The First-Order Theory of Sets with Cardinality Constraints is Decidable

We show that the decidability of the first-order theory of the language that combines Boolean algebras of sets of uninterpreted elements with Presburger arithmetic operations. We thereby disprove a recent conjecture that this theory is undecidable. Our language allows relating the cardinalities of sets to the values of integer variables, and can distinguish finite and infinite sets. We use quantifier elimination to show the decidability and obtain an elementary upper bound on the complexity. Precise program analyses can use our decidability result to verify representation invariants of data structures that use an integer field to represent the number of stored elements.Comment: 18 page

Mechanised metamathematics : an investigation of first-order logic and set theory in constructive type theory

In this thesis, we investigate several key results in the canon of metamathematics, applying the contemporary perspective of formalisation in constructive type theory and mechanisation in the Coq proof assistant. Concretely, we consider the central completeness, undecidability, and incompleteness theorems of first-order logic as well as properties of the axiom of choice and the continuum hypothesis in axiomatic set theory. Due to their fundamental role in the foundations of mathematics and their technical intricacies, these results have a long tradition in the codification as standard literature and, in more recent investigations, increasingly serve as a benchmark for computer mechanisation. With the present thesis, we continue this tradition by uniformly analysing the aforementioned cornerstones of metamathematics in the formal framework of constructive type theory. This programme offers novel insights into the constructive content of completeness, a synthetic approach to undecidability and incompleteness that largely eliminates the notorious tedium obscuring the essence of their proofs, as well as natural representations of set theory in the form of a second-order axiomatisation and of a fully type-theoretic account. The mechanisation concerning first-order logic is organised as a comprehensive Coq library open to usage and contribution by external users.In dieser Doktorarbeit werden einige Schlüsselergebnisse aus dem Kanon der Metamathematik untersucht, unter Verwendung der zeitgenössischen Perspektive von Formalisierung in konstruktiver Typtheorie und Mechanisierung mit Hilfe des Beweisassistenten Coq. Konkret werden die zentralen Vollständigkeits-, Unentscheidbarkeits- und Unvollständigkeitsergebnisse der Logik erster Ordnung sowie Eigenschaften des Auswahlaxioms und der Kontinuumshypothese in axiomatischer Mengenlehre betrachtet. Aufgrund ihrer fundamentalen Rolle in der Fundierung der Mathematik und ihrer technischen Schwierigkeiten, besitzen diese Ergebnisse eine lange Tradition der Kodifizierung als Standardliteratur und, besonders in jüngeren Untersuchungen, eine zunehmende Bedeutung als Maßstab für Mechanisierung mit Computern. Mit der vorliegenden Doktorarbeit wird diese Tradition fortgeführt, indem die zuvorgenannten Grundpfeiler der Methamatematik uniform im formalen Rahmen der konstruktiven Typtheorie analysiert werden. Dieses Programm ermöglicht neue Einsichten in den konstruktiven Gehalt von Vollständigkeit, einen synthetischen Ansatz für Unentscheidbarkeit und Unvollständigkeit, der großteils den berüchtigten, die Essenz der Beweise verdeckenden, technischen Aufwand eliminiert, sowie natürliche Repräsentationen von Mengentheorie in Form einer Axiomatisierung zweiter Ordnung und einer vollkommen typtheoretischen Darstellung. Die Mechanisierung zur Logik erster Ordnung ist als eine umfassende Coq-Bibliothek organisiert, die offen für Nutzung und Beiträge externer Anwender ist

Model Checking Synchronized Products of Infinite Transition Systems

Formal verification using the model checking paradigm has to deal with two aspects: The system models are structured, often as products of components, and the specification logic has to be expressive enough to allow the formalization of reachability properties. The present paper is a study on what can be achieved for infinite transition systems under these premises. As models we consider products of infinite transition systems with different synchronization constraints. We introduce finitely synchronized transition systems, i.e. product systems which contain only finitely many (parameterized) synchronized transitions, and show that the decidability of FO(R), first-order logic extended by reachability predicates, of the product system can be reduced to the decidability of FO(R) of the components. This result is optimal in the following sense: (1) If we allow semifinite synchronization, i.e. just in one component infinitely many transitions are synchronized, the FO(R)-theory of the product system is in general undecidable. (2) We cannot extend the expressive power of the logic under consideration. Already a weak extension of first-order logic with transitive closure, where we restrict the transitive closure operators to arity one and nesting depth two, is undecidable for an asynchronous (and hence finitely synchronized) product, namely for the infinite grid.Comment: 18 page

