• 検索結果がありません。

ファイル置き場 Sendai Logic Homepage 100709termimi

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2018

シェア "ファイル置き場 Sendai Logic Homepage 100709termimi"

Copied!
42
0
0

読み込み中.... (全文を見る)

全文

(1)

 

Decidability of MSO Theories 

   

東北大ロジックセミナ 金曜セミナ

 

Friday, 9 July 2010  

     

(2)

We  present  basic  results  and  techniques  related  to  the 

decidability of monadic second order (MSO) theories. 

 

 

 

Outline 

 

• Rabin’s Theorem  . 

 

• Decidability of MSO‐theory of countable linearly ordered sets 

 

 

 

(3)

Review 

 

Definition 

A Rabin automaton over Σ is  , , ,  such that  1.  is a finite set of states, 

2.  is the set of initial states, 

3. : Σ , called the transition table, and  4.    whose elements are designated subsets of  . 

 

 

 

 

(4)

Rabin’s Theorem 

 

Lemma (Rabin ’69) 

Rabin  automata  are  effectively  closed  under  union,  intersection,  complementation, and projection.                      

   

 

From now on, we will concentrate on the MSO theory of two 

successor’s structure,    

     

(5)

The MSO Logic of two successor 

We define the language for MSO of two successor.   

The symbols which we use in this logic (language) are the following:   

1. We use symbols  , , , …, called individual variables.  2. We use the symbols  , , , …, called set variables.  3. We use symbols  , . 

4.We  use  symbols    represent  the  structure  of  binary  tree  and  symbol   and   whose meaning is simply two unary operation s.t., 

,  and 

5. We use logical connectives &, , , , and quantifiers  , . 

6.We also use nonlogical symbols   and  , left and right parentheses.   

 

(6)

Satisfiability and Theories 

 

We fix the structure  , , , .   

Suppose  that  to  each  individual  variable    and  a  set  variable  ,  we  assigned an element   and a set  . 

 

i.e., we have fixed an interpretation   

 

:       ,       :    

     

(7)

We  define  satisfaction  of  Φ  on    under  the  interpretation    Φ . 

 

Definition (Basic Step) 

• , … ,  if   , … ,

• , … , , … ,   

         if    , … , , … ,

 if 

• , … , , … , , … ,  if it is indeed the case 

that the  ‐tuple  , … , , … , , … ,

       

(8)

   

Definition (Inductive Step) 

• Φ Φ  if    Φ  or  Φ . 

Φ & Φ  if     Φ  and  Φ . 

• Φ Φ  if  Φ  or  Φ   Φ . 

Φ  if  Φ . 

Φ   if    s.t.,  Φ   under  the  new   

which is the same as   except its value on   is  . 

Φ   if    s.t.,  Φ   under  the  new   

which is the same as   except its value on   is  . 

Φ  if  Φ . 

Φ  if  Φ . 

 

(9)

   

Definition 

The  formulas  Φ , … , , , … ,   and  , … , , , … ,   are  equivalent  in  a  structure    if  , … ,   and  , … ,

Φ , … , , , … ,   iff   , … , , , … ,

       

Definition 

The  MSO  theory  of  the  structure  , , ,   of  two  successor  functions is denoted by 

       

 

(10)

Definability in   and Decidability of   

 

 

Definition 

Let 

We  say  that    is  definable  if  Φ , … , , , … ,   s.t., 

, … , , , … ,  |  Φ , … , , , … , . 

 

 

 

Σ‐Valued Trees as Structures 

 

Suppose that  ,  is a Σ‐valued tree. Take a symbol  Σ.  Define subset   on  : 

,     iff      

(11)

Example 

Suppose Σ , , . Consider a Σ‐valued tree  ,  defined by:           if  | |

  if  | |   if  | |

   

This valuation defines the following subsets: 

| | , , 

| | , , 

| | ,

 

So, we have the structure  , , , , , , .   

In general, given Σ‐valued tree  ,  with Σ , … , , define  , , , , , … , . 

   

(12)

There is another way to look structure  .   

Example 

Let  Σ , , .  We  identify  the  alphabet  with  the  subset  of  the  alphabet  ,  in such a way that 

,    ,   

Now the valuation   considered in previous example can be expressed        if     | |

 if  | |  if  | |

 

 

 

(13)

The valuation   defines the pair  ,  as follows:   

 iff the   component of  .   iff the   component of  .  Similarly for  . 

 

Hence, we see that 

| | | | , 

| | | |

 

Consider the sets   and   just defined above.  The pair  ,  determines a valuation  :   

where   iff 

(14)

From Rabin Automata to Formulas 

 

Let  , , ,  be a Rabin automaton over Σ. 

Let  , … ,  and  , … ,  (denoted by  ). 

   

Define a symbol   of Σ:   

, … , ,   

where for each  ,            iff   or 

      o. w    

 

We denote this Σ‐valued tree by tree , .     

