TY - THES A1 - Böhler, Elmar T1 - Algebraic closures in complexity theory T1 - Algebraische Hüllen in der Komplexitätstheorie N2 - We use algebraic closures and structures which are derived from these in complexity theory. We classify problems with Boolean circuits and Boolean constraints according to their complexity. We transfer algebraic structures to structural complexity. We use the generation problem to classify important complexity classes. N2 - Algebraische Hüllen und Strukturen, die mit solchen zusammenhängen, werden für die Komplexitätstheorie genutzt. Es werden Probleme im Zusammenhang mit Booleschen Schaltkreisen und Constraint-Satisfaction Problemen komplexitätstheoretisch klassifiziert. Strukturen aus der Algebra werden auf die Strukturelle Komplexität übertragen. Das Generierungsproblem, wird zur Klassifikation wichtiger Komplexitätsklassen benutzt. KW - Komplexitätstheorie KW - Komplexitätstheorie KW - Clones KW - Generierungsproblem KW - Postsche Klassen KW - Complexity Theory KW - Clones KW - Generation Problem KW - Post's Classes Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-16106 ER - TY - THES A1 - Kosub, Sven T1 - Complexity and Partitions T1 - Komplexität von Partitionen N2 - Computational complexity theory usually investigates the complexity of sets, i.e., the complexity of partitions into two parts. But often it is more appropriate to represent natural problems by partitions into more than two parts. A particularly interesting class of such problems consists of classification problems for relations. For instance, a binary relation R typically defines a partitioning of the set of all pairs (x,y) into four parts, classifiable according to the cases where R(x,y) and R(y,x) hold, only R(x,y) or only R(y,x) holds or even neither R(x,y) nor R(y,x) is true. By means of concrete classification problems such as Graph Embedding or Entailment (for propositional logic), this thesis systematically develops tools, in shape of the boolean hierarchy of NP-partitions and its refinements, for the qualitative analysis of the complexity of partitions generated by NP-relations. The Boolean hierarchy of NP-partitions is introduced as a generalization of the well-known and well-studied Boolean hierarchy (of sets) over NP. Whereas the latter hierarchy has a very simple structure, the situation is much more complicated for the case of partitions into at least three parts. To get an idea of this hierarchy, alternative descriptions of the partition classes are given in terms of finite, labeled lattices. Based on these characterizations the Embedding Conjecture is established providing the complete information on the structure of the hierarchy. This conjecture is supported by several results. A natural extension of the Boolean hierarchy of NP-partitions emerges from the lattice-characterization of its classes by considering partition classes generated by finite, labeled posets. It turns out that all significant ideas translate from the case of lattices. The induced refined Boolean hierarchy of NP-partitions enables us more accuratly capturing the complexity of certain relations (such as Graph Embedding) and a description of projectively closed partition classes. N2 - Die klassische Komplexitätstheorie untersucht in erster Linie die Komplexität von Mengen, d.h. von Zerlegungen (Partitionen) einer Grundmenge in zwei Teile. Häufig werden aber natürliche Fragestellungen viel angemessener durch Zerlegungen in mehr als zwei Teile abgebildet. Eine besonders interessante Klasse solcher Fragestellungen sind Klassifikationsprobleme für Relationen. Zum Beispiel definiert eine Binärrelation R typischerweise eine Zerlegung der Menge aller Paare (x,y) in vier Teile, klassifizierbar danach, ob R(x,y) und R(y,x), R(x,y) aber nicht R(y,x), nicht R(x,y) aber dafür R(y,x) oder weder R(x,y) noch R(y,x) gilt. Anhand konkreter Klassifikationsprobleme, wie zum Beispiel der Einbettbarkeit von Graphen und der Folgerbarkeit für aussagenlogische Formeln, werden in der Dissertation Instrumente für eine qualitative Analyse der Komplexität von Partitionen, die von NP-Relationen erzeugt werden, in Form der Booleschen Hierarchie der NP-Partitionen und ihrer Erweiterungen systematisch entwickelt. Die Boolesche Hierarchie