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A little more verbiage about RAs
authorNathaniel Wesley Filardo <nwf@cs.jhu.edu>
Mon, 25 Aug 2014 23:36:26 +0000 (19:36 -0400)
committerNathaniel Wesley Filardo <nwf@cs.jhu.edu>
Mon, 25 Aug 2014 23:36:26 +0000 (19:36 -0400)
biblio.bib
tree-sepex.tex
zoo-tree/ra.tex

index bc4a5c08765439150e345e8e1078011e6e1a43c7..2bb0a1a96eb043285ab9a0507c9bfd443da343d8 100644 (file)
@@ -184,3 +184,15 @@ mechanism. We combine the above constructions adequately to provide an algorithm
        urldate = {2014-03-06},
        date = {1969-02}
 }
+
+@article{dauchet:reduction,
+       title = {Automata for Reduction Properties Solving},
+       volume = {20},
+       issn = {0747-7171},
+       url = {http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0747717185710486},
+       doi = {10.1006/jsco.1995.1048},
+       abstract = {We introduce a new class of tree automata, which we call Reduction Automata ({RA}), and we use it to prove the decidability of the whole first order of theory of reduction (the theory of reduction is the set of true sentences built up with unary predicates redt(x) "x is reducible by t", i.e. "some instance of t is a subterm of x"). So we link rewriting, logic and formal languages.},
+       pages = {215--233},
+       number = {2},
+       author = {Dauchet, Max and Caron, Anne-Cécile and Coquidé, Jean-Luc},
+}
index 58e6c6fa623ea607a2ee24c07fca8f01628e6d91..ec74cac8de06f59ccd7a85ee1fb65ffa407c1b08 100644 (file)
@@ -68,6 +68,7 @@ or the constraint $1=2$ at position $2$, which again overlaps.  However,
 this structure is amenable to Opaque description, as shown.
 
 \subsection{Two-counter decomposition}
+\label{sec:tree-sepex:twocm}
 
 Many classes admit machines which, when intersected, yield the two-counter
 example of \cite{tata}.%
@@ -78,43 +79,51 @@ the right spine is the whole computation history and each entry thereon
 carries two complete copies, offset by one move, of its computational path
 prefix, or provenance.}}
 %
-For concreteness, we give a set of five such machines.  In all cases, $q_f$
-is the accepting state.  These machines encode overlapping supersets of the
-set of trees encoding valid two-counter machine execution traces; their
-intersection is exactly this language.  \begin{itemize}
+For concreteness, we give exemplars of such machines in
+\autoref{fig:tree-sepex:2cm-inter}.  In all cases, $q_f$ is the accepting
+state.  These machines encode overlapping supersets of the set of trees
+encoding valid two-counter machine execution traces; their intersection is
+exactly this language.
+%
+\begin{itemize}
 %
   \item The ``end-state'' machine specifies only the left subtree of the
-  root $h$ node: it requires that the encoding's state label be that of the
-  accepting state of the underlying 2CM.
+root $h$ node: it requires that the encoding's state label be that of the
+accepting state of the underlying 2CM.
 %
   \item The ``structural equality and initial-state'' machine specifies more
-  structure: it demands that the tree be a right-branching non-empty list,
-  using $h/2$ as cons and $\#$ as nil, whose ultimate member must encode the
-  initial state of the underlying 2CM with zeroed counters.  Each other
-  element of this list must be a structure unifying $g(P,h(g(P',X),X))$
-  where $P$ and $P'$ are possible 2CM encodings.
+structure: it demands that the tree be a right-branching non-empty list,
+using $h/2$ as cons and $\#$ as nil, whose ultimate member must encode the
+initial state of the underlying 2CM with zeroed counters.  Each other
+element of this list must be a structure unifying $g(P,h(g(P',X),X))$ where
+$P$ and $P'$ are possible 2CM encodings.
 %
   \item The ``top-level constraint'' machine encodes all trees which unify
-  with $h(g(X,Y),Y)$.
+with $h(g(X,Y),Y)$.
+%
+\end{itemize}
 %
-\end{itemize} Not shown here are two more machines along the same lines as
-the ``structural equality and initial-state'' machine, but which impose
-different equality constraints and mandate relations between the
-configurations of the underlying 2CM, corresponding to the rules of said
-2CM.
+Not shown here is another machine along the same lines as the ``structural
+equality and initial-state'' machine, which constructs a right-branching
+$h$-list, again terminated by $h(g(p_{init}(z,z),\#),\#)$, of valid
+transitions of the 2CM by relating $\expect{p'_i,N_{il}',N_{ir}'}$ and
+$\expect{p_i,N_{il},N_{ir}}$ for each position $i$ of the list, again using
+equality constraints on the ``q'' node at the root of each list element.
+The $X_i$ nodes continue to be parsed as $q_\forall$ (and need not be
+mutually equated) and there are no constraints between elements of the list.
 
