Refinement of Classical Proofs for Program Extraction

The A-Translation enables us to unravel the computational information in classical proofs, by first transforming them into constructive ones, however at the cost of introducing redundancies in the extracted code. This is due to the fact that all negations inserted during translation are replaced by the computationally relevant form of the goal. In this thesis we are concerned with eliminating such redundancies, in order to obtain better extracted programs. For this, we propose two methods: a controlled and minimal insertion of negations, such that a refinement of the A-Translation can be used and an algorithmic decoration of the proofs, in order to mark the computationally irrelevant components. By restricting the logic to be minimal, the Double Negation Translation is no longer necessary. On this fragment of minimal logic we apply the refined A-Translation, as proposed in (Berget et al., 2002). This method identifies further selected classes of formulas for which the negations do not need to be substituted by computationally relevant formulas. However, the refinement imposes restrictions which considerably narrow the applicability domain of the A-Translation. We address this issue by proposing a controlled insertion of double negations, with the benefit that some intuitionistically valid \Pi^0_2-formulas become provable in minimal logic and that certain formulas are transformed to match the requirements of the refined A-Translation. We present the outcome of applying the refined A-translation to a series of examples. Their purpose is two folded. On one hand, they serve as case studies for the role played by negations, by shedding a light on the restrictions imposed by the translation method. On the other hand, the extracted programs are characterized by a specific behaviour: they adhere to the continuation passing style and the recursion is in general in tail form. The second improvement concerns the detection of the computationally irrelevant subformulas, such that no terms are extracted from them. In order to achieve this, we assign decorations to the implication and universal quantifier. The algorithm that we propose is shown to be optimal, correct and terminating and is applied on the examples of factorial and list reversal.Die A-Übersetzung ermöglicht es, die rechnerische Information aus klassischen Beweisen einzuholen. Dennoch hat sie den Nachteil, dass die Programme, die man aus auf diese Weise transformierten Beweisen extrahiert, viele redundante Teile enthalten. Das liegt daran, dass die A-Übersetzung viele doppelte Negationen hinzufügt und alle diese Negationen durch die rechnerisch relevante Form der Ziel-Formel substituiert werden. In dieser Doktorarbeit werden Methoden dargestellt, um Teile der redundante Information in den extrahierten Programen zu entfernen. Einerseits wird das Einfügen der Negationen minimal gehalten und anderseits werden die nicht rechnerischen Teile als solche indentifiziert und ausgezeichnet. Wir bemerken zuerst, dass in der Minimallogik das Einfügen der doppelten Negationen nicht mehr nötig ist. Darüber hinaus, um das Ersetzen aller Negationen zu vermeiden, identifizieren (Berger et al., 2002) diejenigen, wo die Substitution nicht nötig ist. Diese verfeinerte A-Übersetzung hat aber den Nachteil, dass sie den Anwendungsbereich begrenzt. Um das zu beseitigen, wird in dieser Dissertation eine verfeinerte Doppel-Negation angewandt, die bestimmte Formeln so umsetzt, dass die verfeinerte A-Übersetzung darauf anwendbar ist. Als Zugabe kann diese Methode auch benutzt werden, um konstruktive Beweise mancher \Pi^0_2-Formeln in der Minimallogik durchzuführen. Dieses Verfahren wird durch Anwendung der verfeinerten A-Übersetzung auf eine Reihe von bedeutenden Fallstudien illustriert. Es werden das Lemma von Dickson, das unendliche Schubfachprinzip und das Erdös-Szekeres Theorem betrachtet. Dabei wird es festgestellt, dass ein Zusammenhang zu der Endrekursion und dem Rechnen mit Fortsezungen besteht. Ferner, um möglichst viel der überflüssigen Information zu entfernen, wird ein Dekorationsalgorithmus vorgelegt. Dadurch werden die rechnerisch irrelevanten Komponenten identifiziert und entsprechend annotiert, so dass sie während der Extraktion nicht berücksichtigt werden. Es wird gezeigt, dass das vorgeschlagene Dekorationsverfahren, das auf Beweisebene eingesetzt wird, optimal, korrekt und terminierend ist

