Sublinear-Time Language Recognition and Decision by One-Dimensional Cellular Automata

After an apparent hiatus of roughly 30 years, we revisit a seemingly neglected subject in the theory of (one-dimensional) cellular automata: sublinear-time computation. The model considered is that of ACAs, which are language acceptors whose acceptance condition depends on the states of all cells in the automaton. We prove a time hierarchy theorem for sublinear-time ACA classes, analyze their intersection with the regular languages, and, finally, establish strict inclusions in the parallel computation classes $\mathsf{SC}$ and (uniform) $\mathsf{AC}$. As an addendum, we introduce and investigate the concept of a decider ACA (DACA) as a candidate for a decider counterpart to (acceptor) ACAs. We show the class of languages decidable in constant time by DACAs equals the locally testable languages, and we also determine $\Omega(\sqrt{n})$ as the (tight) time complexity threshold for DACAs up to which no advantage compared to constant time is possible.Comment: 16 pages, 2 figures, to appear at DLT 202

Sublinear-Time Cellular Automata and Connections to Complexity Theory

Im Gebiet des verteilten Rechnens werden Modelle untersucht, in denen sich mehrere Berechnungseinheiten koordinieren, um zusammen ein gemeinsames Ziel zu erreichen, wobei sie aber nur über begrenzte Ressourcen verfügen — sei diese Zeit-, Platz- oder Kommunikationskapazitäten. Das Hauptuntersuchungsobjekt dieser Dissertation ist das wohl einfachste solche Modell überhaupt: (eindimensionale) Zellularautomaten. Unser Ziel ist es, einen besseren Überblick über die Fähigkeiten und Einschränkungen des Modells und ihrer Varianten zu erlangen in dem Fall, dass die gesamte Bearbeitungszeit deutlich kleiner als die Größe der Eingabe ist (d. h. Sublinear-Zeit). Wir führen unsere Analyse von dem Standpunkt der Komplexitätstheorie und stellen dabei auch Bezüge zwischen Zellularautomaten und anderen Gebieten wie verteiltes Rechnen und Streaming-Algorithmen her. Sublinear-Zeit Zellularautomaten. Ein Zellularautomat (ZA) besteht aus identischen Zellen, die entlang einer Linie aneinandergereiht sind. Jede Zelle ist im Wesentlichen eine sehr primitive Berechnungseinheit (nämlich ein deterministischer endlicher Automat), die mit deren beiden Nachbarn interagieren kann. Die Berechnung entsteht durch die Aktualisierung der Zustände der Zellen gemäß derselben Zustandsüberführungsfunktion, die gleichzeitig überall im Automaten angewendet wird. Die von uns betrachteten Varianten sind unter anderem schrumpfende ZAs, die (gewissermaßen) dynamisch rekonfigurierbar sind, sowie eine probabilistische Variante, in der jede Zelle mit Zugriff auf eine faire Münze ausgestattet ist. Trotz überragendem Interesse an Linear- und Real-Zeit-ZAs scheint der Fall von Sublinear-Zeit im Großen und Ganzen von der wissenschaftlichen Gemeinschaft vernachlässigt worden zu sein. Wir arbeiten die überschaubare Anzahl an Vorarbeiten zu dem Thema auf, die vorhanden ist, und entwickeln die daraus stammenden Techniken weiter, sodass deren Spektrum an Anwendungsmöglichkeiten wesentlich breiter wird. Durch diese Bemühungen entsteht unter anderem ein Zeithierarchiesatz für das deterministische Modell. Außerdem übertragen wir Techniken zum Beweis unterer Schranken aus der Komplexitätstheorie auf das Modell der schrumpfenden