Weighted Branching Automata: Combining Concurrency and Weights

Eine der stärksten Erweiterungen der klassischen Theorie formaler Sprachen und Automaten ist die Einbeziehung von Gewichten oder Vielfachheiten aus einem Halbring. Diese Dissertation untersucht gewichtete Automaten über Strukturen mit Nebenläufigkeit. Wir erweitern die Arbeit von Lodaya und Weil und erhalten so ein Modell gewichteter verzweigender Automaten, in dem die Berechnung des Gewichts einer parallelen Komposition anders als die einer sequentiellen Komposition gehandhabt wird. Die von Lodaya und Weil eingeführten Automaten modellieren Nebenläufigkeit durch Verzweigen. Ein verzweigender Automat ist ein endlicher Automat mit drei verschiedenen Typen von Transitionen. Sequentielle Transitionen überführen durch Ausführen eines Ereignisses einen Zustand in einen anderen. Dagegen sind Gabel- und Binde-Transitionen für das Verzweigen verantwortlich. Läufe dieser Automaten werden beschrieben durch sequentiell-parallele posets, kurz sp-posets. Alle Transitionen des Automaten werden in unserem Modell mit Gewichten versehen. Neben dem Nichtdeterminismus und der sequentiellen Komposition wollen wir nun auch die parallele Komposition quantitativ behandeln. Dafür benötigen wir eine Gewichtsstruktur mit einer Addition, einer sequentiellen und einer parallelen Multiplikation. Solch eine Struktur, genannt Bihalbring, besteht damit de facto aus zwei Halbringen mit derselben additiven Struktur. Weiterhin muss die parallele Multiplikation kommutativ sein. Das Verhalten eines gewichteten verzweigenden Automaten ist dann eine Funktion, die jeder sp-poset ein Element eines Bihalbrings zuordnet. Das Hauptresultat charakterisiert das Verhalten dieser Automaten im Sinne von Kleenes und Schützenbergers Sätzen über das Zusammenfallen der Klassen der erkennbaren und der rationalen Sprachen bzw. formalen Potenzreihen. Darüber hinaus untersuchen wir den Abschluss dieser Verhalten unter allen rationalen Operationen und unter dem Hadamard-Produkt. Letztlich diskutieren wir Zusammenhänge zwischen Reihen und Sprachen im Rahmen verzweigender Automaten.One of the most powerful extensions of classical formal language and automata theory is the consideration of weights or multiplicities from a semiring. This thesis investigates weighted automata over structures incorporating concurrency. Extending work by Lodaya and Weil, we propose a model of weighted branching automata in which the calculation of the weight of a parallel composition is handled differently from the calculation of the weight of a sequential composition. The automata as proposed by Lodaya and Weil model concurrency by branching. A branching automaton is a finite-state device with three different types of transitions. Sequential transitions transform a state into another one by executing an action. In contrast, fork and join transitions are responsible for branching. Executions of such systems can be described by sequential-parallel posets, or sp-posets for short. In the model considered here all kinds of transitions are equipped with weights. Beside non-determinism and sequential composition we would like to deal with the parallel composition in a quantitative way. Therefore, we are in need of a weight structure equipped with addition, a sequential, and, moreover, a parallel multiplication. Such a structure, called a bisemiring, is actually composed of two semirings with the same additive structure. Moreover, the parallel multiplication has to be commutative. Now, the behavior of a weighted branching automaton is a function that associates with every sp-poset an element from the bisemiring. The main result characterizes the behavior of these automata in the spirit of Kleene's and Schützenberger's theorems about the coincidence of recognizable and rational languages, and formal power series, respectively. Moreover, we investigate the closure of behaviors under all rational operations and under Hadamard-product. Finally, we discuss connections between series and languages within our setting

Propositional Dynamic Logic for Message-Passing Systems

We examine a bidirectional propositional dynamic logic (PDL) for finite and infinite message sequence charts (MSCs) extending LTL and TLC-. By this kind of multi-modal logic we can express properties both in the entire future and in the past of an event. Path expressions strengthen the classical until operator of temporal logic. For every formula defining an MSC language, we construct a communicating finite-state machine (CFM) accepting the same language. The CFM obtained has size exponential in the size of the formula. This synthesis problem is solved in full generality, i.e., also for MSCs with unbounded channels. The model checking problem for CFMs and HMSCs turns out to be in PSPACE for existentially bounded MSCs. Finally, we show that, for PDL with intersection, the semantics of a formula cannot be captured by a CFM anymore

