Leaf languages and string compression

AbstractTight connections between leaf languages and strings compressed by straight-line programs (SLPs) are established. It is shown that the compressed membership problem for a language L is complete for the leaf language class defined by L via logspace machines. A more difficult variant of the compressed membership problem for L is shown to be complete for the leaf language class defined by L via polynomial time machines. As a corollary, it is shown that there exists a fixed linear visibly pushdown language for which the compressed membership problem is PSPACE-complete. For XML languages, it is shown that the compressed membership problem is coNP-complete.Furthermore it is shown that the embedding problem for SLP-compressed strings is hard for PP (probabilistic polynomial time)

Branching-time model checking of one-counter processes

One-counter processes (OCPs) are pushdown processes which operate only on a unary stack alphabet. We study the computational complexity of model checking computation tree logic (CTL) over OCPs. A PSPACE upper bound is inherited from the modal mu-calculus for this problem. First, we analyze the periodic behaviour of CTL over OCPs and derive a model checking algorithm whose running time is exponential only in the number of control locations and a syntactic notion of the formula that we call leftward until depth. Thus, model checking fixed OCPs against CTL formulas with a fixed leftward until depth is in P. This generalizes a result of the first author, Mayr, and To for the expression complexity of CTL's fragment EF. Second, we prove that already over some fixed OCP, CTL model checking is PSPACE-hard. Third, we show that there already exists a fixed CTL formula for which model checking of OCPs is PSPACE-hard. To obtain the latter result, we employ two results from complexity theory: (i) Converting a natural number in Chinese remainder presentation into binary presentation is in logspace-uniform NC^1 and (ii) PSPACE is AC^0-serializable. We demonstrate that our approach can be used to obtain further results. We show that model-checking CTL's fragment EF over OCPs is hard for P^NP, thus establishing a matching lower bound and answering an open question of the first author, Mayr, and To. We moreover show that the following problem is hard for PSPACE: Given a one-counter Markov decision process, a set of target states with counter value zero each, and an initial state, to decide whether the probability that the initial state will eventually reach one of the target states is arbitrarily close to 1. This improves a previously known lower bound for every level of the Boolean hierarchy by Brazdil et al

Efficient geographic information systems: Data structures, Boolean operations and concurrency control

Geographic Information Systems (GIS) are crucial to the ability of govern mental agencies and business to record, manage and analyze geographic data efficiently. They provide methods of analysis and simulation on geographic data that were previously infeasible using traditional hardcopy maps. Creation of realistic 3-D sceneries by overlaying satellite imagery over digital elevation models (DEM) was not possible using paper maps. Determination of suitable areas for construction that would have the fewest environmental impacts once required manual tracing of different map sets on mylar sheets; now it can be done in real time by GIS. Geographic information processing has significant space and time require ments. This thesis concentrates on techniques which can make existing GIS more efficient by considering these issues: Data Structure, Boolean Operations on Geographic Data, Concurrency Control. Geographic data span multiple dimensions and consist of geometric shapes such as points, lines, and areas, which cannot be efficiently handled using a traditional one-dimensional data structure. We therefore first survey spatial data structures for geographic data and then show how a spatial data structure called an R-tree can be used to augment the performance of many existing GIS. Boolean operations on geographic data are fundamental to the spatial anal ysis common in geographic data processing. They allow the user to analyze geographic data by using operators such as AND, OR, NOT on geographic ob jects. An example of a boolean operation query would be, Find all regions that have low elevation AND soil type clay. Boolean operations require signif icant time to process. We present a generalized solution that could significantly improve the time performance of evaluating complex boolean operation queries. Concurrency control on spatial data structures for geographic data processing is becoming more critical as the size and resolution of geographic databases increase. We present algorithms to enable concurrent access to R-tree spatial data structures so that efficient sharing of geographic data can occur in a multi user GIS environment

Knowledge compilation for online decision-making : application to the control of autonomous systems = Compilation de connaissances pour la décision en ligne : application à la conduite de systèmes autonomes

