Two-Variable Logic over Countable Linear Orderings

We study the class of languages of finitely-labelled countable linear orderings definable in two-variable first-order logic. We give a number of characterisations, in particular an algebraic one in terms of circle monoids, using equations. This generalises the corresponding characterisation, namely variety DA, over finite words to the countable case. A corollary is that the membership in this class is decidable: for instance given an MSO formula it is possible to check if there is an equivalent two-variable logic formula over countable linear orderings. In addition, we prove that the satisfiability problems for two-variable logic over arbitrary, countable, and scattered linear orderings are NEXPTIME-complete

Two-Variable Universal Logic with Transitive Closure

We prove that the satisfiability problem for the two-variable, universal fragment of first-order logic with constants (or, alternatively phrased, for the Bernays-Schönfinkel class with two universally quantified variables) remains decidable after augmenting the fragment by the transitive closure of a single binary relation. We give a 2-NExpTime-upper bound and a 2-ExpTime-lower bound for the complexity of the problem. We also study the cases in which the number of constants is restricted. It appears that with two constants the considered fragment has the finite model property and NExpTime-complete satisfiability problem. Adding a third constant does not change the complexity but allows to construct infinity axioms. A fourth constant lifts the lower complexity bound to 2-ExpTime. Finally, we observe that we are close to the border between decidability and undecidability: adding a third variable or the transitive closure of a second binary relation lead to undecidability

Infinite games with finite knowledge gaps

Infinite games where several players seek to coordinate under imperfect information are deemed to be undecidable, unless the information is hierarchically ordered among the players. We identify a class of games for which joint winning strategies can be constructed effectively without restricting the direction of information flow. Instead, our condition requires that the players attain common knowledge about the actual state of the game over and over again along every play. We show that it is decidable whether a given game satisfies the condition, and prove tight complexity bounds for the strategy synthesis problem under $\omega$-regular winning conditions given by parity automata.Comment: 39 pages; 2nd revision; submitted to Information and Computatio

Query Answering in Probabilistic Data and Knowledge Bases

Probabilistic data and knowledge bases are becoming increasingly important in academia and industry. They are continuously extended with new data, powered by modern information extraction tools that associate probabilities with knowledge base facts. The state of the art to store and process such data is founded on probabilistic database systems, which are widely and successfully employed. Beyond all the success stories, however, such systems still lack the fundamental machinery to convey some of the valuable knowledge hidden in them to the end user, which limits their potential applications in practice. In particular, in their classical form, such systems are typically based on strong, unrealistic limitations, such as the closed-world assumption, the closed-domain assumption, the tuple-independence assumption, and the lack of commonsense knowledge. These limitations do not only lead to unwanted consequences, but also put such systems on weak footing in important tasks, querying answering being a very central one. In this thesis, we enhance probabilistic data and knowledge bases with more realistic data models, thereby allowing for better means for querying them. Building on the long endeavor of unifying logic and probability, we develop different rigorous semantics for probabilistic data and knowledge bases, analyze their computational properties and identify sources of (in)tractability and design practical scalable query answering algorithms whenever possible. To achieve this, the current work brings together some recent paradigms from logics, probabilistic inference, and database theory

Foundations of Software Science and Computation Structures

This open access book constitutes the proceedings of the 23rd International Conference on Foundations of Software Science and Computational Structures, FOSSACS 2020, which took place in Dublin, Ireland, in April 2020, and was held as Part of the European Joint Conferences on Theory and Practice of Software, ETAPS 2020. The 31 regular papers presented in this volume were carefully reviewed and selected from 98 submissions. The papers cover topics such as categorical models and logics; language theory, automata, and games; modal, spatial, and temporal logics; type theory and proof theory; concurrency theory and process calculi; rewriting theory; semantics of programming languages; program analysis, correctness, transformation, and verification; logics of programming; software specification and refinement; models of concurrent, reactive, stochastic, distributed, hybrid, and mobile systems; emerging models of computation; logical aspects of computational complexity; models of software security; and logical foundations of data bases.

Decidable fragments of first-order logic and of first-order linear arithmetic with uninterpreted predicates