(15)

 

The opposite is also true:   

Any Σ‐valued tree  ,  defines an  ‐tuple of sets  , … , , where 

, , and  ,  

 

 iff the   component of   iff the   component of   

             

(16)

 

Theorem 

There  exists  a  procedure  which,  given  a  Rabin  automaton 

, , , , constructs a formula Φ , such that   the following  property holds: 

 accepts tree  iff  Φ  

 

Proof.  

Let  , , ,  be a given Rabin automaton.  Since   is a finite set we can also suppose that  

, , … ,   with   being the initial state. 

 

(17)

Let  Σ be of the form  

where each  , .   

We define the formula Φ , , where   is  , … , , as follows:   

Φ , , … ,   & … &   , 

 

where       if 

   if    

(18)

Let  , , … ,  be set variables.   

We write down the following formula  , where   is  , … , :   

&  &   &   

 

i.e., automaton   cannot be in two distinct states simultaneously.   

     

(19)

We define another formula Φ , , ,  such that   

 & Φ ,    &  .

, ,

 

 

Informally, the formula corresponds to the fact that:   

if   is in state  , the next input signal is  , 

then  the  automaton  splits  itself  into  two  (left  and  right)  copies  such  that  the  left  copy  is  in  state    and  the  right  copy  is  in  state    so  that 

, , . 

   

(20)

Finally, the last formula we need is the formula   which states that,  ,  &   such that the following properties hold: 

 

1.

2.  &  , if  ,  , for which   and 

 

The  formula    is  intended  to  code  the  notion  of  successful  computation. 

 

Now, we write down the desired formula Φ , … , :   

…  &   &  & , Φ , , ,  & 

(21)

Now our goal is to show that the formula Φ  satisfies the theorem.   

We need to prove:  , 

 accepts tree  iff  Φ .   

Suppose that   accepts the tree .   

Therefore,  :  s.t.,    

 |   for infinitely many 

 

(22)

We need to prove that  

Φ  

i.e., we need to show that there are subsets  , … ,  on the tree    

Φ  under the new  : , , … , . 

 

Here is how we define each  , , … , :   

 |  . 

     

(23)

Now suppose that  Φ .  To prove:   accepts tree . 

 

There are subsets  , … ,     such that  Φ

, consider set   such that  , where  . 

 

Hence we have a mapping  :  

One can check that the function  

,

is a run of   on the tree . 

Moreover, the run   is a successful run.            

(24)

From Formulas to Rabin Automata 

 

 

Definition 

Let Φ ,  be a formula and let   be a Rabin automaton over  ,  represents Φ ,  if 

 accepts tree ,  iff  Φ , .   

     

(25)

  Lemma 

Suppose  that  Rabin  automata    and    represent  the  formulas  Φ ,  and Φ , , respectively. Then there exist Rabin automata  representing 

Φ ,    Φ , , Φ , , Φ , , and  Φ , , 

where  , &, , , , , … , , , … , . 

                                    

 

Lemma 

Let  Φ  be  an  atomic  formula.  There  exists  an  automaton  which  represents Φ.                                  

(26)

Theorem 

There  exists  a  procedure  which  for  every  MSO  formula  Φ ,   constructs a Rabin automaton   representing the formula. 

   

Proof.  Note  that  Rabin  tree  automata  are  effectively  closed  under  union, intersection, complementation, and projection. 

 

The  lemma  above  proves  the  theorem  for  atomic  formulas  that  is  for  the basic step of our induction. 

 

Another  lemma  above  proves  the  inductive  step  and  hence  the 

theorem.       

(27)

Theorem 

The MSO theory of two successors   is decidable.   

 

Proof. Let Ψ be a sentence. We want to check whether or not  Ψ.   

Consider the case when the sentence Ψ has the form  Φ  

By previous theorem,  there exists a  Rabin  automaton    representing 

Φ

   

(28)

We conclude that, 

,  Φ  iff   accepts tree .    

Thus,  such that, 

Φ    iff     tree  accepted by  .  It follows that  Φ  holds in   iff  .   

Thus  we  have  reduced  the  satisfiability  problem  for  Φ   to  the  emptiness problem for a Rabin automaton representing Φ

 

Since the emptiness problem for Rabin automata is decidable, we see  that   is also decidable. The theorem is proved. 

(29)

Applications to Linear Ordered Sets 

 

 

Definition 

A  linearly  ordered  set  ,   is  embedded  into  a  linearly  ordered  set  ,  if there exists a mapping  :  such that 

1. for all  , , if  , then  2. for all distinct  , ,

The function   is called an embedding of  ,  into  , .   

   

Fact 1 

Any countable linearly ordered set  ,  can be embedded into  , ,  that is the linearly ordered set of rational numbers ordered naturally.   

(30)

Proof.   

Stage 0. 

We set 

 

Stage 1. 

We take  . There are two cases to consider: 

i)  if  , then we assign   s.t., 

ii) If  , then we set    s.t., 

 

In either case we set   and 

 

Clearly,   extends  .   