Synthesizing stream control

For the management of reactive systems, controllers must coordinate time, data streams, and data transformations, all joint by the high level perspective of their control flow. This control flow is required to drive the system correctly and continuously, which turns the development into a challenge. The process is error-prone, time consuming, unintuitive, and costly. An attractive alternative is to synthesize the system instead, where the developer only needs to specify the desired behavior. The synthesis engine then automatically takes care of all the technical details. However, while current algorithms for the synthesis of reactive systems are well-suited to handle control, they fail on complex data transformations due to the complexity of the comparably large data space. Thus, to overcome the challenge of explicitly handling the data we must separate data and control. We introduce Temporal Stream Logic (TSL), a logic which exclusively argues about the control of the controller, while treating data and functional transformations as interchangeable black-boxes. In TSL it is possible to specify control flow properties independently of the complexity of the handled data. Furthermore, with TSL at hand a synthesis engine can check for realizability, even without a concrete implementation of the data transformations. We present a modular development framework that first uses synthesis to identify the high level control flow of a program. If successful, the created control flow then is extended with concrete data transformations in order to be compiled into a final executable. Our results also show that the current synthesis approaches cannot replace existing manual development work flows immediately. During the development of a reactive system, the developer still may use incomplete or faulty specifications at first, that need the be refined after a subsequent inspection. In the worst case, constraints are contradictory or miss important assumptions, which leads to unrealizable specifications. In both scenarios, the developer needs additional feedback from the synthesis engine to debug errors for finally improving the system specification. To this end, we explore two further possible improvements. On the one hand, we consider output sensitive synthesis metrics, which allow to synthesize simple and well structured solutions that help the developer to understand and verify the underlying behavior quickly. On the other hand, we consider the extension of delay, whose requirement is a frequent reason for unrealizability. With both methods at hand, we resolve the aforementioned problems and therefore help the developer in the development phase with the effective creation of a safe and correct reactive system.Um reaktive Systeme zu regeln müssen Steuergeräte Zeit, Datenströme und Datentransformationen koordinieren, die durch den übergeordneten Kontrollfluss zusammengefasst werden. Die Aufgabe des Kontrollflusses ist es das System korrekt und dauerhaft zu betreiben. Die Entwicklung solcher Systeme wird dadurch zu einer Herausforderung, denn der Prozess ist fehleranfällig, zeitraubend, unintuitiv und kostspielig. Eine attraktive Alternative ist es stattdessen das System zu synthetisieren, wobei der Entwickler nur das gewünschte Verhalten des Systems festlegt. Der Syntheseapparat kümmert sich dann automatisch um alle technischen Details. Während aktuelle Algorithmen für die Synthese von reaktiven Systemen erfolgreich mit dem Kontrollanteil umgehen können, versagen sie jedoch, sobald komplexe Datentransformationen hinzukommen, aufgrund der Komplexität des vergleichsweise großen Datenraums. Daten und Kontrolle müssen demnach getrennt behandelt werden, um auch große Datenräumen effizient handhaben zu können. Wir präsentieren Temporal Stream Logic (TSL), eine Logik die ausschließlich die Kontrolle einer Steuerung betrachtet, wohingegen Daten und funktionale Datentransformationen als austauschbare Blackboxen gehandhabt werden. In TSL ist es möglich Kontrollflusseigenschaften unabhängig von der Komplexität der zugrunde liegenden Daten zu beschreiben. Des Weiteren kann ein auf TSL beruhender Syntheseapparat die Realisierbarkeit einer Spezifikation prüfen, selbst ohne die konkreten Implementierungen der Datentransformationen zu kennen. Wir präsentieren ein modulares Grundgerüst für die Entwicklung. Es verwendet zunächst den Syntheseapparat um den übergeordneten Kontrollfluss zu erzeugen. Ist dies erfolgreich, so wird der resultierende Kontrollfluss um die konkreten Implementierungen der Datentransformationen erweitert und anschließend zu einer ausführbare Anwendung kompiliert. Wir zeigen auch auf, dass bisherige Syntheseverfahren bereits existierende manuelle Entwicklungsprozesse noch nicht instantan ersetzen können. Im Verlauf der Entwicklung ist es auch weiterhin möglich, dass der Entwickler zunächst unvollständige oder fehlerhafte Spezifikationen erstellt, welche dann erst nach genauerer Betrachtung des synthetisierten Systems weiter verbessert werden können. Im schlimmsten Fall sind Anforderungen inkonsistent oder wichtige Annahmen über das Verhalten fehlen, was zu unrealisierbaren Spezifikationen führt. In beiden Fällen benötigt der Entwickler zusätzliche Rückmeldungen vom Syntheseapparat, um Fehler zu identifizieren und die Spezifikation schlussendlich zu verbessern. In diesem Zusammenhang untersuchen wir zwei mögliche Erweiterungen. Zum einen betrachten wir ausgabeabhängige Metriken, die es dem Entwickler erlauben einfache und wohlstrukturierte Lösungen zu synthetisieren die verständlich sind und deren Verhalten einfach zu verifizieren ist. Zum anderen betrachten wir die Erweiterung um Verzögerungen, welche eine der Hauptursachen für Unrealisierbarkeit darstellen. Mit beiden Methoden beheben wir die jeweils zuvor genannten Probleme und helfen damit dem Entwickler während der Entwicklungsphase auch wirklich das reaktive System zu kreieren, dass er sich auch tatsächlich vorstellt

