Expressive Quantale-valued Logics for Coalgebras: an Adjunction-based Approach

We address the task of deriving fixpoint equations from modal logics characterizing behavioural equivalences and metrics (summarized under the term conformances). We rely on earlier work that obtains Hennessy-Milner theorems as corollaries to a fixpoint preservation property along Galois connections between suitable lattices. We instantiate this to the setting of coalgebras, in which we spell out the compatibility property ensuring that we can derive a behaviour function whose greatest fixpoint coincides with the logical conformance. We then concentrate on the linear-time case, for which we study coalgebras based on the machine functor living in Eilenberg-Moore categories, a scenario for which we obtain a particularly simple logic and fixpoint equation. The theory is instantiated to concrete examples, both in the branching-time case (bisimilarity and behavioural metrics) and in the linear-time case (trace equivalences and trace distances)

Coalgebras, clone theory, and modal logic

gekürzte Fassung: Coalgebren wurden sowohl in der Mathematik (seit den 70er Jahren) als auch in der theoretischen Informatik (seit den 90er Jahren) untersucht. In der Mathematik sind Coalgebren dual zu universellen Algebren definiert. Sie bestehen aus einer Trägermenge A zusammen mit Cofunktionen ? : A ? , die A in die n-fache disjunkte Vereinigung von sich selbst abbilden. Das Ziel der Forschung ist hier vor allem, duale Versionen von Definitionen und Resultaten aus der universellen Algebra für die Welt der Coalgebren zu finden. Die theoretische Informatik betrachtet Coalgebren von kategorieller Seite aus. Für einen gegebenen Funktor F : C ? C sind Coalgebren als Paare (S,"alpha") definiert, wobei S ein Objekt von C und "alpha" : S ? F(S) ein Morphismus in C ist. Somit stellt der obige Ansatz mit Cofunktionen einen Spezialfall dar. Begriffe wie Homomorphismus oder Bisimularität lassen sich auf einfache Weise ausdrücken und handhaben. Solche Coalgebren modellieren eine große Anzahl von dynamischen Systemen. Das liefert eine kanonische und vereinheitlichende Sicht auf diese Systeme. Die vorliegende Dissertation führt beide genannten Forschungsrichtungen der Coalgebren weiter: Teil I beschäftigt sich mit "klassischen" Coalgebren, also solchen, wie sie in der universellen Algebra untersucht werden. Insbesondere wird das Verhältnis zur Klontheorie erforscht. Teil II der Arbeit widmet sich dem kategoriellen Ansatz aus der theoretischen Informatik. Von speziellem Interesse ist hier die Anwendung von Coalgebren zur Spezifikation von Systemen. Coalgebren und Klontheorie In der universellen Algebra spielen Systeme von Funktionen eine bedeutende Rolle, u.a. in der Klontheorie. Dort betrachtet man Funktionen auf einer festen gegebenen Grundmenge. Klone von Funktionen sind Mengen von Funktionen, die alle Projektionen enthalten und die gegen Superposition (d.h. Einsetzen) abgeschlossen sind. Extern lassen sich diese Klone als Galois-abgeschlossene Mengengzgl. der Galois-Verbindung zwischen Funktionen und Relationen darstellen. Diese Galois-Verbindung wird durch die Eigenschaft einer Funktion induziert, eine Relation zu bewahren. Dual zu Klonen von Funktionen wurde von B. Csákány auch Klone von Cofunktionen untersucht. Folglich stellt sich die Frage, ob solche Klone ebenfalls mittels einer geeigneten Galois-Verbindung charakterisiert werden können. Die vorliegende Arbeit führt zunächst den Begriff von Corelationen ein. Es wird auf kanonische Weise definiert, was es heißt, daß eine Cofunktion eine Corelation bewahrt. Dies mündet in einer Galois-Theorie, deren Galois-abgeschlossene Mengen von Cofunktionen tatsächlich genau die Klone von Cofunktionen sind. Überdies entsprechen die Galois-abgeschlossenen Mengen von Corelationen genau den Klonen von Corelationen. Die Galois-Theorien von Funktionen und Relationen einerseits und Cofunktionen und Corelationen anderseits sind sich sehr ähnlich. Das wirft die Frage auf, welche Voraussetzungen allgemein nötig sind, um solche und ähnliche Galois-Theorien aufzustellen und die entsprechenden Galois-abgeschlossenen Mengen zu charakterisieren. Das Ergebnis ist eine Metatheorie, bei der die Gemeinsamkeiten in den Charakterisierungen der Galois-abgeschlossenen Mengen herausgearbeitet sind. Bereits bekannte Galois-Theorien erweisen sich als Spezialfälle dieser Metatheorie, und zwar die Galois-Theorien von partiellen Funktionen und Relationen, von mehrwertigen Funktionen und Relationen und von einstelligen Funktionen und Relationen...