La conduite de systèmes autonomes nécessite de prendre des décisions en fonction des observations et des objectifs courants : cela implique des tâches à effectuer en ligne, avec les moyens de calcul embarqués. Cependant, il s'agit généralement de tâches combinatoires, gourmandes en temps de calcul et en espace mémoire. Réaliser ces tâches intégralement en ligne dégrade la réactivité du système ; les réaliser intégralement hors ligne, en anticipant toutes les situations possibles, nuit à son embarquabilité. Les techniques de compilation de connaissances sont susceptibles d'apporter un compromis, en déportant au maximum l'effort de calcul avant la mise en situation du système. Ces techniques consistent à traduire un problème dans un certain langage, fournissant une forme compilée de ce problème, dont la résolution est facile et la taille aussi compacte que possible. La traduction peut être très longue, mais n'est effectuée qu'une seule fois, hors ligne. Il existe de nombreux langages-cible de compilation, notamment le langage des diagrammes de décision binaires (BDDs), qui ont été utilisés avec succès dans divers domaines (model-checking, configuration, planification). L'objectif de la thèse était d'étudier l'application de la compilation de connaissances à la conduite de systèmes autonomes. Nous nous sommes intéressés à des problèmes réels de planification, qui impliquent souvent des variables continues ou à grand domaine énuméré (temps ou mémoire par exemple). Nous avons orienté notre travail vers la recherche et l'étude de langages-cible de compilation assez expressifs pour permettre de représenter de tels problèmes.Controlling autonomous systems requires to make decisions depending on current observations and objectives. This involves some tasks that must be executed online-with the embedded computational power only. However, these tasks are generally combinatory; their computation is long and requires a lot of memory space. Entirely executing them online thus compromises the system's reactivity. But entirely executing them offline, by anticipating every possible situation, can lead to a result too large to be embedded. A tradeoff can be provided by knowledge compilation techniques, which shift as much as possible of the computational effort before the system's launching. These techniques consists in a translation of a problem into some language, obtaining a compiled form of the problem, which is both easy to solve and as compact as possible. The translation step can be very long, but it is only executed once, and offline. There are numerous target compilation languages, among which the language of binary decision diagrams (BDDs), which have been successfully used in various domains of artificial intelligence, such as model-checking, configuration, or planning. The objective of the thesis was to study how knowledge compilation could be applied to the control of autonomous systems. We focused on realistic planning problems, which often involve variables with continuous domains or large enumerated domains (such as time or memory space). We oriented our work towards the search for target compilation languages expressive enough to represent such problems

