Descriptive complexity for pictures languages (extended abstract)

This paper deals with descriptive complexity of picture languages of any dimension by syntactical fragments of existential second-order logic. - We uniformly generalize to any dimension the characterization by Giammarresi et al. \cite{GRST96} of the class of \emph{recognizable} picture languages in existential monadic second-order logic. - We state several logical characterizations of the class of picture languages recognized in linear time on nondeterministic cellular automata of any dimension. They are the first machine-independent characterizations of complexity classes of cellular automata. Our characterizations are essentially deduced from normalization results we prove for first-order and existential second-order logics over pictures. They are obtained in a general and uniform framework that allows to extend them to other "regular" structures. Finally, we describe some hierarchy results that show the optimality of our logical characterizations and delineate their limits.Comment: 33 pages - Submited to Lics 201

The Monadic Quantifier Alternation Hierarchy over Graphs is Infinite

We show that in monadic second-order logic over finite directed graphs, a strict hierarchy of expressiveness is obtained by increasing the (second-order) quantifier alternation depth of formulas. Thus, the "monadic analogue" of the polynomial hierarchy is found to be strict, which solves a problem of Fagin. The proof is based on automata theoretic concepts (rather than Ehrenfeucht-Frasse games) and starts from a restricted class of graph-like structures, namely finite two-dimensional grids. We investigate monadic second-order definable sets of grids where the width of grids is a function of the height. In this context, the infiniteness of the quantifier alternation hierarchy is witnessed by n-fold exponential functions for increasing n. It is notable that these witness sets of the monadic hierarchy all belong to the complexity class NP, the first level of the polynomial hierarchy. 1 Introduction The subject of this paper is monadic second-order logic over graphs. In this logic, one ca..

Modal Fragments of Second-Order Logic

Formaalin logiikan tutkimuskohteina ovat erilaiset muodolliset systeemit eli logiikat, joiden avulla voidaan mm. mekanisoida monenlaisia päättelyprosesseja. Eräs modernin formaalin logiikan keskeisistä tutkimusaiheista on modaalilogiikka, jossa perinteisempää logiikkaa laajennetaan nk. modaliteeteilla. Modaliteettien avulla voidaan luoda mitä erilaisimpia formaaleja systeemejä. Modaalilogiikalla onkin huomattava määrä sovelluksia aina tietojenkäsittelytieteestä ja matematiikan sekä fysiikan perusteista filosofiaan ja kielitieteisiin. Väitöskirja keskittyy modaalilogiikan nk. malliteoriaan. Tutkielmassa luokitellaan erilaisia formaalin logiikan systeemejä perustuen siihen, millaisia ominaisuuksia kyseisten systeemien avulla voidaan ilmaista. Mitä korkeampi ilmaisuvoima formaalilla järjestelmällä on, sitä hitaampaa on järjestelmän avulla suoritettava tietokoneellistettu päättely. Tutkielma käsittelee useita modaalilogiikan systeemejä; painopiste on erittäin korkean ilmaisuvoiman omaavien logiikoiden teoriassa. Tarkastelun kohteena olevat kysymykset liittyvät suoraan muuhun modaalilogiikan alan matemaattiseen tutkimukseen. Tutkielmassa mm. esitetään ratkaisu vuodesta 1983 avoinna olleeseen tekniseen kysymykseen koskien nk. toisen kertaluvun propositionaalisen modaalilogiikan alternaatiohierarkiaa.In this thesis we investigate various fragments of second-order logic that arise naturally in considerations related to modal logic. The focus is on questions related to expressive power. The results in the thesis are reported in four independent but related chapters (Chapters 2, 3, 4 and 5). In Chapter 2 we study second-order propositional modal logic, which is the system obtained by extending ordinary modal logic with second-order quantification of proposition symbols. We show that the alternation hierarchy of this logic is infinite, thereby solving an open problem from the related literature. In Chapter 3 we investigate the expressivity of a range of modal logics extended with existential prenex quantification of accessibility relations and proposition symbols. The principal result of the chapter is that the resulting extension of (a version of) Boolean modal logic can be effectively translated into existential monadic second-order logic. As a corollary we obtain decidability results for multimodal logics over various classes of frames with built-in relations. In Chapter 4 we study the equality-free fragment of existential second-order logic with second-order quantification of function symbols. We show that over directed graphs, the expressivity of the fragment is incomparable with that of first-order logic. We also show that over finite models with a unary relational vocabulary, the fragment is weaker in expressivity than first-order logic. In Chapter 5 we study the extension of polyadic modal logic with unrestricted quantification of accessibility relations and proposition symbols. We obtain a range of results related to various natural fragments of the system. Finally, we establish that this extension of modal logic exactly captures the expressivity of second-order logic

