, wenden wir uns im zweiten Teil der Arbeit neuen Anwendungsmöglichkeiten für SAT zu. Zuerst steht dabei ein Problem aus der Bioinformatik im Mittelpunkt. Wir lösen das sogenannte Kompatibilitätproblem für evolutionäre Bäume mittels einer Kodierung als Erfüllbarkeitsproblem und zeigen anschließend, wie wir mithilfe dieser neuen Kodierung ein nah verwandtes Optimierungsproblem lösen können. Den von uns neu entwickelten Ansatz vergleichen wir im Anschluss mit den bisher effektivsten Ansätzen das Optmierungsproblem zu lösen. Wir konnten zeigen, dass wir für den überwiegenden Teil der getesteten Instanzen neue Bestwerte in der Berechnungszeit erreichen. Die zweite neue Anwendung von SAT ist ein Problem aus der Graphentheorie, bzw. dem Graphenzeichen. Durch eine schlichte, intuitive, aber dennoch effektive Formulierung war es uns möglich neue Resultate für das Book Embedding Problem zu ermitteln. Zum einen konnten wir eine nicht triviale untere Schranke von vier für die benötigte Seitenzahl von 1-planaren Graphen ermitteln. Zum anderen konnten wir zeigen, dass es nicht für jeden planaren Graphen möglich ist, eine Einbettung in drei Seiten mittels einer sogenannten Schnyder-Aufteilung in drei verschiedene Bäume zu berechnen

Portfolios in Stochastic Local Search: Efficiently Computing Most Probable Explanations in Bayesian Networks

Portfolio methods support the combination of different algorithms and heuristics, including stochastic local search (SLS) heuristics, and have been identified as a promising approach to solve computationally hard problems. While successful in experiments, theoretical foundations and analytical results for portfolio-based SLS heuristics are less developed. This article aims to improve the understanding of the role of portfolios of heuristics in SLS. We emphasize the problem of computing most probable explanations (MPEs) in Bayesian networks (BNs). Algorithmically, we discuss a portfolio-based SLS algorithm for MPE computation, Stochastic Greedy Search (SGS). SGS supports the integration of different initialization operators (or initialization heuristics) and different search operators (greedy and noisy heuristics), thereby enabling new analytical and experimental results. Analytically, we introduce a novel Markov chain model tailored to portfolio-based SLS algorithms including SGS, thereby enabling us to analytically form expected hitting time results that explain empirical run time results. For a specific BN, we show the benefit of using a homogenous initialization portfolio. To further illustrate the portfolio approach, we consider novel additive search heuristics for handling determinism in the form of zero entries in conditional probability tables in BNs. Our additive approach adds rather than multiplies probabilities when computing the utility of an explanation. We motivate the additive measure by studying the dramatic impact of zero entries in conditional probability tables on the number of zero-probability explanations, which again complicates the search process. We consider the relationship between MAXSAT and MPE, and show that additive utility (or gain) is a generalization, to the probabilistic setting, of MAXSAT utility (or gain) used in the celebrated GSAT and WalkSAT algorithms and their descendants. Utilizing our Markov chain framework, we show that expected hitting time is a rational function - i.e. a ratio of two polynomials - of the probability of applying an additive search operator. Experimentally, we report on synthetically generated BNs as well as BNs from applications, and compare SGSs performance to that of Hugin, which performs BN inference by compilation to and propagation in clique trees. On synthetic networks, SGS speeds up computation by approximately two orders of magnitude compared to Hugin. In application networks, our approach is highly competitive in Bayesian networks with a high degree of determinism. In addition to showing that stochastic local search can be competitive with clique tree clustering, our empirical results provide an improved understanding of the circumstances under which portfolio-based SLS outperforms clique tree clustering and vice versa

Incomplete MaxSAT Solving by Linear Programming Relaxation and Rounding

NP-hard optimization problems can be found in various real-world settings such as scheduling, planning and data analysis. Coming up with algorithms that can efficiently solve these problems can save various rescources. Instead of developing problem domain specific algorithms we can encode a problem instance as an instance of maximum satisfiability (MaxSAT), which is an optimization extension of Boolean satisfiability (SAT). We can then solve instances resulting from this encoding using MaxSAT specific algorithms. This way we can solve instances in various different problem domains by focusing on developing algorithms to solve MaxSAT instances. Computing an optimal solution and proving optimality of the found solution can be time-consuming in real-world settings. Finding an optimal solution for problems in these settings is often not feasible. Instead we are only interested in finding a good quality solution fast. Incomplete solvers trade guaranteed optimality for better scalability. In this thesis, we study an incomplete solution approach for solving MaxSAT based on linear programming relaxation and rounding. Linear programming (LP) relaxation and rounding has been used for obtaining approximation algorithms on various NP-hard optimization problems. As such we are interested in investigating the effectiveness of this approach on MaxSAT. We describe multiple rounding heuristics that are empirically evaluated on random, crafted and industrial MaxSAT instances from yearly MaxSAT Evaluations. We compare rounding approaches against each other and to state-of-the-art incomplete solvers SATLike and Loandra. The LP relaxation based rounding approaches are not competitive in general against either SATLike or Loandra However, for some problem domains our approach manages to be competitive against SATLike and Loandra

On the Quest for an Acyclic Graph

The paper aims at finding acyclic graphs under a given set of constraints. More specifically, given a propositional formula ? over edges of a fixed-size graph, the objective is to find a model of ? that corresponds to a graph that is acyclic. The paper proposes several encodings of the problem and compares them in an experimental evaluation using stateof-the-art SAT solvers