 Note that each of these machines, taken in isolation, satisfies a slew of
 local metaconstraints: Reducing (each machine has at most two ranks), Stated
-(because they are all single-ply), $rank$-same-stated, $id$-same-stated
-\Note{Please check two not pictured}, Opaque, and Non-overlapping.  Further,
-all these machines are equivalent to multi-ply machines additionally
-satisfying Contained. \Note{I believe this is right for the two not
-pictured, as well.}  Due to the presence of $q_\forall$, none of them are
-deterministic machines.  We may therefore conclude that (at least) any class
-of nondeterministic machines which is subject to any subset of these
-metaconstraints and does not impose additional restrictions {\em has at most
-one of decidable emptiness testing and closure under intersection}.
+(because they are all single-ply), Same-Stated, Opaque, and Non-overlapping.
+Further, all these machines are equivalent to multi-ply machines
+additionally satisfying Contained.  Due to the presence of $q_\forall$, none
+of them are deterministic machines.  We may therefore conclude that (at
+least) any class of nondeterministic machines which is subject to any subset
+of these metaconstraints and does not impose additional restrictions {\em
+has at most one of decidable emptiness testing and closure under
+intersection}.
 
+\begin{figure}
 \begin{lrbox}{\tempboxa}
 \begin{minipage}{4cm}
 \begin{align*}
@@ -129,7 +138,7 @@ one of decidable emptiness testing and closure under intersection}.
 \begin{lrbox}{\tempboxb}
 \begin{minipage}{3cm}
 \begin{align*}
-  h(q_g, q_\forall) &\xrightarrow{12=2} q_f \\
+  h(q_g, q_\forall) &\rightarrow{12=2} q_f \\
   g(q_\forall, q_\forall) &\rightarrow q_g
 \end{align*}
 \end{minipage}
@@ -137,7 +146,7 @@ one of decidable emptiness testing and closure under intersection}.
 \begin{lrbox}{\tempboxc}
 \begin{minipage}{3cm}
 \begin{align*}
-  g(q_p, q_h) &\xrightarrow{22=212} q_g \\
+  g(q_p, q_h) &\xrightarrow{22=212} q_T \\
   h(q_g', q_\forall) &\rightarrow q_h \\ 
   g(q_p, q_\forall) &\rightarrow q_g' \\
   \forall i . p_i(q_{\mathbb{N}}, q_{\mathbb{N}}) &\rightarrow g_p \\
@@ -157,7 +166,6 @@ one of decidable emptiness testing and closure under intersection}.
 \end{align*}
 \end{minipage}
 \end{lrbox}
-
 \begin{tabular}{|c|c|c|}
 \hline
 {End state $p_{accept}$} &
@@ -167,9 +175,9 @@ one of decidable emptiness testing and closure under intersection}.
 \hline
 \Tree [.h [.g [. p$_{accept}$ N$_l$ N$_r$ ] Y ] Z ]
 &
-\Tree [.h$_{12=2}$ [.g X Y ] X ]
+\Tree [.h$_{12=2}$ [.g X Y ] Y ]
 &
-\Tree [.h [.g$_{22=212}$ [.p$_j$ $N'_l$ $N'_r$ ] [.h [.g [.p$_{1i}$ $N_{1l}$ $N_{1r}$ ] X$_1$ ] $Y_1$ ] ] [.$\cdots$ $\cdots$ [.h [.g [.p$_{init}$ z z ] [.\# ] ] [.\# ] ] ] ]
+\Tree [.h [.g$_{22=212}$ [.$p'_1$ $N'_{1l}$ $N'_{1r}$ ] [.h [.g [.$p_1$ $N_{1l}$ $N_{1r}$ ] X$_1$ ] X$_1$ ] ] [.$\cdots$ $\cdots$ [.h [.g [.p$_{init}$ z z ] [.\# ] ] [.\# ] ] ] ]
 \\
 \hline
 
