Partially ordered classes of finite automata /

Vita.

On the structure and automorphisms of finite automata /

Issued also as thesis, University of Illinois.

Generalized decomposition of incomplete finite automata /

Vita.

A linear algorithm for testing equivalence of finite automata /

"AD735159."

The transformational implementation of JSD process specifications via finite automata representation

Conventional structured methods of software engineering are often based on the use of functional decomposition coupled with the Waterfall development process model. This approach is argued to be inadequate for coping with the evolutionary nature of large software systems. Alternative development paradigms, including the operational paradigm and the transformational paradigm, have been proposed to address the inadequacies of this conventional view of software developement, and these are reviewed. JSD is presented as an example of an operational approach to software engineering, and is contrasted with other well documented examples. The thesis shows how aspects of JSD can be characterised with reference to formal language theory and automata theory. In particular, it is noted that Jackson structure diagrams are equivalent to regular expressions and can be thought of as specifying corresponding finite automata. The thesis discusses the automatic transformation of structure diagrams into finite automata using an algorithm adapted from compiler theory, and then extends the technique to deal with areas of JSD which are not strictly formalisable in terms of regular languages. In particular, an elegant and novel method for dealing with so called recognition (or parsing) difficulties is described,. Various applications of the extended technique are described. They include a new method of automatically implementing the dismemberment transformation; an efficient way of implementing inversion in languages lacking a goto-statement; and a new in-the-large implementation strategy.

Algebraic theory of minimal nondeterministic finite automata with applications

Since the 1950s, the theory of deterministic and nondeterministic finite automata (DFAs and NFAs, respectively) has been a cornerstone of theoretical computer science. In this dissertation, our main object of study is minimal NFAs. In contrast with minimal DFAs, minimal NFAs are computationally challenging: first, there can be more than one minimal NFA recognizing a given language; second, the problem of converting an NFA to a minimal equivalent NFA is NP-hard, even for NFAs over a unary alphabet. Our study is based on the development of two main theories, inductive bases and partials, which in combination form the foundation for an incremental algorithm, ibas, to find minimal NFAs. An inductive basis is a collection of languages with the property that it can generate (through union) each of the left quotients of its elements. We prove a fundamental characterization theorem which says that a language can be recognized by an n-state NFA if and only if it can be generated by an n-element inductive basis. A partial is an incompletely-specified language. We say that an NFA recognizes a partial if its language extends the partial, meaning that the NFA’s behavior is unconstrained on unspecified strings; it follows that a minimal NFA for a partial is also minimal for its language. We therefore direct our attention to minimal NFAs recognizing a given partial. Combining inductive bases and partials, we generalize our characterization theorem, showing that a partial can be recognized by an n-state NFA if and only if it can be generated by an n-element partial inductive basis. We apply our theory to develop and implement ibas, an incremental algorithm that finds minimal partial inductive bases generating a given partial. In the case of unary languages, ibas can often find minimal NFAs of up to 10 states in about an hour of computing time; with brute-force search this would require many trillions of years.

Algebraic Theory of Minimal Nondeterministic Finite Automata with Applications

Since the 1950s, the theory of deterministic and nondeterministic finite automata (DFAs and NFAs, respectively) has been a cornerstone of theoretical computer science. In this dissertation, our main object of study is minimal NFAs. In contrast with minimal DFAs, minimal NFAs are computationally challenging: first, there can be more than one minimal NFA recognizing a given language; second, the problem of converting an NFA to a minimal equivalent NFA is NP-hard, even for NFAs over a unary alphabet. Our study is based on the development of two main theories, inductive bases and partials, which in combination form the foundation for an incremental algorithm, ibas, to find minimal NFAs. An inductive basis is a collection of languages with the property that it can generate (through union) each of the left quotients of its elements. We prove a fundamental characterization theorem which says that a language can be recognized by an n-state NFA if and only if it can be generated by an n-element inductive basis. A partial is an incompletely-specified language. We say that an NFA recognizes a partial if its language extends the partial, meaning that the NFA's behavior is unconstrained on unspecified strings; it follows that a minimal NFA for a partial is also minimal for its language. We therefore direct our attention to minimal NFAs recognizing a given partial. Combining inductive bases and partials, we generalize our characterization theorem, showing that a partial can be recognized by an n-state NFA if and only if it can be generated by an n-element partial inductive basis. We apply our theory to develop and implement ibas, an incremental algorithm that finds minimal partial inductive bases generating a given partial. In the case of unary languages, ibas can often find minimal NFAs of up to 10 states in about an hour of computing time; with brute-force search this would require many trillions of years.