Computability in constructive type theory

We give a formalised and machine-checked account of computability theory in the Calculus of Inductive Constructions (CIC), the constructive type theory underlying the Coq proof assistant. We first develop synthetic computability theory, pioneered by Richman, Bridges, and Bauer, where one treats all functions as computable, eliminating the need for a model of computation. We assume a novel parametric axiom for synthetic computability and give proofs of results like Rice’s theorem, the Myhill isomorphism theorem, and the existence of Post’s simple and hypersimple predicates relying on no other axioms such as Markov’s principle or choice axioms. As a second step, we introduce models of computation. We give a concise overview of definitions of various standard models and contribute machine-checked simulation proofs, posing a non-trivial engineering effort. We identify a notion of synthetic undecidability relative to a fixed halting problem, allowing axiom-free machine-checked proofs of undecidability. We contribute such undecidability proofs for the historical foundational problems of computability theory which require the identification of invariants left out in the literature and now form the basis of the Coq Library of Undecidability Proofs. We then identify the weak call-by-value λ-calculus L as sweet spot for programming in a model of computation. We introduce a certifying extraction framework and analyse an axiom stating that every function of type ℕ → ℕ is L-computable.Wir behandeln eine formalisierte und maschinengeprüfte Betrachtung von Berechenbarkeitstheorie im Calculus of Inductive Constructions (CIC), der konstruktiven Typtheorie die dem Beweisassistenten Coq zugrunde liegt. Wir entwickeln erst synthetische Berechenbarkeitstheorie, vorbereitet durch die Arbeit von Richman, Bridges und Bauer, wobei alle Funktionen als berechenbar behandelt werden, ohne Notwendigkeit eines Berechnungsmodells. Wir nehmen ein neues, parametrisches Axiom für synthetische Berechenbarkeit an und beweisen Resultate wie das Theorem von Rice, das Isomorphismus Theorem von Myhill und die Existenz von Post’s simplen und hypersimplen Prädikaten ohne Annahme von anderen Axiomen wie Markov’s Prinzip oder Auswahlaxiomen. Als zweiten Schritt führen wir Berechnungsmodelle ein. Wir geben einen kompakten Überblick über die Definition von verschiedenen Berechnungsmodellen und erklären maschinengeprüfte Simulationsbeweise zwischen diesen Modellen, welche einen hohen Konstruktionsaufwand beinhalten. Wir identifizieren einen Begriff von synthetischer Unentscheidbarkeit relativ zu einem fixierten Halteproblem welcher axiomenfreie maschinengeprüfte Unentscheidbarkeitsbeweise erlaubt. Wir erklären solche Beweise für die historisch grundlegenden Probleme der Berechenbarkeitstheorie, die das Identifizieren von Invarianten die normalerweise in der Literatur ausgelassen werden benötigen und nun die Basis der Coq Library of Undecidability Proofs bilden. Wir identifizieren dann den call-by-value λ-Kalkül L als sweet spot für die Programmierung in einem Berechnungsmodell. Wir führen ein zertifizierendes Extraktionsframework ein und analysieren ein Axiom welches postuliert dass jede Funktion vom Typ N→N L-berechenbar ist