On the limits of the communication complexity technique for proving lower bounds on the size of minimal NFA’s

AbstractIn contrast to the minimization of deterministic finite automata (DFA’s), the task of constructing a minimal nondeterministic finite automaton (NFA) for a given NFA is PSPACE-complete. Moreover, there are no polynomial approximation algorithms with a constant approximation ratio for estimating the number of states of minimal NFA’s.Since one is unable to efficiently estimate the size of a minimal NFA in an efficient way, one should ask at least for developing mathematical proof methods that help to prove good lower bounds on the size of a minimal NFA for a given regular language. Here we consider the robust and most successful lower bound proof technique that is based on communication complexity. In this paper it is proved that even a strong generalization of this method fails for some concrete regular languages.“To fail” is considered here in a very strong sense. There is an exponential gap between the size of a minimal NFA and the achievable lower bound for a specific sequence of regular languages.The generalization of the concept of communication protocols is also strong here. It is shown that cutting the input word into 2O(n1/4) pieces for a size n of a minimal nondeterministic finite automaton and investigating the necessary communication transfer between these pieces as parties of a multiparty protocol does not suffice to get good lower bounds on the size of minimal nondeterministic automata. It seems that for some regular languages one cannot really abstract from the automata model that cuts the input words into particular symbols of the alphabet and reads them one by one using its input head

Non-Deterministic Finite Cover Automata

The concept of Deterministic Finite Cover Automata (DFCA) was introduced at WIA ’98, as a more compact representation than Deterministic Finite Automata (DFA) for finite languages. In some cases representing a finite language using a Non-deterministic Finite Automata (NFA) may significantly reduce the number of required states. The combined power of the succinctness of the representation of finite languages using both cover languages and non-determinism has been suggested, but never systematically studied. In the present paper, for non-deterministic finite cover automata (NFCA) and l-non-deterministic finite cover automaton (l-NFCA), we show that minimization can be as hard as minimizing NFAs for regular languages, even in the case of NFCAs using unary alphabets. Moreover, we show how we can adapt the methods used to reduce, or minimize the size of NFAs/DFCAs/l-DFCAs, for simplifying NFCAs/l-NFCAs

Algorithms and lower bounds in finite automata size complexity

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 2006.Includes bibliographical references (p. 97-99).In this thesis we investigate the relative succinctness of several types of finite automata, focusing mainly on the following four basic models: one-way deterministic (1)FAs), one-way nondeterministic (1NFAs), two-way deterministic (2DFAS), and two-way nondeterministic (2NFAS). First, we establish the exact values of the trade-offs for all conversions from two-way to one-way automata. Specifically, we prove that the functions ... return the exact values of the trade-offs from 2DFAS to 1DFAS, from 2NFAS to 1DFAs, and from 2DFAs or 2NFAS to 1NFAs, respectively. Second, we examine the question whether the trade-offs from NFAs or 2NFAS to 2DiFAs are polynomial or not. We prove two theorems for liveness, the complete problem for the conversion from 1NFAS to 2DFAS. We first focus on moles, a restricted class of 2NFAs that includes the polynomially large 1NFAS which solve liveness. We prove that, in contrast, 2DFA moles cannot solve liveness, irrespective of size.(cont.) We then focus on sweeping 2NFAS, which can change the direction of their input head only on the end-markers. We prove that all sweeping 2NFAs solving the complement of liveness are of exponential size. A simple modification of this argument also proves that the trade-off from 2DFAS to sweeping 2NFAS is exponential. Finally, we examine conversions between two-way automata with more than one head-like devices (e.g., heads, linearly bounded counters, pebbles). We prove that, if the automata of some type A have enough resources to (i) solve problems that no automaton of some other type B can solve, and (ii) simulate any unary 2DFA that has additional access to a linearly-bounded counter, then the trade-off from automata of type A to automata of type B admits no recursive upper bound.by Christos Kapoutsis.Ph.D

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

A Logic for Document Spanners

Document spanners are a formal framework for information extraction that was introduced by [Fagin, Kimelfeld, Reiss, and Vansummeren, J.ACM, 2015]. One of the central models in this framework are core spanners, which are based on regular expressions with variables that are then extended with an algebra. As shown by [Freydenberger and Holldack, ICDT, 2016], there is a connection between core spanners and EC^{reg}, the existential theory of concatenation with regular constraints. The present paper further develops this connection by defining SpLog, a fragment of EC^{reg} that has the same expressive power as core spanners. This equivalence extends beyond equivalence of expressive power, as we show the existence of polynomial time conversions between this fragment and core spanners. This even holds for variants of core spanners that are based on automata instead of regular expressions. Applications of this approach include an alternative way of defining relations for spanners, insights into the relative succinctness of various classes of spanner representations, and a pumping lemma for core spanners

A logic for document spanners

Document spanners are a formal framework for information extraction that was introduced by Fagin, Kimelfeld, Reiss, and Vansummeren (PODS 2013, JACM 2015). One of the central models in this framework are core spanners, which are based on regular expressions with variables that are then extended with an algebra. As shown by Freydenberger and Holldack (ICDT 2016), there is a connection between core spanners and ECreg, the existential theory of concatenation with regular constraints. The present paper further develops this connection by defining SpLog, a fragment of ECreg that has the same expressive power as core spanners. This equivalence extends beyond equivalence of expressive power, as we show the existence of polynomial time conversions between this fragment and core spanners. This even holds for variants of core spanners that are based on automata instead of regular expressions. Applications of this approach include an alternative way of defining relations for spanners, insights into the relative succinctness of various classes of spanner representations, and a pumping lemma for core spanners