Weighted Branching Automata: Combining Concurrency and Weights

Eine der stärksten Erweiterungen der klassischen Theorie formaler Sprachen und Automaten ist die Einbeziehung von Gewichten oder Vielfachheiten aus einem Halbring. Diese Dissertation untersucht gewichtete Automaten über Strukturen mit Nebenläufigkeit. Wir erweitern die Arbeit von Lodaya und Weil und erhalten so ein Modell gewichteter verzweigender Automaten, in dem die Berechnung des Gewichts einer parallelen Komposition anders als die einer sequentiellen Komposition gehandhabt wird. Die von Lodaya und Weil eingeführten Automaten modellieren Nebenläufigkeit durch Verzweigen. Ein verzweigender Automat ist ein endlicher Automat mit drei verschiedenen Typen von Transitionen. Sequentielle Transitionen überführen durch Ausführen eines Ereignisses einen Zustand in einen anderen. Dagegen sind Gabel- und Binde-Transitionen für das Verzweigen verantwortlich. Läufe dieser Automaten werden beschrieben durch sequentiell-parallele posets, kurz sp-posets. Alle Transitionen des Automaten werden in unserem Modell mit Gewichten versehen. Neben dem Nichtdeterminismus und der sequentiellen Komposition wollen wir nun auch die parallele Komposition quantitativ behandeln. Dafür benötigen wir eine Gewichtsstruktur mit einer Addition, einer sequentiellen und einer parallelen Multiplikation. Solch eine Struktur, genannt Bihalbring, besteht damit de facto aus zwei Halbringen mit derselben additiven Struktur. Weiterhin muss die parallele Multiplikation kommutativ sein. Das Verhalten eines gewichteten verzweigenden Automaten ist dann eine Funktion, die jeder sp-poset ein Element eines Bihalbrings zuordnet. Das Hauptresultat charakterisiert das Verhalten dieser Automaten im Sinne von Kleenes und Schützenbergers Sätzen über das Zusammenfallen der Klassen der erkennbaren und der rationalen Sprachen bzw. formalen Potenzreihen. Darüber hinaus untersuchen wir den Abschluss dieser Verhalten unter allen rationalen Operationen und unter dem Hadamard-Produkt. Letztlich diskutieren wir Zusammenhänge zwischen Reihen und Sprachen im Rahmen verzweigender Automaten.One of the most powerful extensions of classical formal language and automata theory is the consideration of weights or multiplicities from a semiring. This thesis investigates weighted automata over structures incorporating concurrency. Extending work by Lodaya and Weil, we propose a model of weighted branching automata in which the calculation of the weight of a parallel composition is handled differently from the calculation of the weight of a sequential composition. The automata as proposed by Lodaya and Weil model concurrency by branching. A branching automaton is a finite-state device with three different types of transitions. Sequential transitions transform a state into another one by executing an action. In contrast, fork and join transitions are responsible for branching. Executions of such systems can be described by sequential-parallel posets, or sp-posets for short. In the model considered here all kinds of transitions are equipped with weights. Beside non-determinism and sequential composition we would like to deal with the parallel composition in a quantitative way. Therefore, we are in need of a weight structure equipped with addition, a sequential, and, moreover, a parallel multiplication. Such a structure, called a bisemiring, is actually composed of two semirings with the same additive structure. Moreover, the parallel multiplication has to be commutative. Now, the behavior of a weighted branching automaton is a function that associates with every sp-poset an element from the bisemiring. The main result characterizes the behavior of these automata in the spirit of Kleene's and Schützenberger's theorems about the coincidence of recognizable and rational languages, and formal power series, respectively. Moreover, we investigate the closure of behaviors under all rational operations and under Hadamard-product. Finally, we discuss connections between series and languages within our setting

