Degrees of Free Word-Order and Freely Rewriting Restarting Automata

In natural languages with a high degree of word-order freedom syntactic phenomena like dependencies (subordinations) or valencies do not depend on the word-order (or on the individual positions of the individual words). This means that some permutations of sentences of these languages are in some (important) sense syntactically equivalent. Here we study this phenomenon in a formal way. Various types of j-monotonicity for restarting automata can serve as parameters for the degree of word-order freedom and for the complexity of word-order in sentences (languages). Here we combine two types of parameters on computations of restarting automata: 1. the degree of j-monotonicity, and 2. the number of rewrites per cycle. We study these notions formally in order to obtain an adequate tool for modelling and comparing formal descriptions of (natural) languages with different degrees of word-order freedom and word-order complexity.

CD-Systems of Restarting Automata

Die vorliegende Arbeit behandelt Restartautomaten und Erweiterungen von Restartautomaten. Restartautomaten sind ein Werkzeug zum Erkennen formaler Sprachen. Sie sind motiviert durch die linguistische Methode der Analyse durch Reduktion und wurden 1995 von Jancar, Mráz, Plátek und Vogel eingeführt. Restartautomaten bestehen aus einer endlichen Kontrolle, einem Lese/Schreibfenster fester Größe und einem flexiblen Band. Anfänglich enthält dieses sowohl die Eingabe als auch Bandbegrenzungssymbole. Die Berechnung eines Restartautomaten läuft in so genannten Zyklen ab. Diese beginnen am linken Rand im Startzustand, in ihnen wird eine lokale Ersetzung auf dem Band durchgeführt und sie enden mit einem Neustart, bei dem das Lese/Schreibfenster wieder an den linken Rand bewegt wird und der Startzustand wieder eingenommen wird. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich hauptsächlich mit zwei Erweiterungen der Restartautomaten: CD-Systeme von Restartautomaten und nichtvergessende Restartautomaten. Nichtvergessende Restartautomaten können einen Zyklus in einem beliebigen Zustand beenden und CD-Systeme von Restartautomaten bestehen aus einer Menge von Restartautomaten, die zusammen die Eingabe verarbeiten. Dabei wird ihre Zusammenarbeit durch einen Operationsmodus, ähnlich wie bei CD-Grammatik Systemen, geregelt. Für beide Erweiterungen zeigt sich, dass die deterministischen Modelle mächtiger sind als deterministische Standardrestartautomaten. Es wird gezeigt, dass CD-Systeme von Restartautomaten in vielen Fällen durch nichtvergessende Restartautomaten simuliert werden können und andererseits lassen sich auch nichtvergessende Restartautomaten durch CD-Systeme von Restartautomaten simulieren. Des Weiteren werden Restartautomaten und nichtvergessende Restartautomaten untersucht, die nichtdeterministisch sind, aber keine Fehler machen. Es zeigt sich, dass diese Automaten durch deterministische (nichtvergessende) Restartautomaten simuliert werden können, wenn sie direkt nach der Ersetzung einen neuen Zyklus beginnen, oder ihr Fenster nach links und rechts bewegen können. Außerdem gilt, dass alle (nichtvergessenden) Restartautomaten, die zwar Fehler machen dürfen, diese aber nach endlich vielen Zyklen erkennen, durch (nichtvergessende) Restartautomaten simuliert werden können, die keine Fehler machen. Ein weiteres wichtiges Resultat besagt, dass die deterministischen monotonen nichtvergessenden Restartautomaten mit Hilfssymbolen, die direkt nach dem Ersetzungsschritt den Zyklus beenden, genau die deterministischen kontextfreien Sprachen erkennen, wohingegen die deterministischen monotonen nichtvergessenden Restartautomaten mit Hilfssymbolen ohne diese Einschränkung echt mehr, nämlich die links-rechts regulären Sprachen, erkennen. Damit werden zum ersten Mal Restartautomaten mit Hilfssymbolen, die direkt nach dem Ersetzungsschritt ihren Zyklus beenden, von Restartautomaten desselben Typs ohne diese Einschränkung getrennt. Besonders erwähnenswert ist hierbei, dass beide Automatentypen wohlbekannte Sprachklassen beschreiben.