Structural and Computational Existence Results for Multidimensional Subshifts

Symbolic dynamics is a branch of mathematics that studies the structure of infinite sequences of symbols, or in the multidimensional case, infinite grids of symbols. Classes of such sequences and grids defined by collections of forbidden patterns are called subshifts, and subshifts of finite type are defined by finitely many forbidden patterns. The simplest examples of multidimensional subshifts are sets of Wang tilings, infinite arrangements of square tiles with colored edges, where adjacent edges must have the same color. Multidimensional symbolic dynamics has strong connections to computability theory, since most of the basic properties of subshifts cannot be recognized by computer programs, but are instead characterized by some higher-level notion of computability. This dissertation focuses on the structure of multidimensional subshifts, and the ways in which it relates to their computational properties. In the first part, we study the subpattern posets and Cantor-Bendixson ranks of countable subshifts of finite type, which can be seen as measures of their structural complexity. We show, by explicitly constructing subshifts with the desired properties, that both notions are essentially restricted only by computability conditions. In the second part of the dissertation, we study different methods of defining (classes of ) multidimensional subshifts, and how they relate to each other and existing methods. We present definitions that use monadic second-order logic, a more restricted kind of logical quantification called quantifier extension, and multi-headed finite state machines. Two of the definitions give rise to hierarchies of subshift classes, which are a priori infinite, but which we show to collapse into finitely many levels. The quantifier extension provides insight to the somewhat mysterious class of multidimensional sofic subshifts, since we prove a characterization for the class of subshifts that can extend a sofic subshift into a nonsofic one.Symbolidynamiikka on matematiikan ala, joka tutkii äärettömän pituisten symbolijonojen ominaisuuksia, tai moniulotteisessa tapauksessa äärettömän laajoja symbolihiloja. Siirtoavaruudet ovat tällaisten jonojen tai hilojen kokoelmia, jotka on määritelty kieltämällä jokin joukko äärellisen kokoisia kuvioita, ja äärellisen tyypin siirtoavaruudet saadaan kieltämällä vain äärellisen monta kuviota. Wangin tiilitykset ovat yksinkertaisin esimerkki moniulotteisista siirtoavaruuksista. Ne ovat värillisistä neliöistä muodostettuja tiilityksiä, joissa kaikkien vierekkäisten sivujen on oltava samanvärisiä. Moniulotteinen symbolidynamiikka on vahvasti yhteydessä laskettavuuden teoriaan, sillä monia siirtoavaruuksien perusominaisuuksia ei ole mahdollista tunnistaa tietokoneohjelmilla, vaan korkeamman tason laskennallisilla malleilla. Väitöskirjassani tutkin moniulotteisten siirtoavaruuksien rakennetta ja sen suhdetta niiden laskennallisiin ominaisuuksiin. Ensimmäisessä osassa keskityn tiettyihin äärellisen tyypin siirtoavaruuksien rakenteellisiin ominaisuuksiin: äärellisten kuvioiden muodostamaan järjestykseen ja Cantor-Bendixsonin astelukuun. Halutunlaisia siirtoavaruuksia rakentamalla osoitan, että molemmat ominaisuudet ovat olennaisesti laskennallisten ehtojen rajoittamia. Väitöskirjan toisessa osassa tutkin erilaisia tapoja määritellä moniulotteisia siirtoavaruuksia, sekä sitä, miten nämä tavat vertautuvat toisiinsa ja tunnettuihin siirtoavaruuksien luokkiin. Käsittelen määritelmiä, jotka perustuvat toisen kertaluvun logiikkaan, kvanttorilaajennukseksi kutsuttuun rajoitettuun loogiseen kvantifiointiin, sekä monipäisiin äärellisiin automaatteihin. Näistä kolmesta määritelmästä kahteen liittyy erilliset siirtoavaruuksien hierarkiat, joiden todistan romahtavan äärellisen korkuisiksi. Kvanttorilaajennuksen tutkimus valottaa myös niin kutsuttujen sofisten siirtoavaruuksien rakennetta, jota ei vielä tunneta hyvin: kyseisessä luvussa selvitän tarkasti, mitkä siirtoavaruudet voivat laajentaa sofisen avaruuden ei-sofiseksi.Siirretty Doriast