On OBDD Transformations Representing Finite State Automata

We present OBDD transformation problem representing finite labeled transition systems corresponding to some congruence relation. Transformations are oriented toward obtaining the OBDD of a minimized transition system for this congruence relation.

On the asymptotic enumeration of accessible automata

We simplify the known formula for the asymptotic estimate of the number of deterministic and accessible automata with n states over a k-letter alphabet. The proof relies on the theory of Lagrange inversion applied in the context of generalized binomial series.

Automates à contraintes semilinéaires = Automata with a semilinear constraint

Cette thèse présente une étude dans divers domaines de l'informatique théorique de modèles de calculs combinant automates finis et contraintes arithmétiques. Nous nous intéressons aux questions de décidabilité, d'expressivité et de clôture, tout en ouvrant l'étude à la complexité, la logique, l'algèbre et aux applications. Cette étude est présentée au travers de quatre articles de recherche. Le premier article, Affine Parikh Automata, poursuit l'étude de Klaedtke et Ruess des automates de Parikh et en définit des généralisations et restrictions. L'automate de Parikh est un point de départ de cette thèse; nous montrons que ce modèle de calcul est équivalent à l'automate contraint que nous définissons comme un automate qui n'accepte un mot que si le nombre de fois que chaque transition est empruntée répond à une contrainte arithmétique. Ce modèle est naturellement étendu à l'automate de Parikh affine qui effectue une opération affine sur un ensemble de registres lors du franchissement d'une transition. Nous étudions aussi l'automate de Parikh sur lettres: un automate qui n'accepte un mot que si le nombre de fois que chaque lettre y apparaît répond à une contrainte arithmétique. Le deuxième article, Bounded Parikh Automata, étudie les langages bornés des automates de Parikh. Un langage est borné s'il existe des mots w_1, w_2, ..., w_k tels que chaque mot du langage peut s'écrire w_1...w_1w_2...w_2...w_k...w_k. Ces langages sont importants dans des domaines applicatifs et présentent usuellement de bonnes propriétés théoriques. Nous montrons que dans le contexte des langages bornés, le déterminisme n'influence pas l'expressivité des automates de Parikh. Le troisième article, Unambiguous Constrained Automata, introduit les automates contraints non ambigus, c'est-à-dire pour lesquels il n'existe qu'un chemin acceptant par mot reconnu par l'automate. Nous montrons qu'il s'agit d'un modèle combinant une meilleure expressivité et de meilleures propriétés de clôture que l'automate contraint déterministe. Le problème de déterminer si le langage d'un automate contraint non ambigu est régulier est montré décidable. Le quatrième article, Algebra and Complexity Meet Contrained Automata, présente une étude des représentations algébriques qu'admettent les automates contraints et les automates de Parikh affines. Nous déduisons de ces caractérisations des résultats d'expressivité et de complexité. Nous montrons aussi que certaines hypothèses classiques en complexité computationelle sont reliées à des résultats de séparation et de non clôture dans les automates de Parikh affines. La thèse est conclue par une ouverture à un possible approfondissement, au travers d'un certain nombre de problèmes ouverts.

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.

Minimization of Reactive Probabilistic Automata

The problem of finite automata minimization is important for software and hardware designing. Different types of automata are used for modeling systems or machines with finite number of states. The limitation of number of states gives savings in resources and time. In this article we show specific type of probabilistic automata: the reactive probabilistic finite automata with accepting states (in brief the reactive probabilistic automata), and definitions of languages accepted by it. We present definition of bisimulation relation for automata's states and define relation of indistinguishableness of automata states, on base of which we could effectuate automata minimization. Next we present detailed algorithm reactive probabilistic automata’s minimization with determination of its complexity and analyse example solved with help of this algorithm.