First-order logic is one of the most prominent formalisms in computer science and mathematics. Since there is no algorithm capable of solving its satisfiability problem, first-order logic is said to be undecidable. The classical decision problem is the quest for a delineation between the decidable and the undecidable parts. The results presented in this thesis shed more light on the boundary and open new perspectives on the landscape of known decidable fragments. In the first part we focus on the new concept of separateness of variables and explore its applicability to the classical decision problem and beyond. Two disjoint sets of first-order variables are separated in a given formula if none of its atoms contains variables from both sets. This notion facilitates the definition of decidable extensions of many well-known decidable first-order fragments. We demonstrate this for several prefix fragments, several guarded fragments, the two-variable fragment, and for the fluted fragment. Although the extensions exhibit the same expressive power as the respective originals, certain logical properties can be expressed much more succinctly. In two cases the succinctness gap cannot be bounded using elementary functions. This fact already hints at computationally hard satisfiability problems. Indeed, we derive non-elementary lower bounds for the separated fragment, an extension of the Bernays-Schönfinkel-Ramsey fragment (E*A*-prefix sentences). On the semantic level, separateness of quantified variables may lead to weaker dependences than we encounter in general. We investigate this property in the context of model-checking games. The focus of the second part of the thesis is on linear arithmetic with uninterpreted predicates. Two novel decidable fragments are presented, both based on the Bernays-Schönfinkel-Ramsey fragment. On the negative side, we identify several small fragments of the language for which satisfiability is undecidable.Untersuchungen der Logik erster Stufe blicken auf eine lange Tradition zurück. Es ist allgemein bekannt, dass das zugehörige Erfüllbarkeitsproblem im Allgemeinen nicht algorithmisch gelöst werden kann - man spricht daher von einer unentscheidbaren Logik. Diese Beobachtung wirft ein Schlaglicht auf die prinzipiellen Grenzen der Fähigkeiten von Computern im Allgemeinen aber auch des automatischen Schließens im Besonderen. Das Hilbertsche Entscheidungsproblem wird heute als die Erforschung der Grenze zwischen entscheidbaren und unentscheidbaren Teilen der Logik erster Stufe verstanden, wobei die untersuchten Fragmente der Logik mithilfe klar zu erfassender und berechenbarer syntaktischer Eigenschaften beschrieben werden. Viele Forscher haben bereits zu dieser Untersuchung beigetragen und zahlreiche entscheidbare und unentscheidbare Fragmente entdeckt und erforscht. Die vorliegende Dissertation setzt diese Tradition mit einer Reihe vornehmlich positiver Resultate fort und eröffnet neue Blickwinkel auf eine Reihe von Fragmenten, die im Laufe der letzten einhundert Jahre untersucht wurden. Im ersten Teil der Arbeit steht das syntaktische Konzept der Separiertheit von Variablen im Mittelpunkt, und dessen Anwendbarkeit auf das Entscheidungsproblem und darüber hinaus wird erforscht. Zwei Mengen von Individuenvariablen gelten bezüglich einer gegebenen Formel als separiert, falls in jedem Atom der Formel die Variablen aus höchstens einer der beiden Mengen vorkommen. Mithilfe dieses leicht verständlichen Begriffs lassen sich viele wohlbekannte entscheidbare Fragmente der Logik erster Stufe zu größeren Klassen von Formeln erweitern, die dennoch entscheidbar sind. Dieser Ansatz wird für neun Fragmente im Detail dargelegt, darunter mehrere Präfix-Fragmente, das Zwei-Variablen-Fragment und sogenannte "guarded" und " uted" Fragmente. Dabei stellt sich heraus, dass alle erweiterten Fragmente ebenfalls das monadische Fragment erster Stufe ohne Gleichheit enthalten. Obwohl die erweiterte Syntax in den betrachteten Fällen nicht mit einer erhöhten Ausdrucksstärke einhergeht, können bestimmte Zusammenhänge mithilfe der erweiterten Syntax deutlich kürzer formuliert werden. Zumindest in zwei Fällen ist diese Diskrepanz nicht durch eine elementare Funktion zu beschränken. Dies liefert einen ersten Hinweis darauf, dass die algorithmische Lösung des Erfüllbarkeitsproblems für die erweiterten Fragmente mit sehr hohem Rechenaufwand verbunden ist. Tatsächlich wird eine nicht-elementare untere Schranke für den entsprechenden Zeitbedarf beim sogenannten separierten Fragment, einer Erweiterung des bekannten Bernays-Schönfinkel-Ramsey-Fragments, abgeleitet. Darüber hinaus wird der Ein uss der Separiertheit von Individuenvariablen auf der semantischen Ebene untersucht, wo Abhängigkeiten zwischen quantifizierten Variablen durch deren Separiertheit stark abgeschwächt werden können. Für die genauere formale Betrachtung solcher als schwach bezeichneten Abhängigkeiten wird auf sogenannte Hintikka-Spiele zurückgegriffen. Den Schwerpunkt des zweiten Teils der vorliegenden Arbeit bildet das Entscheidungsproblem für die lineare Arithmetik über den rationalen Zahlen in Verbindung mit uninterpretierten Prädikaten. Es werden zwei bislang unbekannte entscheidbare Fragmente dieser Sprache vorgestellt, die beide auf dem Bernays-Schönfinkel-Ramsey-Fragment aufbauen. Ferner werden neue negative Resultate entwickelt und mehrere unentscheidbare Fragmente vorgestellt, die lediglich einen sehr eingeschränkten Teil der Sprache benötigen