Lower Bounds for Nonforgetting Restarting Automata and CD-Systems of Restarting Automata

The nonforgetting restarting automaton is a generalization of the restarting automaton that, when executing a restart operation, changes its internal state based on the current state and the actual contents of its read/write window instead of resetting it to the initial state. Another generalization of the restarting automaton is the cooperating distributed system (CD-system) of restarting automata. Here a finite system of restarting automata works together in analyzing a given sentence, where they interact based on a given mode of operation. As it turned out, CD-systems of restarting automata of some type X working in mode =1 are just as expressive as nonforgetting restarting automata of the same type X. Further, various types of determinism have been introduced for CD-systems of restarting automata called strict determinism, global determinism, and local determinism, and it has been shown that globally deterministic CD-systems working in mode =1 correspond to deterministic nonforgetting restarting automata. Here we derive some lower bound results for some types of nonforgetting restarting automata and for some types of CD-systems of restarting automata. In this way we establish separations between the corresponding language classes, thus providing detailed technical proofs for some of the separation results announced in the literature.

On CD-systems of stateless deterministic R-automata with window size one

We study cooperating distributed systems (CD-systems) of restarting automata that are very restricted: they are deterministic, they cannot rewrite, but only delete symbols, they restart immediately after performing a delete operation, they are stateless, and they have a read/write window of size 1 only, that is, these are stateless deterministic R(1)-automata. We study the expressive power of these systems by relating the class of languages that they accept by mode =1 computations to other well-studied language classes, showing in particular that this class only contains semi-linear languages, and that it includes all rational trace languages. In addition, we investigate the closure and non-closure properties of this class of languages and some of its algorithmic properties.

Systems of Parallel Communicating Restarting Automata

In der vorliegenden Dissertation werden Systeme von parallel arbeitenden und miteinander kommunizierenden Restart-Automaten (engl.: systems of parallel communicating restarting automata; abgekürzt PCRA-Systeme) vorgestellt und untersucht. Dabei werden zwei bekannte Konzepte aus den Bereichen Formale Sprachen und Automatentheorie miteinander vescrknüpft: das Modell der Restart-Automaten und die sogenannten PC-Systeme (systems of parallel communicating components). Ein PCRA-System besteht aus endlich vielen Restart-Automaten, welche einerseits parallel und unabhängig voneinander lokale Berechnungen durchführen und andererseits miteinander kommunizieren dürfen. Die Kommunikation erfolgt dabei durch ein festgelegtes Kommunikationsprotokoll, das mithilfe von speziellen Kommunikationszuständen realisiert wird. Ein wesentliches Merkmal hinsichtlich der Kommunikationsstruktur in Systemen von miteinander kooperierenden Komponenten ist, ob die Kommunikation zentralisiert oder nichtzentralisiert erfolgt. Während in einer nichtzentralisierten Kommunikationsstruktur jede Komponente mit jeder anderen Komponente kommunizieren darf, findet jegliche Kommunikation innerhalb einer zentralisierten Kommunikationsstruktur ausschließlich mit einer ausgewählten Master-Komponente statt. Eines der wichtigsten Resultate dieser Arbeit zeigt, dass zentralisierte Systeme und nichtzentralisierte Systeme die gleiche Berechnungsstärke besitzen (das ist im Allgemeinen bei PC-Systemen nicht so). Darüber hinaus bewirkt auch die Verwendung von Multicast- oder Broadcast-Kommunikationsansätzen neben Punkt-zu-Punkt-Kommunikationen keine Erhöhung der Berechnungsstärke. Desweiteren wird die Ausdrucksstärke von PCRA-Systemen untersucht und mit der von PC-Systemen von endlichen Automaten und mit der von Mehrkopfautomaten verglichen. PC-Systeme von endlichen Automaten besitzen bekanntermaßen die gleiche Ausdrucksstärke wie Einwegmehrkopfautomaten und bilden eine untere Schranke für die Ausdrucksstärke von PCRA-Systemen mit Einwegkomponenten. Tatsächlich sind PCRA-Systeme auch dann stärker als PC-Systeme von endlichen Automaten, wenn die Komponenten für sich genommen die gleiche Ausdrucksstärke besitzen, also die regulären Sprachen charakterisieren. Für PCRA-Systeme mit Zweiwegekomponenten werden als untere Schranke die Sprachklassen der Zweiwegemehrkopfautomaten im deterministischen und im nichtdeterministischen Fall gezeigt, welche wiederum den bekannten Komplexitätsklassen L (deterministisch logarithmischer Platz) und NL (nichtdeterministisch logarithmischer Platz) entsprechen. Als obere Schranke wird die Klasse der kontextsensitiven Sprachen gezeigt. Außerdem werden Erweiterungen von Restart-Automaten betrachtet (nonforgetting-Eigenschaft, shrinking-Eigenschaft), welche bei einzelnen Komponenten eine Erhöhung der Berechnungsstärke bewirken, in Systemen jedoch deren Stärke nicht erhöhen. Die von PCRA-Systemen charakterisierten Sprachklassen sind unter diversen Sprachoperationen abgeschlossen und einige Sprachklassen sind sogar abstrakte Sprachfamilien (sogenannte AFL's). Abschließend werden für PCRA-Systeme spezifische Probleme auf ihre Entscheidbarkeit hin untersucht. Es wird gezeigt, dass Leerheit, Universalität, Inklusion, Gleichheit und Endlichkeit bereits für Systeme mit zwei Restart-Automaten des schwächsten Typs nicht semientscheidbar sind. Für das Wortproblem wird gezeigt, dass es im deterministischen Fall in quadratischer Zeit und im nichtdeterministischen Fall in exponentieller Zeit entscheidbar ist.