ZAs und entwickeln neue Techniken, die auf probabilistische Sublinear-Zeit-ZAs zugeschnitten sind. Ein Bezug zu Härte-Magnifizierung. Ein Bezug zu Komplexitätstheorie, die wir im Laufe unserer Untersuchungen herstellen, ist ein Satz über Härte-Magnifizierung (engl. hardness magnification) für schrumpfende ZAs. Hier bezieht sich Härte-Magnifizierung auf eine Reihe neuerer Arbeiten, die bezeugen, dass selbst geringfügig nicht-triviale untere Schranken sehr beeindruckende Konsequenzen in der Komplexitätstheorie haben können. Unser Satz ist eine Abwandlung eines neuen Ergebnisses von McKay, Murray und Williams (STOC, 2019) für Streaming-Algorithmen. Wie wir zeigen kann die Aussage dabei genauso in Bezug auf schrumpfende ZAs formuliert werden, was sie auch beweisbar verstärkt. Eine Verbindung zu Sliding-Window Algorithmen. Wir verknüpfen das verteilte Zellularautomatenmodell mit dem sequenziellen Streaming-Algorithmen-Modell. Wie wir zeigen, können (gewisse Varianten von) ZAs von Streaming-Algorithmen simuliert werden, die bestimmten Lokalitätseinschränkungen unterliegen. Konkret ist der aktuelle Zustand des Algorithmus vollkommen bestimmt durch den Inhalt eines Fensters fester Größe, das wenige letzte Symbole enthält, die vom Algorithmus verarbeitet worden sind. Dementsprechend nennen wir diese eingeschränkte Form eines Streaming-Algorithmus einen Sliding-Window-Algorithmus. Wir zeigen, dass Sliding-Window-Algorithmen ZAs sehr effizient simulieren können und insbesondere in einer solchen Art und Weise, dass deren Platzkomplexität eng mit der Zeitkomplexität des simulierten ZA verbunden ist. Derandomisierungsergebnisse. Wir zeigen Derandomisierungsergebnisse für das Modell von Sliding-Window-Algorithmen, die Zufall aus einer binären Zufallsquelle beziehen. Dazu stützen wir uns auf die robuste Maschinerie von Branching-Programmen, die den gängigen Ansatz zur Derandomisierung von Platz-beschränkten Maschinen in der Komplexitätstheorie darstellen. Als eine Anwendung stellen sich Derandomisierungsergebnisse für probabilistische Sublinear-Zeit-ZAs heraus, die durch die oben genannten Verknüpfung erlangt werden. Vorhersageproblem für Pilz-Sandhaufen. Ein letztes Problem, das wir behandeln und das auch einen Bezug zu Sublinear-Zeitkomplexität im Rahmen von Zellularautomaten hat (obwohl nicht zu Sublinear-Zeit-Zellularautomaten selber), ist das Vorhersageproblem für Sandhaufen-Zellularautomaten. Diese Automaten sind basierend auf zweidimensionalen ZAs definiert und modellieren einen deterministischen Prozess, in dem sich Partikel (in der Regel denkt man an Sandkörnern) durch den Raum verbreiten. Das Vorhersageproblem fragt ob, gegeben eine Zellennummer $y$ und eine initiale Konfiguration für den Sandhaufen, die Zelle mit Nummer $y$ irgendwann vor einer gewissen Zeitschranke einen von Null verschiedenen Zustand erreichen wird. Die Komplexität dieses mindestens zwei Jahrzehnte alten Vorhersageproblems ist für zweidimensionelle Sandhaufen bemerkenswerterweise nach wie vor offen. Wir lösen diese Frage im Wesentlichen für eine neue Variante von Sandhaufen namens Pilz-Sandhaufen, die von Goles u. a. (Phys. Lett. A, 2020) vorgeschlagen worden ist. Unser Ergebnis ist besonders relevant, weil es innovative Erkenntnisse und neue Techniken liefert, die für die Lösung des offenen Problems im allgemeinen Fall von hoher Relevanz sein könnten