Dynamic remeshing and applications

Triangle meshes are a flexible and generally accepted boundary representation for complex geometric shapes. In addition to their geometric qualities such as for instance smoothness, feature sensitivity ,or topological simplicity, intrinsic qualities such as the shape of the triangles, their distribution on the surface and the connectivity is essential for many algorithms working on them. In this thesis we present a flexible and efficient remeshing framework that improves these "intrinsic\u27; properties while keeping the mesh geometrically close to the original surface. We use a particle system approach and combine it with an iterative remeshing process in order to trim the mesh towards the requirements imposed by different applications. The particle system approach distributes the vertices on the mesh with respect to a user-defined scalar-field, whereas the iterative remeshing is done by means of "Dynamic Meshes\u27;, a combination of local topological operators that lead to a good natured connectivity. A dynamic skeleton ensures that our approach is able to preserve surface features, which are particularly important for the visual quality of the mesh. None of the algorithms requires a global parameterization or patch layouting in a preprocessing step, but works with simple local parameterizations instead. In the second part of this work we will show how to apply this remeshing framework in several applications scenarios. In particular we will elaborate on interactive remeshing, dynamic, interactive multiresolution modeling, semiregular remeshing and mesh simplification and we will show how the users can adapt the involved algorithms in a way that the resulting mesh meets their personal requirements

Towards a Mobile Temporal Logic of Actions

I would like to thank my supervisor Fred Kröger. He was willing to discuss at any time, and I could always rely on his full support. I am also thankful to him for his encouragement, especially in some of the rather dragging phases of my work. I am particularly grateful to Stephan Merz. Without his constant support and admirable patience throughout the whole period of writing I probably would not have been able to finish this thesis. I have not only benefited from his extraordinary professional competence, but have also taken advantage of his exceptional human qualities. I also would like to express my gratitude towards Martin Wirsing for providing me with a pleasant working environment by taking me into his group. He always has shown much interest in my work. The idea for the subject of this thesis was initiated by him and Stephan Merz. I feel a need to thank all my friends and my family for not leaving me alone, not even in times when I tended to be almost unbearable... I am aware that I have demanded much of you by asking to share the burden with me. Thank you for no

Online problems and two-player games : algorithms and analysis

In this thesis we study three problems that are adversarial in nature. Such problems can be viewed as a game between an algorithm and an adversary, where the adversary always tries to force the algorithm into worst-case scenarios during its execution. Many real world problems with inherent uncertainty or lack of information fit into this model. For instance, it includes the vast field of online problems where the input is only partially available and an adversary reveals the complete input gradually over time (online fashion). The algorithm has to perform efficiently under this uncertainty. In contrast to the online setting, in an offline setting, the complete input is available in the beginning. The first problem that we investigate is a classical online scheduling problem where a sequence of jobs that arrive online have to be assigned to a set of identical machines with the objective of minimizing the maximum load. We study a natural generalization of this problem where we allow migration of already scheduled jobs to other machines upon the arrival of a new job, thus bridging the gap between online and offline setting. Already for a small amount of migration, our result compares with the best results to date in both online and offline settings. From the point of view of sensitivity analysis, our results imply that, only small changes are to be made to the current schedule to accommodate a new job, if we are satisfied with near optimal solution. The other online problem that we study is the well-known metrical task systems problem. We present a probabilistic analysis of the well-known text book algorithm called the work function algorithm. Besides average-case analysis we also present smoothed analysis, which is a notion introduced recently as a hybrid between worst-case and average-case analysis. Our analysis reveals that the performance of this algorithm is much better than worst-case for a large class of inputs. This motivates us to support smoothed analysis as an alternative model for evaluating the performance of online algorithms. The third problem that we investigate is a pursuit-evasion game: an algorithm (the pursuer) has to find/catch an adversary that is \u27hiding\u27; in a graph where both players can travel in the graph. This problem belongs to the rich field of search games and it addresses the question of how long it takes for the pursuer to find the evader in a given graph that, for example, corresponds to a computer network or a geographic terrain. Such game models are also used to design efficient communication protocols. We present improved results against adversaries with varying power and also present tight lower bounds.In der vorliegenden Arbeit beschäftigen wir uns mit drei Problemen, welche als eine Art Spiel zwischen einem Algorithmus und seinem Gegenspieler interpretiert werden können. In diesem Spiel versucht der Gegenspieler, den Algorithmus während seiner Ausführung in sein Worst-Case Verhalten zu zwingen. Eine Vielzahl von praxisrelevanten Problemen, in denen nicht von Beginn an die volle Information über die Eingabeinstanz zur Verfügung steht, lassen sich als derartige Spiele modellieren. Zu dieser Klasse von Problemen gehören z. B. auch online Probleme, in denen der Gegenspieler die Eingabeinstanz für den Algorithmus online, d. h. während der Ausführung des Algorithmus, spezifiziert. Das Ziel des Algorithmus ist es, auf dieser so spezifizierten Instanz möglichst effizient zu sein. Im Gegensatz zum online Szenario kennt der Algorithmus im offline Szenario die gesamte Eingabeinstanz gleich von Beginn an. Im online Szenario wird die Effizienz eines (online) Algorithmus anhand seines Competitive Ratio gemessen. Ein Algorithmus ist c-competitive, wenn die Kosten, die der Algorithmus auf einer beliebigen online Eingabe verursacht, maximal einen Faktor c von den Kosten eines optimalen (offline) Algorithmus, der die gesamte Eingabe kennt, entfernt ist. Das erste Problem, dass wir betrachten, ist ein klassisches Scheduling Problem, in dem Jobs online eintreffen und auf identischen parallelen Maschinen verteilt werden müssen. Das Ziel ist es, die maximale Maschinenlast zu minimieren. Das zweite online Problem, dass wir betrachten, ist das Metrical Task System Problem. Als drittes Problem analysieren wir ein "Katz-und-Maus-Spiel\u27;: eine Katze (der Algorithmus) und eine Maus (der Gegenspieler) befinden sich in einem Graphen und die Katze versucht, die Maus zu fangen

