Better Answers to Real Questions

We consider existential problems over the reals. Extended quantifier elimination generalizes the concept of regular quantifier elimination by providing in addition answers, which are descriptions of possible assignments for the quantified variables. Implementations of extended quantifier elimination via virtual substitution have been successfully applied to various problems in science and engineering. So far, the answers produced by these implementations included infinitesimal and infinite numbers, which are hard to interpret in practice. We introduce here a post-processing procedure to convert, for fixed parameters, all answers into standard real numbers. The relevance of our procedure is demonstrated by application of our implementation to various examples from the literature, where it significantly improves the quality of the results

Zylindrische Dekomposition unter anwendungsorientierten Paradigmen

Quantifier elimination (QE) is a powerful tool for problem solving. Once a problem is expressed as a formula, such a method converts it to a simpler, quantifier-free equivalent, thus solving the problem. Particularly many problems live in the domain of real numbers, which makes real QE very interesting. Among the so far implemented methods, QE by cylindrical algebraic decomposition (CAD) is the most important complete method. The aim of this thesis is to develop CAD-based algorithms, which can solve more problems in practice and/or provide more interesting information as output. An algorithm that satisfies these standards would concentrate on generic cases and postpone special and degenerated ones to be treated separately or to be abandoned completely. It would give a solution, which is locally correct for a region the user is interested in. It would give answers, which can provide much valuable information in particular for decision problems. It would combine these methods with more specialized ones, for subcases that allow for. It would exploit degrees of freedom in the algorithms by deciding to proceed in a way that promises to be efficient. It is the focus of this dissertation to treat these challenges. Algorithms described here are implemented in the computer logic system REDLOG and ship with the computer algebra system REDUCE

New concepts for real quantifier elimination by virtual substitution

Quantifier elimination methods for real closed fields are an intensively studied subject from both theoretical and practical points of view. This thesis studies quantifier elimination based on virtual substitution with a particular focus on practically applicable methods and techniques. We develop a novel, stand-alone, and modular quantifier elimination framework for virtual substitution that can in principle be extended to arbitrary but bounded degrees of quantified variables. The framework subsumes previous virtual substitution algorithms. Quantifier elimination algorithms are obtained via instantiation of our quantifier elimination algorithm scheme with three precisely specified subalgorithms. We give instantiations of our scheme up to degree three of a quantified variable, which yields a quantifier elimination algorithm by virtual substitution for the cubic case. Compared to previous virtual substitution-based approaches, we propose novel improvements like smaller elimination sets and clustering. Furthermore, we exploit the Boolean structure and develop a structural quantifier elimination algorithm scheme. This allows us to take advantage of subformulas containing equations or negated equations, simplify virtual substitution results, and develop flexible bound selection strategies. We also revisit the established technique of degree shifts and show how to generalize this within our structural quantifier elimination algorithm scheme. Restricting ourselves to existential problems, we address the established concept of extended quantified elimination, which in addition to quantifier-free equivalents yields answers for existentially quantified variables. We show how to realize this concept within our quantifier elimination algorithm scheme. Moreover, we generalize our post-processing method for eliminating nonstandard symbols from answers to the general case. Our implementation of most of the concepts developed in this thesis is the first implementation of a cubic virtual substitution method. Experimental results comparing our implementation with the established original implementation of the quadratic virtual substitution in the Redlog computer logic system demonstrate the relevance of our novel techniques: On more than two hundred quantifier elimination problems---considered in more than sixty scientific publications during the past twenty years---we never eliminate fewer quantifiers than the Redlog's original implementation. For a considerable number of problems we eliminate more quantifiers.Quantoreneliminationsverfahren für reelle abgeschlossene Körper sind sowohl von der theoretischen als auch von der praktischen Seite ein intensiv studiertes Thema. Diese Dissertation befasst sich mit Quantorenelimination basierend auf virtueller Substitution. Im Mittelpunkt stehen praktisch anwendbare Methoden und Techniken. Wir entwicklen ein neues, unabhängiges und modulares Quantoreneliminationsrahmenkonzept für virtuelle Substitution, das im Prinzip auf beliebige Grade von quantifizierten Variablen erweitert werden kann. Unser Rahmenkonzept subsumiert existierende auf virtueller Substitution beruhende Algorithmen. Konkrete Algorithmen enstehen als Instanzen unseres Quantoreneliminationsalgorithmusschemas mit drei genau spezifizierten Subalgorithmen. Wir präsentieren Instanzen bis zu Grad drei einer quantifizierten Variable. Die liefern einen Algorithmus beruhend auf virtueller Substitution für den kubischen Fall. Im Vergleich mit anderen Verfahren basierend auf virtueller Substitution präsentieren wir zahlreiche Verbesserungen wie etwa kleinere Eliminationsmengen oder Clustering. Außerdem nutzen wir die Boolsche Struktur aus und entwickeln ein strukturelles Quantoreneliminationsalgorithmusschema. Somit können wir Gleichungen oder negierte Gleichungen ausnutzen, Ergebnisse der virtuellen Substitution vereinfachen und flexible Schrankenauswahlstrategien entwickeln. Wir studieren auch die bekannte Technik des degree shifts, die in manchen Fällen den Grad der quantifizierten Variablen reduzieren kann. Wir zeigen wie man diese Technik in unserem Quantoreneliminationsalgorithmusschema realisiert und verallgemeinert. Für reelle existentielle Probleme diskutieren wir das Konzept der erweiterten Quantorenelimination, die zu quantorenfreien Äquivalenten auch Antworten für die quantifizierten Variablen liefert. Wir zeigen wie sich dieses Konzept in unserem Quantoreneliminationsalgorithmusschema realisieren lässt. Zusätzlich verallgemeinern wir unser Postprocessingverfahren zur Elimination von Nichtstandardsymbolen aus Antworten. Unsere Implementierung unterstützt die meisten in dieser Arbeit vorgestellte Konzepte und stellt damit die erste Implementierung einer kubischen Methode basierend auf virtueller Substitution dar. Praktische Rechenexperimente, in denen wir unsere Implementierung mit bekannten im Computerlogik-System Redlog implementierten Verfahren für quadratische virtuelle Substitution verglichen, zeigen die Relevanz unserer Techniken: Auf mehr als 200 in mehr als sechzig wissenschaftlichen Publikationen beschriebenen Quantoreneliminationsproblemen eliminiert unsere Implementierung niemals weniger Quantoren als die existierende Implementierung in Redlog. Für eine signifikante Anzahl von Problemen können wir sogar mehr Quantoren eliminieren