Sublinearly space bounded iterative arrays

Iterative arrays (IAs) are a, parallel computational model with a sequential processing of the input. They are one-dimensional arrays of interacting identical deterministic finite automata. In this note, realtime-lAs with sublinear space bounds are used to accept formal languages. The existence of a proper hierarchy of space complexity classes between logarithmic anel linear space bounds is proved. Furthermore, an optimal spacc lower bound for non-regular language recognition is shown. Key words: Iterative arrays, cellular automata, space bounded computations, decidability questions, formal languages, theory of computatio

Dagstuhl News January - December 2005

"Dagstuhl News" is a publication edited especially for the members of the Foundation "Informatikzentrum Schloss Dagstuhl" to thank them for their support. The News give a summary of the scientific work being done in Dagstuhl. Each Dagstuhl Seminar is presented by a small abstract describing the contents and scientific highlights of the seminar as well as the perspectives or challenges of the research topic

In Memoriam, Solomon Marcus

This book commemorates Solomon Marcus’s fifth death anniversary with a selection of articles in mathematics, theoretical computer science, and physics written by authors who work in Marcus’s research fields, some of whom have been influenced by his results and/or have collaborated with him

Local Certification of Majority Dynamics

In majority voting dynamics, a group of $n$ agents in a social network are asked for their preferred candidate in a future election between two possible choices. At each time step, a new poll is taken, and each agent adjusts their vote according to the majority opinion of their network neighbors. After $T$ time steps, the candidate with the majority of votes is the leading contender in the election. In general, it is very hard to predict who will be the leading candidate after a large number of time-steps. We study, from the perspective of local certification, the problem of predicting the leading candidate after a certain number of time-steps, which we call Election-Prediction. We show that in graphs with sub-exponential growth Election-Prediction admits a proof labeling scheme of size $\mathcal{O}(\log n)$. We also find non-trivial upper bounds for graphs with a bounded degree, in which the size of the certificates are sub-linear in $n$. Furthermore, we explore lower bounds for the unrestricted case, showing that locally checkable proofs for Election-Prediction on arbitrary $n$-node graphs have certificates on $\Omega(n)$ bits. Finally, we show that our upper bounds are tight even for graphs of constant growth

Proceedings of JAC 2010. Journées Automates Cellulaires

The second Symposium on Cellular Automata “Journ´ees Automates Cellulaires” (JAC 2010) took place in Turku, Finland, on December 15-17, 2010. The first two conference days were held in the Educarium building of the University of Turku, while the talks of the third day were given onboard passenger ferry boats in the beautiful Turku archipelago, along the route Turku–Mariehamn–Turku. The conference was organized by FUNDIM, the Fundamentals of Computing and Discrete Mathematics research center at the mathematics department of the University of Turku. The program of the conference included 17 submitted papers that were selected by the international program committee, based on three peer reviews of each paper. These papers form the core of these proceedings. I want to thank the members of the program committee and the external referees for the excellent work that have done in choosing the papers to be presented in the conference. In addition to the submitted papers, the program of JAC 2010 included four distinguished invited speakers: Michel Coornaert (Universit´e de Strasbourg, France), Bruno Durand (Universit´e de Provence, Marseille, France), Dora Giammarresi (Universit` a di Roma Tor Vergata, Italy) and Martin Kutrib (Universit¨at Gie_en, Germany). I sincerely thank the invited speakers for accepting our invitation to come and give a plenary talk in the conference. The invited talk by Bruno Durand was eventually given by his co-author Alexander Shen, and I thank him for accepting to make the presentation with a short notice. Abstracts or extended abstracts of the invited presentations appear in the first part of this volume. The program also included several informal presentations describing very recent developments and ongoing research projects. I wish to thank all the speakers for their contribution to the success of the symposium. I also would like to thank the sponsors and our collaborators: the Finnish Academy of Science and Letters, the French National Research Agency project EMC (ANR-09-BLAN-0164), Turku Centre for Computer Science, the University of Turku, and Centro Hotel. Finally, I sincerely thank the members of the local organizing committee for making the conference possible. These proceedings are published both in an electronic format and in print. The electronic proceedings are available on the electronic repository HAL, managed by several French research agencies. The printed version is published in the general publications series of TUCS, Turku Centre for Computer Science. We thank both HAL and TUCS for accepting to publish the proceedings.Siirretty Doriast

49th International Colloquium on Automata, Languages, and Programming (ICALP 2022)

We settle two long-standing open problems about Conway’s Life, a two-dimensional cellular automaton. We solve the Generalized grandfather problem: for all n ≥ 0, there exists a configuration that has an nth predecessor but not an (n+1)st one. We also solve (one interpretation of) the Unique father problem: there exists a finite stable configuration that contains a finite subpattern that has no predecessor patterns except itself. In particular this gives the first example of an unsynthesizable still life. The new key concept is that of a spatiotemporally periodic configuration (agar) that has a unique chain of preimages; we show that this property is semidecidable, and find examples of such agars using a SAT solver.Our results about the topological dynamics of Game of Life are as follows: it never reaches its limit set; its dynamics on its limit set is chain-wandering, in particular it is not topologically transitive and does not have dense periodic points; and the spatial dynamics of its limit set is non-sofic, and does not admit a sublinear gluing radius in the cardinal directions (in particular it is not block-gluing). Our computability results are that Game of Life’s reachability problem, as well as the language of its limit set, are PSPACE-hard.</p