Tree-Structured Problems and Parallel Computation

Turing-Maschinen sind das klassische Beschreibungsmittel für Wortsprachen und werden daher auch benützt, um Komplexitätsklassen zu definieren. Dies geschieht zum Beispiel durch das Einschränken des Platz- oder Zeitaufwandes der Berechnung zur Lösung eines Problems. Für sehr niedrige Komplexität wie etwa sublineare Laufzeit, werden Schaltkreise verwendet. Schaltkreise können auf natürliche Art Komplexitäten wie etwa logarithmische Laufzeit modellieren. Ebenso können sie als eine Art paralleles Rechenmodell gesehen werden. Eine wichtige parallele Komplexitätsklasse ist NC1. Sie wird beschrieben durch Boolesche Schaltkreise logarithmischer Tiefe und beschränktem Eingangsgrad der Gatter. Eine initiale Beobachtung, die die vorliegende Arbeit motiviert, ist, dass viele schwere Probleme in NC1 eine ähnliche Struktur haben und auf ähnliche Art und Weise gelöst werden. Das Auswertungsproblem für Boolesche Formeln ist eines der repräsentativsten Probleme aus dieser Klasse: Gegeben ist hier eine aussagenlogische Formel samt Belegung für die Variablen; gefragt ist, ob sie zu wahr oder zu falsch auswertet. Dieses Problem wird in NC1 gelöst durch den Algorithmus von Buss. Auf ähnliche Art können arithmetische Formeln in #NC1 ausgewertet oder das Wortproblem für Visibly-Pushdown-Sprachen gelöst werden. Zu besagter Klasse an Problemen gehört auch Courcelles Theorem, welches Berechnungen in Baumautomaten involviert. Zu bemerken ist, dass alle angesprochenen Probleme gemeinsam haben, dass sie aus Instanzen bestehen, die baumartig sind. Formeln sind Bäume, Visibly-Pushdown-Sprachen enthalten als Wörter kodierte Bäume und Courcelles Theorem betrachtet Graphen mit beschränkter Baumweite, d.h. Graphen, die sich als Baum darstellen lassen. Insbesondere Letzteres ist ein Schema, das häufiger auftritt. Zum Beispiel gibt es NP-vollständige Graphprobleme wie das Finden von Hamilton-Kreisen, welches unter beschränkter Baumweite in P fällt. Neuere Analysen konnten diese Schranke weiter zu SAC1 verbessern, was eine parallele Komplexitätsklasse ist. Die angesprochenen Probleme kommen aus unterschiedlichen Bereichen und haben individuelle Lösungen. Hauptthese dieser Arbeit ist, dass sich diese Vielfalt vereinheitlichen lässt. Es wird ein generisches Lösungskonzept vorgestellt, welches darauf beruht, dass sich die Probleme auf ein Termevaluierungsproblem reduzieren lassen. Kernstück ist daher ein Termevaluierungsalgorithmus, der unabhängig von der Algebra, über welche der Term evaluiert werden soll, ist. Resultat ist, dass eine Vielzahl, darunter die oben angesprochenen Probleme, sich auf analoge Art lösen lassen, und dass sich ebenso leicht neue Resultate zeigen lassen. Diese Menge an Resultaten hätte sich ohne den vereinheitlichten Lösungsansatz nicht innerhalb des Rahmens einer Arbeit wie der vorliegenden zeigen lassen. Der entwickelte Lösungsansatz führt stets zu Schaltkreisfamilien polylogarithmischer Tiefe. Es wird jedoch auch die Frage behandelt, wie mächtig Schaltkreisfamilien konstanter Tiefe noch bezüglich Termevaluierung sind. Die Klasse AC0 ist hierfür ein natürlicher Kandidat; sie entspricht der Menge der Sprachen, die durch Logik erster Ordung beschreibbar sind. Um dieses Problem anzugehen, wird zunächst das Termevaluierungsproblem über endlichen Algebren betrachtet. Dieses wiederum lässt sich in das Wortproblem von Visibly-Pushdown-Sprachen einbetten. Daher handelt dieser Teil der Arbeit vornehmlich von der Beschreibbarkeit von Visibly-Pushdown-Sprachen in Logik erster Ordnung. Hierbei treten ungelöste Probleme zu Tage, welche ein Indiz dafür sind, wie schlecht die Komplexität konstanter Tiefe bisher noch verstanden ist, und das, trotz des Resultats von Furst, Saxe und Sipser, bzw. Håstads. Die bis jetzt beschrieben Inhalte sind Teil einer kontinuierlichen Entwicklung. Es gibt jedoch ein Thema in dieser Arbeit, das orthogonal dazu ist: Automaten und im speziellen Cost-Register-Automaten. Zum einen sind, wie oben angedeutet, Automaten Beispiele für Anwendungen des hier entwickelten generischen Lösungsansatzes. Zum anderen können sie selbst zur Beschreibung von Termevaluierungsproblemen dienen; so können Visibly-Pushdown-Automaten Termevaluierung über endlichen Algebren ausführen. Um über endliche Algebren hinauszugehen, benötigen die Automaten mehr Speicher. Visibly-Pushdown-Automaten haben einen Keller, der genau dafür geeignet ist, die Baumstruktur einer Eingabeformel zu verifizieren. Für nichtendliche Algebren eignet sich ein Modell, welches hier vorgestellt werden soll. Es kombiniert Visibly-Pushdown-Automaten mit Cost-Register-Automaten. Ein Cost-Register-Automat ist ein endlicher Automat, welcher mit zusätzlichen Registern ausgestattet ist. Die Register können Werte einer Algebra speichern und werden in jedem Schritt in Abhängigkeit des Eingabezeichens und des Zustandes aktualisiert. Dieser Einwegdatenfluss von Zuständen zu Registern sorgt dafür, dass dieses Modell nicht nur entscheidbar bleibt, sondern, in Abhängigkeit der Algebra, auch niedrige Komplexität hat. Das neue Modell der Cost-Register-Visibly-Pushdown-Automaten kann nun Terme evaluieren. Es werden grundlegende Eigenschaften gezeigt, einschließlich Komplexitätsaussagen

Computational aspects of voting: a literature survey

Preference aggregation is a topic of study in different fields such as philosophy, mathematics, economics and political science. Recently, computational aspects of preference aggregation have gained especial attention and “computational politics” has emerged as a marked line of research in computer science with a clear concentration on voting protocols. The field of voting systems, rooted in social choice theory, has expanded notably in both depth and breadth in the last few decades. A significant amount of this growth comes from studies concerning the computational aspects of voting systems. This thesis comprehensively reviews the work on voting systems (from a computing perspective) by listing, classifying and comparing the results obtained by different researchers in the field. This survey covers a wide range of new and historical results yet provides a profound commentary on related work as individual studies and in relation to other related work and to the field in general. The deliverables serve as an overview where students and novice researchers in the field can start and also as a depository that can be referred to when searching for specific results. A comprehensive literature survey of the computational aspects of voting is a task that has not been undertaken yet and is initially realized here. Part of this research was dedicated to creating a web-depository that contains material and references related to the topic based on the survey. The purpose was to create a dynamic version of the survey that can be updated with latest findings and as an online practical reference

LIPIcs, Volume 248, ISAAC 2022, Complete Volume

LIPIcs, Volume 248, ISAAC 2022, Complete Volum