New concepts for real quantifier elimination by virtual substitution

Quantifier elimination methods for real closed fields are an intensively studied subject from both theoretical and practical points of view. This thesis studies quantifier elimination based on virtual substitution with a particular focus on practically applicable methods and techniques. We develop a novel, stand-alone, and modular quantifier elimination framework for virtual substitution that can in principle be extended to arbitrary but bounded degrees of quantified variables. The framework subsumes previous virtual substitution algorithms. Quantifier elimination algorithms are obtained via instantiation of our quantifier elimination algorithm scheme with three precisely specified subalgorithms. We give instantiations of our scheme up to degree three of a quantified variable, which yields a quantifier elimination algorithm by virtual substitution for the cubic case. Compared to previous virtual substitution-based approaches, we propose novel improvements like smaller elimination sets and clustering. Furthermore, we exploit the Boolean structure and develop a structural quantifier elimination algorithm scheme. This allows us to take advantage of subformulas containing equations or negated equations, simplify virtual substitution results, and develop flexible bound selection strategies. We also revisit the established technique of degree shifts and show how to generalize this within our structural quantifier elimination algorithm scheme. Restricting ourselves to existential problems, we address the established concept of extended quantified elimination, which in addition to quantifier-free equivalents yields answers for existentially quantified variables. We show how to realize this concept within our quantifier elimination algorithm scheme. Moreover, we generalize our post-processing method for eliminating nonstandard symbols from answers to the general case. Our implementation of most of the concepts developed in this thesis is the first implementation of a cubic virtual substitution method. Experimental results comparing our implementation with the established original implementation of the quadratic virtual substitution in the Redlog computer logic system demonstrate the relevance of our novel techniques: On more than two hundred quantifier elimination problems---considered in more than sixty scientific publications during the past twenty years---we never eliminate fewer quantifiers than the Redlog\u27s original implementation. For a considerable number of problems we eliminate more quantifiers.Quantoreneliminationsverfahren für reelle abgeschlossene Körper sind sowohl von der theoretischen als auch von der praktischen Seite ein intensiv studiertes Thema. Diese Dissertation befasst sich mit Quantorenelimination basierend auf virtueller Substitution. Im Mittelpunkt stehen praktisch anwendbare Methoden und Techniken. Wir entwicklen ein neues, unabhängiges und modulares Quantoreneliminationsrahmenkonzept für virtuelle Substitution, das im Prinzip auf beliebige Grade von quantifizierten Variablen erweitert werden kann. Unser Rahmenkonzept subsumiert existierende auf virtueller Substitution beruhende Algorithmen. Konkrete Algorithmen enstehen als Instanzen unseres Quantoreneliminationsalgorithmusschemas mit drei genau spezifizierten Subalgorithmen. Wir präsentieren Instanzen bis zu Grad drei einer quantifizierten Variable. Die liefern einen Algorithmus beruhend auf virtueller Substitution für den kubischen Fall. Im Vergleich mit anderen Verfahren basierend auf virtueller Substitution präsentieren wir zahlreiche Verbesserungen wie etwa kleinere Eliminationsmengen oder Clustering. Außerdem nutzen wir die Boolsche Struktur aus und entwickeln ein strukturelles Quantoreneliminationsalgorithmusschema. Somit können wir Gleichungen oder negierte Gleichungen ausnutzen, Ergebnisse der virtuellen Substitution vereinfachen und flexible Schrankenauswahlstrategien entwickeln. Wir studieren auch die bekannte Technik des degree shifts, die in manchen Fällen den Grad der quantifizierten Variablen reduzieren kann. Wir zeigen wie man diese Technik in unserem Quantoreneliminationsalgorithmusschema realisiert und verallgemeinert. Für reelle existentielle Probleme diskutieren wir das Konzept der erweiterten Quantorenelimination, die zu quantorenfreien Äquivalenten auch Antworten für die quantifizierten Variablen liefert. Wir zeigen wie sich dieses Konzept in unserem Quantoreneliminationsalgorithmusschema realisieren lässt. Zusätzlich verallgemeinern wir unser Postprocessingverfahren zur Elimination von Nichtstandardsymbolen aus Antworten. Unsere Implementierung unterstützt die meisten in dieser Arbeit vorgestellte Konzepte und stellt damit die erste Implementierung einer kubischen Methode basierend auf virtueller Substitution dar. Praktische Rechenexperimente, in denen wir unsere Implementierung mit bekannten im Computerlogik-System Redlog implementierten Verfahren für quadratische virtuelle Substitution verglichen, zeigen die Relevanz unserer Techniken: Auf mehr als 200 in mehr als sechzig wissenschaftlichen Publikationen beschriebenen Quantoreneliminationsproblemen eliminiert unsere Implementierung niemals weniger Quantoren als die existierende Implementierung in Redlog. Für eine signifikante Anzahl von Problemen können wir sogar mehr Quantoren eliminieren