Network-Integrated Multimedia Middleware, Services, and Applications

Today, there is a strong trend towards networked multimedia devices. However, common multimedia software architectures are restricted to perform all processing on a single system. Available software infrastructures for distributed computing — commonly referred to as middleware — only partly provide the facilities needed for supporting multimedia in distributed and dynamic environments. Approaches from the research community only focus on specific aspects and do not achieve the coverage needed for a full-featured multimedia middleware solution. The Network-Integrated Multimedia Middleware (NMM) presented in this thesis considers the network as an integral part. Despite the inherent heterogeneity of present networking and device technologies, the architecture allows to extend control and cooperation to the network and enables the development of distributed multimedia applications that transparently use local and remote components in combination. The base architecture of this middleware is augmented by several middleware services that especially aim at providing additional support for developing complex applications that involve mobile users and devices. To this end, previously not available services and corresponding abstractions are proposed, realized, and evaluated. The performance and applicability of the developed middleware and its additional services are demonstrated by describing different realized application scenarios.Eine wachsende Anzahl von Multimedia-Geraeten verfuegt heute bereits ueber Netzwerkschnittstellen. Verfueugbare Multimedia Software-Architekturen beschraeanken jedoch die gesamte Datenverarbeitung auf ein einzelnes System. Verbreitete Software-Infrastrukturen fuer Verteilte Systeme — ueblicherweise Middleware genannt — bieten nur teilweise die Eigenschaften, die fuer die Multimedia-Datenverarbeitung in vernetzten und dynamischen Umgebungen benoetigt werden. Ansaetze aus der Forschung behandeln nur spezielle Teilaspekte und erreichen deshalb nicht den Funktionsumfang einer vollwertigen Middleware fuer Multimedia. Die in dieser Arbeit beschriebene Netzwerk-Integrierte Multimedia Middleware (NMM) betrachtet das Netzwerk als integralen Bestandteil. Die Architektur erlaubt trotz der inhaerenten Heterogenitaet der vorhandenen Netzwerk- und Geraetetechnologie die Kontrolle und das Zusammenspiel von Systemen auf das Netzwerk auszuweiten. Dies ermoeglicht die Entwicklung verteilter Multimedia-Anwendungen, die transparent lokale und entfernte Komponenten zusammen einsetzen. Die Kernarchitektur dieser Middleware wird durch verschiedene Dienste erweitert, die speziell die Realisierung komplexer Anwendungsszenarien mitmobilen Geraeten und Benutzern unterstuetzt. Insbesondere werden neue, bisher nicht vorhandene Middleware-Dienste und zugehoerige Abstraktionen vorgeschlagen, realisiert und evaluiert. Anhand verschiedener Anwendungsszenarien wird die Leistungfaehigkeit, die Effizienz und die praktische Relevanz der entwickelten Middleware und der ergaenzenden Dienste demonstriert