A Coalgebraic View on Reachability

Coalgebras for an endofunctor provide a category-theoretic framework for modeling a wide range of state-based systems of various types. We provide an iterative construction of the reachable part of a given pointed coalgebra that is inspired by and resembles the standard breadth-first search procedure to compute the reachable part of a graph. We also study coalgebras in Kleisli categories: for a functor extending a functor on the base category, we show that the reachable part of a given pointed coalgebra can be computed in that base category

Modal Rules are Co-Implications

In [13], it was shown that modal logic for coalgebras dualises—concerning definability— equational logic for algebras. This paper establishes that, similarly, modal rules dualise implications:It is shown that a class of coalgebras is definable by modal rules iff it is closed under H (images) and Σ (disjoint unions). As a corollary the expressive power of rules of infinitary modal logic on Kripke frames is characterised

Modal Rules are Co-Implications

In [13], it was shown that modal logic for coalgebras dualises—concerning definability— equational logic for algebras. This paper establishes that, similarly, modal rules dualise implications:It is shown that a class of coalgebras is definable by modal rules iff it is closed under H (images) and Σ (disjoint unions). As a corollary the expressive power of rules of infinitary modal logic on Kripke frames is characterised

Categories for Dynamic Epistemic Logic

The primary goal of this paper is to recast the semantics of modal logic, and dynamic epistemic logic (DEL) in particular, in category-theoretic terms. We first review the category of relations and categories of Kripke frames, with particular emphasis on the duality between relations and adjoint homomorphisms. Using these categories, we then reformulate the semantics of DEL in a more categorical and algebraic form. Several virtues of the new formulation will be demonstrated: The DEL idea of updating a model into another is captured naturally by the categorical perspective -- which emphasizes a family of objects and structural relationships among them, as opposed to a single object and structure on it. Also, the categorical semantics of DEL can be merged straightforwardly with a standard categorical semantics for first-order logic, providing a semantics for first-order DEL.Comment: In Proceedings TARK 2017, arXiv:1707.0825

How to write a coequation

There is a large amount of literature on the topic of covarieties, coequations and coequational specifications, dating back to the early seventies. Nevertheless, coequations have not (yet) emerged as an everyday practical specification formalism for computer scientists. In this review paper, we argue that this is partly due to the multitude of syntaxes for writing down coequations, which seems to have led to some confusion about what coequations are and what they are for. By surveying the literature, we identify four types of syntaxes: coequations-as-corelations, coequations-as-predicates, coequations-as-equations, and coequations-as-modal-formulas. We present each of these in a tutorial fashion, relate them to each other, and discuss their respective uses

Quantitative Graded Semantics and Spectra of Behavioural Metrics

Behavioural metrics provide a quantitative refinement of classical two-valued behavioural equivalences on systems with quantitative data, such as metric or probabilistic transition systems. In analogy to the classical linear-time/branching-time spectrum of two-valued behavioural equivalences on transition systems, behavioural metrics come in various degrees of granularity, depending on the observer's ability to interact with the system. Graded monads have been shown to provide a unifying framework for spectra of behavioural equivalences. Here, we transfer this principle to spectra of behavioural metrics, working at a coalgebraic level of generality, that is, parametrically in the system type. In the ensuing development of quantitative graded semantics, we discuss presentations of graded monads on the category of metric spaces in terms of graded quantitative equational theories. Moreover, we obtain a canonical generic notion of invariant real-valued modal logic, and provide criteria for such logics to be expressive in the sense that logical distance coincides with the respective behavioural distance. We thus recover recent expressiveness results for coalgebraic branching-time metrics and for trace distance in metric transition systems; moreover, we obtain a new expressiveness result for trace semantics of fuzzy transition systems. We also provide a number of salient negative results. In particular, we show that trace distance on probabilistic metric transition systems does not admit a characteristic real-valued modal logic at all