Locality and order-invariant logics

Malli on logiikassa käytetty abstraktio monille matemaattisille objekteille. Esimerkiksi verkot, ryhmät ja metriset avaruudet ovat malleja. Äärellisten mallien teoria on logiikan osa-alue, jossa tarkastellaan logiikkojen, formaalien kielten, ilmaisuvoimaa malleissa, joiden alkioiden lukumäärä on äärellinen. Rajoittuminen äärellisiin malleihin mahdollistaa tulosten soveltamisen teoreettisessa tietojenkäsittelytieteessä, jonka näkökulmasta logiikan kaavoja voidaan ajatella ohjelmina ja äärellisiä malleja niiden syötteinä. Lokaalisuus tarkoittaa logiikan kyvyttömyyttä erottaa toisistaan malleja, joiden paikalliset piirteet vastaavat toisiaan. Väitöskirjassa tarkastellaan useita lokaalisuuden muotoja ja niiden säilymistä logiikkoja yhdistellessä. Kehitettyjä työkaluja apuna käyttäen osoitetaan, että Gaifman- ja Hanf-lokaalisuudeksi kutsuttujen varianttien välissä on lokaalisuuskäsitteiden hierarkia, jonka eri tasot voidaan erottaa toisistaan kasvavaa dimensiota olevissa hiloissa. Toisaalta osoitetaan, että lokaalisuuskäsitteet eivät eroa toisistaan, kun rajoitutaan tarkastelemaan äärellisiä puita. Järjestysinvariantit logiikat ovat kieliä, joissa on käytössä sisäänrakennettu järjestysrelaatio, mutta sitä on käytettävä siten, etteivät kaavojen ilmaisemat asiat riipu valitusta järjestyksestä. Määritelmää voi motivoida tietojenkäsittelyn näkökulmasta: vaikka ohjelman syötteen tietojen järjestyksellä ei olisi odotetun tuloksen kannalta merkitystä, on syöte tietokoneen muistissa aina jossakin järjestyksessä, jota ohjelma voi laskennassaan hyödyntää. Väitöskirjassa tutkitaan minkälaisia lokaalisuuden muotoja järjestysinvariantit ensimmäisen kertaluvun predikaattilogiikan laajennukset yksipaikkaisilla kvanttoreilla voivat toteuttaa. Tuloksia sovelletaan tarkastelemalla, milloin sisäänrakennettu järjestys lisää logiikan ilmaisuvoimaa äärellisissä puissa.

On Games on Non-Wellfounded Sets and Stationary Sets

In this thesis we study a few games related to non-wellfounded and stationary sets. Games have turned out to be an important tool in mathematical logic ranging from semantic games defining the truth of a sentence in a given logic to for example games on real numbers whose determinacies have important effects on the consistency of certain large cardinal assumptions. The equality of non-wellfounded sets can be determined by a so called bisimulation game already used to identify processes in theoretical computer science and possible world models for modal logic. Here we present a game to classify non-wellfounded sets according to their branching structure. We also study games on stationary sets moving back to classical wellfounded set theory. We also describe a way to approximate non-wellfounded sets with hereditarily finite wellfounded sets. The framework used to do this is domain theory. In the Banach-Mazur game, also called the ideal game, the players play a descending sequence of stationary sets and the second player tries to keep their intersection stationary. The game is connected to precipitousness of the corresponding ideal. In the pressing down game first player plays regressive functions defined on stationary sets and the second player responds with a stationary set where the function is constant trying to keep the intersection stationary. This game has applications in model theory to the determinacy of the Ehrenfeucht-Fraisse game. We show that it is consistent that these games are not equivalent.

Almost Stable Matchings by Truncating the Gale–Shapley Algorithm

We show that the ratio of matched individuals to blocking pairs grows linearly with the number of propose–accept rounds executed by the Gale–Shapley algorithm for the stable marriage problem. Consequently, the participants can arrive at an almost stable matching even without full information about the problem instance; for each participant, knowing only its local neighbourhood is enough. In distributed-systems parlance, this means that if each person has only a constant number of acceptable partners, an almost stable matching emerges after a constant number of synchronous communication rounds. We apply our results to give a distributed (2 + ε)-approximation algorithm for maximum-weight matching in bicoloured graphs and a centralised randomised constant-time approximation scheme for estimating the size of a stable matching.

Analysing local algorithms in location-aware quasi-unit-disk graphs

A local algorithm with local horizon r is a distributed algorithm that runs in r synchronous communication rounds; here r is a constant that does not depend on the size of the network. As a consequence, the output of a node in a local algorithm only depends on the input within r hops from the node. We give tight bounds on the local horizon for a class of local algorithms for combinatorial problems on unit-disk graphs (UDGs). Most of our bounds are due to a refined analysis of existing approaches, while others are obtained by suggesting new algorithms. The algorithms we consider are based on network decompositions guided by a rectangular tiling of the plane. The algorithms are applied to matching, independent set, graph colouring, vertex cover, and dominating set. We also study local algorithms on quasi-UDGs, which are a popular generalisation of UDGs, aimed at more realistic modelling of communication between the network nodes. Analysing the local algorithms on quasi-UDGs allows one to assume that the nodes know their coordinates only approximately, up to an additive error. Despite the localisation error, the quality of the solution to problems on quasi-UDGs remains the same as for the case of UDGs with perfect location awareness. We analyse the increase in the local horizon that comes along with moving from UDGs to quasi-UDGs.