The Complexity of Datalog on Linear Orders

We study the program complexity of datalog on both finite and infinite linear orders. Our main result states that on all linear orders with at least two elements, the nonemptiness problem for datalog is EXPTIME-complete. While containment of the nonemptiness problem in EXPTIME is known for finite linear orders and actually for arbitrary finite structures, it is not obvious for infinite linear orders. It sharply contrasts the situation on other infinite structures; for example, the datalog nonemptiness problem on an infinite successor structure is undecidable. We extend our upper bound results to infinite linear orders with constants. As an application, we show that the datalog nonemptiness problem on Allen's interval algebra is EXPTIME-complete.Comment: 21 page

Datalog on infinite structures

Datalog ist die relationale Variante der logischen Programmierung und ist eine Standard-Abfragesprache in der Datenbankentheorie geworden. Die Programmkomplexität von Datalog im bisherigen Hauptanwendungsgebiet, auf endlichen Strukturen, ist bekanntermassen in EXPTIME. Wir untersuchen die Komplexität von Datalog auf unendlichen Strukturen, motiviert durch mögliche Anwendungen von Datalog auf unendlichen Strukturen (z.B. linearen Ordnungen) im zeitlichen und räumlichen Schliessen, aber auch durch das aufkommende Interesse an unendlichen Strukturen bei verwandten theoretischen Problemen, wie Constraint Satisfaction Problems (CSP): Im Gegensatz zu endlichen Strukturen können Datalog-Berechnungen auf unendlichen Strukturen unendlich lange dauern, was zur Unentscheidbarkeit von Datalog auf unendlichen Strukturen führen kann. Aber auch in den entscheidbaren Fällen kann die Komplexität von Datalog auf unendlichen Strukturen beliebig hoch sein. Im Hinblick auf dieses Ergebnis widmen wir uns dann unendlichen Strukturen mit der niedrigsten Komplexität von Datalog: Wir zeigen, dass Datalog auf linearen Ordnungen (auch dichte und diskrete, mit oder ohne Konstanten und sogar gefärbte) und Baumordnungen EXPTIME-vollständig ist. Für die Bestimmung der oberen Schranke werden Werkzeuge für Datalog auf Ordnungen eingeführt: Ordnungstypen, Abstandstypen und typdisjunkte Programme. Die Typkonzepte liefern eine endliche Beschreibung der unendlichen Programmergebnisse und könnten auch für praktische Anwendungen von Interesse sein. Wir erzeugen spezielle typdisjunkte Programme, die sich ohne Rekursion lösen lassen. Ein Transfer unserer Methoden auf CSPs zeigt, dass CSPs auf unendlichen Strukturen mit beliebig hoher Zeitkomplexität vorkommen, wie Datalog.Datalog is the relational variant of logic programming and has become a standard query language in database theory. The (program) complexity of datalog in its main context so far, on finite databases, is well known to be in EXPTIME. We research the complexity of datalog on infinite databases, motivated by possible applications of datalog to infinite structures (e.g. linear orders) in temporal and spatial reasoning on one hand and the upcoming interest in infinite structures in problems related to datalog, like constraint satisfaction problems: Unlike datalog on finite databases, on infinite structures the computations may take infinitely long, leading to the undecidability of datalog on some infinite structures. But even in the decidable cases datalog on infinite structures may have arbitrarily high complexity, and because of this result, we research some structures with the lowest complexity of datalog on infinite structures: Datalog on linear orders (also dense or discrete, with and without constants, even colored) and tree orders has EXPTIME-complete complexity. To achieve the upper bound on these structures, we introduce a tool set specialized for datalog on orders: Order types, distance types and type disjoint programs. The type concept yields a finite representation of the infinite program results, which could also be of interest for practical applications. We create special type disjoint versions of the programs allowing to solve datalog without the recursion inherent in each datalog program. A transfer of our methods shows that constraint satisfaction problems on infinite structures occur with arbitrarily high time complexity, like datalog