Capturing Polynomial Time and Logarithmic Space using Modular Decompositions and Limited Recursion
Creators: name: Grußien, Berit
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin
Year: 2017
Subjects: subject: deskriptive Komplexität
subject: modulare Zerlegung
subject: Polynomialzeit
subject: Fixpunktlogik
subject: Permutationsgraphen
subject: chordale Komparabilitätsgraphen
subject: Kanonisierung
subject: logarithmischer Platz
subject: Intervallgraphen
subject: chordale klauenfreie Graphen
subject: descriptive complexity
subject: modular decomposition
subject: polynomial time
subject: fixed-point logic
subject: permutation graphs
subject: chordal comparability graphs
subject: canonization
subject: logarithmic space
subject: interval graphs
subject: chordal claw-free graphs
subject: 004 Datenverarbeitung; Informatik
subject: ST 134

description: Diese Arbeit leistet Beiträge im Bereich der deskriptiven Komplexitätstheorie. Zunächst beschäftigen wir uns mit der ungelösten Frage, ob es eine Logik gibt, welche die Klasse der Polynomialzeit-Eigenschaften (PTIME) charakterisiert. Wir betrachten Graphklassen, die unter induzierten Teilgraphen abgeschlossen sind. Auf solchen Graphklassen lässt sich die 1976 von Gallai eingeführte modulare Zerlegung anwenden. Graphen, die durch modulare Zerlegung nicht zerlegbar sind, heißen prim. Wir stellen ein neues Werkzeug vor: das Modulare Zerlegungstheorem. Es reduziert (definierbare) Kanonisierung einer Graphklasse C auf (definierbare) Kanonisierung der Klasse aller primen Graphen aus C, die mit binären Relationen auf einer linear geordneten Menge gefärbt sind. Mit Hilfe des Modularen Zerlegungstheorems zeigen wir, dass Fixpunktlogik mit Zählen (FP+C) PTIME auf der Klasse aller Permutationsgraphen und auf der Klasse aller chordalen Komparabilitätsgraphen charakterisiert. Wir beweisen zudem, dass modulare Zerlegungsbäume in Symmetrisch-Transitive-Hüllen-Logik mit Zählen (STC+C) definierbar und damit in logarithmischem Platz berechenbar sind. Weiterhin definieren wir eine neue Logik für die Komplexitätsklasse Logarithmischer Platz (LOGSPACE). Wir erweitern die Logik erster Stufe mit Zählen um einen Operator, der eine in logarithmischem Platz berechenbare Form der Rekursion erlaubt. Die resultierende Logik LREC ist ausdrucksstärker als die Deterministisch-Transitive-Hüllen-Logik mit Zählen (DTC+C) und echt in FP+C enthalten. Wir zeigen, dass LREC LOGSPACE auf gerichteten Bäumen charakterisiert. Zudem betrachten wir eine Erweiterung LREC= von LREC, die sich gegenüber LREC durch bessere Abschlusseigenschaften auszeichnet und im Gegensatz zu LREC ausdrucksstärker als die Symmetrisch-Transitive-Hüllen-Logik (STC) ist. Wir beweisen, dass LREC= LOGSPACE sowohl auf der Klasse der Intervallgraphen als auch auf der Klasse der chordalen klauenfreien Graphen charakterisiert.
description: This theses is making contributions to the field of descriptive complexity theory. First, we look at the main open problem in this area: the question of whether there exists a logic that captures polynomial time (PTIME). We consider classes of graphs that are closed under taking induced subgraphs. For such graph classes, an effective graph decomposition, called modular decomposition, was introduced by Gallai in 1976. The graphs that are non-decomposable with respect to modular decomposition are called prime. We present a tool, the Modular Decomposition Theorem, that reduces (definable) canonization of a graph class C to (definable) canonization of the class of prime graphs of C that are colored with binary relations on a linearly ordered set. By an application of the Modular Decomposition Theorem, we show that fixed-point logic with counting (FP+C) captures PTIME on the class of permutation graphs and the class of chordal comparability graphs. We also prove that the modular decomposition tree is definable in symmetric transitive closure logic with counting (STC+C), and therefore, computable in logarithmic space. Further, we introduce a new logic for the complexity class logarithmic space (LOGSPACE). We extend first-order logic with counting by a new operator that allows it to formalize a limited form of recursion which can be evaluated in logarithmic space. We prove that the resulting logic LREC is strictly more expressive than deterministic transitive closure logic with counting (DTC+C) and that it is strictly contained in FP+C. We show that LREC captures LOGSPACE on the class of directed trees. We also study an extension LREC= of LREC that has nicer closure properties and that, unlike LREC, is more expressive than symmetric transitive closure logic (STC). We prove that LREC= captures LOGSPACE on the class of interval graphs and on the class of chordal claw-free graphs.