Relations and Transductions Realized by Restarting Automata

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Analyse verschiedener Formalismen zur Berechnung binärer Wortrelationen. Dabei ist die Grundlage aller hier ausgeführten Betrachtungen das Modell der Restart-Automaten, welches 1995 von Jancar et. al. eingeführt wurde. Zum einen wird das bereits für Restart-Automaten bekannte Konzept der input/output- und proper-Relationen weiterführend untersucht, sowie auf Systeme von zwei parallel arbeitenden und miteinander kommunizierenden Restart-Automaten (PC-Systeme) erweitert. Zum anderen wird eine Variante der Restart-Automaten eingeführt, die sich an klassischen Automatenmodellen zur Berechnung von Relationen orientiert. Mit Hilfe dieser Mechanismen kann gezeigt werden, dass einige Klassen, die durch input/output- und proper-Relationen von Restart Automaten definiert werden, mit den traditionellen Relationsklassen der Rationalen Relationen und der Pushdown-Relationen übereinstimmen. Weiterhin stellt sich heraus, dass das Konzept der parallel kommunizierenden Automaten äußerst mächtig ist, da bereits die Klasse der proper-Relationen von monotonen PC-Systemen alle berechenbaren Relationen umfasst. Der Haupteil der Arbeit beschäftigt sich mit den so genannten Restart-Transducern, welche um eine Ausgabefunktion erweiterte Restart-Automaten sind. Es zeigt sich, dass sich insbesondere dieses Modell mit seinen verschiedenen Erweiterungen und Einschränkungen dazu eignet, eine umfassende Hierarchie von Relationsklassen zu etablieren. In erster Linie seien hier die verschiedenen Typen von monotonen Restart-Transducern erwähnt, mit deren Hilfe viele interessante neue und bekannte Relationsklassen innerhalb der längenbeschränkten Pushdown-Relationen charakterisiert werden. Abschließend wird, im Kontrast zu den vorhergehenden Modellen, das nicht auf Restart-Automaten basierende Konzept des Übersetzens durch Beobachtung ("Transducing by Observing") zur Relationsberechnung eingeführt. Dieser, den Restart-Transducern nicht unähnliche Mechanismus, wird im weitesten Sinne dazu genutzt, einen anderen Blickwinkel auf die von Restart-Transducern definierten Relationen einzunehmen, sowie eine obere Schranke für die Berechnungskraft der Restart-Transducer zu gewinnen.