@@ -185,3 +193,6 @@ one of decidable emptiness testing and closure under intersection}.
 \\
 \hline
 \end{tabular}
+\caption{Schematics and machines for 2CM-by-intersection construction.}
+\label{fig:tree-sepex:2cm-inter}
+\end{figure}
index c88435e26a8c58d5ce83fad1124c6d8ad4215cdb..f6e1e9ec7b25b91c5f4be0b989ac7c22fe22460e 100644 (file)
@@ -1,5 +1,56 @@
+Reduction Automata were introduced in \cite{dauchet:reduction}.
+
 \Note{RA is single-ply AWEDC subject to Reduction metaconstraint (and, by
 implication, Stated).}
 
 \Note{\cite[p133]{tata} discusses the relaxation of RA to permit AWCBB-style
 constraints freely; what I've called ``Deep-Reduction'' above.  This class has decidable emptyness testing.}
+
+\subsection{Proof of Non-deterministic RA Undecidable Emptiness Testing}
+
+\cite[Thm 4.4.7]{tata} contains a proof%
+%
+\footnote{Apparently first presented in \cite[Appendix
+C]{jacquemard:tamodeq} and in contradiction to the statement made in
+\cite[\S 4.1]{dauchet:reduction} that the proof therein, which applies to
+{\em deterministic} and {\em complete} RAs, carries over to the
+non-deterministic case as well.}
+%
+that emptiness is not decidable for the class of nondeterminstic RAs.  (This
+proof generalizes to a large class of tree automata; see
+\autoref{sec:tree-sepex:twocm}.)  We feel that a few words said about this
+proof here may help to de-mystify it.
+
+\begin{wrapfigure}{r}{3.5in}\centering\begin{tikzpicture}
+\Tree [.h$_n$
+         [.q $C_n$
+            [.h$_{n-1}$ [.q $C_{n-1}$ [.h$_{n-2}$ \edge[roof];$\cdots$ ] ]
+                           [.h$_{n-2}$ \edge[roof];$\cdots$ ] ] ]
+         [.h$_{n-1}$
+                       [.q \edge[roof];$\cdots$ ]
+                       [.h$_{n-2}$
+                               [.q \edge[roof];$\cdots$ ]
+                               [.$\cdots$      $\cdots$ [.h$_{1}$ [.q \edge[roof];$C_1$ \# ] \# ] ]
+                       ]
+         ]
+      ]
+\end{tikzpicture}\end{wrapfigure}
+
+The overall structure of the trees accepted by this construction was not
+immediately obvious to at least one author of this zoo, so a schematic view
+is given here.  Each h$_i$ represents the apex of {\em the same tree}
+everywhere it occurs.  (\cite{tata} sometimes labels the root of the tree
+``k'' and sometimes ``h$'$''; this does not appear essential to the
+construction and so we simply use ``h'' pervasively.)  Every h$_i$ node
+carries the trace of the first $i$ steps of execution on its right; its left
+child can be thought of as the pair of the $i$-th state of the machine's
+execution, denoted $C_i$, and h$_{i-1}$.  The equality constraints are
+introduced only at the top and at ``q'' nodes in the tree; the state labels
+are carefully constructed so that only three ranks are required to satisfy
+the Reduction metaconstraint: a base rank, which includes all labels in the
+$C_i$ trees is $\le$ a ``q''-state rank which includes the labels of all
+``q'' and ``h'' nodes in the tree except the apex; the accepting state at
+the root is the sole member of the third rank.  There will be $2^{n-i+1}$
+copies of $h_i$ (or $C_i$) in a tree encoding $n$ steps.  This machine is
+{\em deeply} dependent on the fact that non-determinism allows equal trees
+to have several distinct runs.