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b/4 a/

Weighted Branching Automata Combining Concurrency and Weights

Eine der stärksten Erweiterungen der klassischen Theorie formaler Sprachen und Automaten ist die Einbeziehung von Gewichten oder Vielfachheiten aus einem Halbring. Diese Dissertation untersucht gewichtete Automaten über Strukturen mit Nebenläufigkeit. Wir erweitern die Arbeit von Lodaya und Weil und erhalten so ein Modell gewichteter verzweigender Automaten, in dem die Berechnung des Gewichts einer parallelen Komposition anders als die einer sequentiellen Komposition gehandhabt wird. Die von Lodaya und Weil eingeführten Automaten modellieren Nebenläufigkeit durch Verzweigen. Ein verzweigender Automat ist ein endlicher Automat mit drei verschiedenen Typen von Transitionen. Sequentielle Transitionen überführen durch Ausführen eines Ereignisses einen Zustand in einen anderen. Dagegen sind Gabel- und Binde-Transitionen für das Verzweigen verantwortlich. Läufe dieser Automaten werden beschrieben durch sequentiell-parallele posets, kurz sp-posets. Alle Transitionen des Automaten werden in unserem Modell mit Gewichten versehen. Neben dem Nichtdeterminismus und der sequentiellen Komposition wollen wir nun auch die parallele Komposition quantitativ behandeln. Dafür benötigen wir eine Gewichtsstruktur mit einer Addition, einer sequentiellen und einer parallelen Multiplikation. Solch eine Struktur, genannt Bihalbring, besteht damit de facto aus zwei Halbringen mit derselben additiven Struktur. Weiterhin muss die parallele Multiplikation kommutativ sein. Das Verhalten eines gewichteten verzweigenden Automaten ist dann eine Funktion, die jeder sp-poset ein Element eines Bihalbrings zuordnet. Das Hauptresultat charakterisiert das Verhalten dieser Automaten im Sinne von Kleenes und Schützenbergers Sätzen über das Zusammenfallen der Klassen der erkennbaren und der rationalen Sprachen bzw. formalen Potenzreihen. Darüber hinaus untersuchen wir den Abschluss dieser Verhalten unter allen rationalen Operationen und unter dem Hadamard-Produkt. Letztlich diskutieren wir Zusammenhänge zwischen Reihen und Sprachen im Rahmen verzweigender Automaten.One of the most powerful extensions of classical formal language and automata theory is the consideration of weights or multiplicities from a semiring. This thesis investigates weighted automata over structures incorporating concurrency. Extending work by Lodaya and Weil, we propose a model of weighted branching automata in which the calculation of the weight of a parallel composition is handled differently from the calculation of the weight of a sequential composition. The automata as proposed by Lodaya and Weil model concurrency by branching. A branching automaton is a finite-state device with three different types of transitions. Sequential transitions transform a state into another one by executing an action. In contrast, fork and join transitions are responsible for branching. Executions of such systems can be described by sequential-parallel posets, or sp-posets for short. In the model considered here all kinds of transitions are equipped with weights. Beside non-determinism and sequential composition we would like to deal with the parallel composition in a quantitative way. Therefore, we are in need of a weight structure equipped with addition, a sequential, and, moreover, a parallel multiplication. Such a structure, called a bisemiring, is actually composed of two semirings with the same additive structure. Moreover, the parallel multiplication has to be commutative. Now, the behavior of a weighted branching automaton is a function that associates with every sp-poset an element from the bisemiring. The main result characterizes the behavior of these automata in the spirit of Kleene's and Schützenberger's theorems about the coincidence of recognizable and rational languages, and formal power series, respectively. Moreover, we investigate the closure of behaviors under all rational operations and under Hadamard-product. Finally, we discuss connections between series and languages within our setting

Construction of tree automata from regular expressions

Since recognizable tree languages are closed under the rational operations, every regular tree expression denotes a recognizable tree language. We provide an alternative proof to this fact that results in smaller tree automata. To this aim, we transfer Antimirov's partial derivatives from regular word expressions to regular tree expressions. For an analysis of the size of the resulting automaton as well as for algorithmic improvements, we also transfer the methods of Champarnaud and Ziadi from words to trees

Propositional Dynamic Logic for Message-Passing Systems

We examine a bidirectional propositional dynamic logic (PDL) for finite and infinite message sequence charts (MSCs) extending LTL and TLC-. By this kind of multi-modal logic we can express properties both in the entire future and in the past of an event. Path expressions strengthen the classical until operator of temporal logic. For every formula defining an MSC language, we construct a communicating finite-state machine (CFM) accepting the same language. The CFM obtained has size exponential in the size of the formula. This synthesis problem is solved in full generality, i.e., also for MSCs with unbounded channels. The model checking problem for CFMs and HMSCs turns out to be in PSPACE for existentially bounded MSCs. Finally, we show that, for PDL with intersection, the semantics of a formula cannot be captured by a CFM anymore