   

(31)

 

Stage t + 1. 

Assume  that  we  have  defined  the  function    at  the  previous  stage, 

such that   , … ,

 

For   we have three cases.   

Case 1. If  , … , , then we assign   such that 

, … , .   

Case 2. If  , … , , then we assign   such that 

, … , .   

Case 3. Assume that   for some  . Then 

 which is 

 

(32)

We set   has constructed such that  .   

We  can  see  that    is  indeed  a  desired  isomorphic  embedding  from 

,  into  , .                               

                             

(33)

 

Proposition 

The  linearly  order  set  of  the  rational  number  ,  has the following  two properties: 

1. (Density)  ,  if  , then   such that 

2. The  linearly  ordered  set  ,  possesses neither a greatest nor a  smallest element, i.e.,  ,  s.t.,   and  .      

     

Definition 

A  linearly  ordered  set  ,   is  ‐like  if  it  is dense  and  possesses  no  greatest or smallest element. 

   

(34)

 

Fact 2 

Two countable  ‐like linearly ordered sets are isomorphic. In particular,  every  ‐like is isomorphic  , .                      

     

Theorem 

The MSO theory of all countable linearly ordered sets is decidable.   

 

Proof. Let   be   

 |   and the string   occurs in   just once}.   

(35)

 

Lemma 

The set   is definable.                             

   

Let   be the restriction of   to the set  .     

Lemma 

The pair set  ,   is isomorphic to the linearly ordered set  , .   

 

Proof. Clearly  ,  is a linearly ordered set.   

We need to show that  ,  is  ‐like. Then by the Fact 2, the lemma  will be proved. 

(36)

Let  . Then,     and    . 

Note that     and    .  

We conclude that  ,   has no maximal or minimal elements.   

Now assume that  . Then,    such that:   

       and         . 

 

Then clearly  .  

 

We conclude that  .  

 

Hence the linearly ordered set  ,  is  ‐like.    

 

By Fact 2,  ,   is isomorphic to  , . The lemma is proved. 

(37)

Let   be a formula of the MSO logic of linearly ordered sets.   

We transform   into the formula   by induction as follows:   

Basic Step. 

Atomic  formulas    and    are  transformed  into    and  , respectively. 

   

Inductive Step.  

If Φ Φ Φ , where  , &,  or Φ Φ ,   then we set 

Φ Φ  Φ   or  Φ Φ  

 

where  , &, .    

(38)

 

If Φ is any formulas 

Φ , Φ , 

 

then we transform Φ into   

 &    Φ , 

 

 &    Φ , 

respectively.   

     

(39)

If Φ is any of the formulas   

Φ , Φ , 

 

then we transform it into   

     & Φ ,  

 

     & Φ , 

 

respectively.   

 

Now we can see that Φ is true in all countable linearly ordered sets iff  the transformed formula Φ  belongs to  .               

(40)

             

   

 

   

Emptiness of automata

(W) MSO over finite words (W) MSO over finite trees 

 

Presburger arithmetic

FO over  ,

MSO over countable 

(41)

We  briefly  review decidability  results for  MSO  logics  interpreted  over  tree structure. 

 

We did not mention: 

• fragments of MSO logics and other non‐classical logics 

(transitive  closure  logics,  ‐calculus,  interval  logics,  branching  time logic) 

 

• game theoretic problems, which deal with winning strategies over  infinite transition systems. 

 

• equivalence testing problem, which consist in deciding  isomorphism, bisimilarity, similarity, ..., etc. 

 

• Definability  and  decidability  questions  related  to  first‐order  fragments of arithmetic (Presburger arithmetic, Skolem arithmetic). 

(42)

   

…Thank you

参照

関連したドキュメント

Then the change of variables, or area formula holds for f provided removing from counting into the multiplicity function the set where f is not approximately H¨ older continuous1.

For example, a maximal embedded collection of tori in an irreducible manifold is complete as each of the component manifolds is indecomposable (any additional surface would have to

It is suggested by our method that most of the quadratic algebras for all St¨ ackel equivalence classes of 3D second order quantum superintegrable systems on conformally flat

Following Speyer, we give a non-recursive formula for the bounded octahedron recurrence using perfect matchings.. Namely, we prove that the solution of the recur- rence at some

As is well known (see [20, Corollary 3.4 and Section 4.2] for a geometric proof), the B¨ acklund transformation of the sine-Gordon equation, applied repeatedly, produces

[18] , On nontrivial solutions of some homogeneous boundary value problems for the multidi- mensional hyperbolic Euler-Poisson-Darboux equation in an unbounded domain,

Kilbas; Conditions of the existence of a classical solution of a Cauchy type problem for the diffusion equation with the Riemann-Liouville partial derivative, Differential Equations,

Since the boundary integral equation is Fredholm, the solvability theorem follows from the uniqueness theorem, which is ensured for the Neumann problem in the case of the