der NP-Partitionen wird als Verallgemeinerung der bereits bekannten und wohluntersuchten Boolesche Hierarchie über NP eingeführt. Während die letztere Hierarchie eine sehr einfache Struktur aufweist, stellt sich die Boolesche Hierarchie der NP-Partitionen im Falle von Zerlegungen in mindestens 3 Teile als sehr viel komplizierter heraus. Um einen Überblick über diese Hierarchien zu erlangen, werden alternative Beschreibungen der Klassen der Hierarchien mittels endlicher, bewerteter Verbände angegeben. Darauf aufbauend wird die Einbettungsvermutung aufgestellt, die uns die vollständige Information über die Struktur der Hierarchie liefert. Diese Vermutung wird mit verschiedene Resultaten untermauert. Eine Erweiterung der Booleschen Hierarchie der NP-Partitionen ergibt sich auf natürliche Weise aus der Charakterisierung ihrer Klassen durch Verbände. Dazu werden Klassen betrachtet, die von endlichen, bewerteten Halbordnungen erzeugt werden. Es zeigt sich, dass die wesentlichen Konzepte vom Verbandsfall übertragen werden können. Die entstehende Verfeinerung der Booleschen Hierarchie der NP-Partitionen ermöglicht die exaktere Analyse der Komplexität bestimmter Relationen (wie zum Beispiel der Einbettbarkeit von Graphen) und die Beschreibung projektiv abgeschlossener Partitionenklassen. KW - Partition KW - Boolesche Hierarchie KW - Komplexitätsklasse NP KW - Theoretische Informatik KW - Komplexitätstheorie KW - NP KW - Boolesche Hierarchie KW - Partitionen KW - Verbände KW - Halbordnungen KW - Theoretical computer science KW - computational complexity KW - NP KW - Boolean hierarchy KW - partitions KW - lattices KW - posets Y1 - 2001 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-2808 ER - TY - THES A1 - Reith, Steffen T1 - Generalized Satisfiability Problems T1 - Verallgemeinerte Erfüllbarkeitsprobleme N2 - In the last 40 years, complexity theory has grown to a rich and powerful field in theoretical computer science. The main task of complexity theory is the classification of problems with respect to their consumption of resources (e.g., running time or required memory). To study the computational complexity (i.e., consumption of resources) of problems, similar problems are grouped into so called complexity classes. During the systematic study of numerous problems of practical relevance, no efficient algorithm for a great number of studied problems was found. Moreover, it was unclear whether such algorithms exist. A major breakthrough in this situation was the introduction of the complexity classes P and NP and the identification of hardest problems in NP. These hardest problems of NP are nowadays known as NP-complete problems. One prominent example of an NP-complete problem is the satisfiability problem of propositional formulas (SAT). Here we get a propositional formula as an input and it must be decided whether an assignment for the propositional variables exists, such that this assignment satisfies the given formula. The intensive study of NP led to numerous related classes, e.g., the classes of the polynomial-time hierarchy PH, P, #P, PP, NL, L and #L. During the study of these classes, problems related to propositional formulas were often identified to be complete problems for these classes. Hence some questions arise: Why is SAT so hard to solve? Are there modifications of SAT which are complete for other well-known complexity classes? In the context of these questions a result by E. Post is extremely useful. He identified and characterized all classes of Boolean functions being closed under superposition. It is possible to study problems which are connected to generalized propositional logic by using this result, which was done in this thesis. Hence, many different problems connected to propositional logic were studied and classified with respect to their computational complexity, clearing the borderline between easy and hard problems. N2 - In den letzten 40 Jahren hat sich die Komplexitätstheorie zu einem reichen und mächtigen Gebiet innerhalb der theoretischen Informatik entwickelt. Dabei ist die hauptsächliche Aufgabenstellung der Komplexitätstheorie die Klassifikation von Problemen bezüglich des Bedarfs von Rechenzeit oder Speicherplatz zu ihrer Lösung. Um die Komplexität von Problemen (d.h. den Bedarf von Resourcen) einzuordnen, werden Probleme mit ähnlichem Ressourcenbedarf in gleiche sogenannte Komplexitätsklassen einsortiert. Bei der systematischen Untersuchung einer Vielzahl von praktisch relevanten Problemen wurden jedoch keine effizienten Algorithmen für viele der untersuchten Probleme gefunden und es ist unklar, ob solche Algorithmen überhaupt existieren. Ein Durchbruch bei der Untersuchung dieser Problematik war die Einführung der Komplexitätsklassen P und NP und die Identifizierung von schwersten Problemen in NP. Diese schwierigsten Probleme von NP sind heute als sogenannte NP-vollständige Probleme bekannt. Ein prominentes Beispiel für ein NP-vollständiges Problem ist das Erfüllbarkeitsproblem für aussagenlogische Formeln (SAT). Hier ist eine aussagenlogische Formel als Eingabe gegeben und es muss bestimmt werden, ob eine Belegung der Wahrheitswertevariablen existiert, so dass diese Belegung die gegebene Formel erfüllt. Das intensive Studium der Klasse NP führte zu einer Vielzahl von anderen Komplexitätsklassen, wie z.B. die der Polynomialzeithierarchie PH, P, #P, PP, NL, L oder #L. Beim Studium dieser Klassen wurden sehr oft Probleme im Zusammenhang mit aussagenlogischen Formeln als schwierigste (vollständige) Probleme für diese Klassen identifiziert. Deshalb stellt sich folgende Frage: Welche Eigenschaften des Erfüllbarkeitsproblems SAT bewirken, dass es eines der schwersten Probleme der Klasse NP ist? Gibt es Einschränkungen oder Verallgemeinerungen des Erfüllbarkeitsproblems, die vollständig für andere bekannte Komplexitätsklassen sind? Im Zusammenhang mit solchen Fragestellungen ist ein Ergebnis von E. Post von extremem Nutzen. Er identifizierte und charakterisierte alle Klassen von Booleschen Funktionen, die unter Superposition abgeschlossen sind. Mit Hilfe dieses Resultats ist es möglich, Probleme im Zusammenhang mit verallgemeinerten Aussagenlogiken zu studieren, was in der vorliegenden Arbeit durchgeführt wurde. Dabei wurde eine Vielzahl von verschiedenen Problemen, die in Zusammenhang mit der Aussagenlogik stehen, studiert und bezüglich ihrer Komplexität klassifiziert. Dadurch wird die Grenzlinie zwischen einfach lösbaren Problemen und schweren Problemen sichtbar. KW - Erfüllbarkeitsproblem KW - Komplexitätstheorie KW - Boolesche Funktionen KW - Isomorphie KW - abgeschlossene Klassen KW - Zählprobleme KW - Computational complexity KW - Boolean functions KW - Boolean isomorphism KW - Boolean equivalence KW - Dichotomy KW - counting problems Y1 - 2001 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-74 ER - TY - THES A1 - Reitwießner, Christian T1 - Multiobjective Optimization and Language Equations T1 - Mehrkriterielle Optimierung und Sprachgleichungen N2 - Praktische Optimierungsprobleme beinhalten oft mehrere gleichberechtigte, sich jedoch widersprechende Kriterien. Beispielsweise will man bei einer Reise zugleich möglichst schnell ankommen, sie soll aber auch nicht zu teuer sein. Im ersten Teil dieser Arbeit wird die algorithmische Beherrschbarkeit solcher mehrkriterieller Optimierungsprobleme behandelt. Es werden zunächst verschiedene Lösungsbegriffe diskutiert und auf ihre Schwierigkeit hin verglichen. Interessanterweise stellt sich heraus, dass diese Begriffe für ein einkriterielles Problem stets gleich schwer sind, sie sich ab zwei Kriterien allerdings stark unterscheiden könen (außer es gilt P = NP). In diesem Zusammenhang wird auch die Beziehung zwischen Such- und Entscheidungsproblemen im Allgemeinen untersucht. Schließlich werden neue und verbesserte Approximationsalgorithmen für verschieden Varianten des Problems des Handlungsreisenden gefunden. Dabei wird mit Mitteln der Diskrepanztheorie eine Technik entwickelt, die ein grundlegendes Hindernis der Mehrkriteriellen Optimierung aus dem Weg schafft: Gegebene Lösungen so zu kombinieren, dass die neue Lösung in allen Kriterien möglichst ausgewogen ist und gleichzeitig die Struktur der Lösungen nicht zu stark zerstört wird. Der zweite Teil der Arbeit widmet sich verschiedenen Aspekten von Gleichungssystemen für (formale) Sprachen. Einerseits werden konjunktive und Boolesche Grammatiken untersucht. Diese sind Erweiterungen der kontextfreien Grammatiken um explizite Durchschnitts- und Komplementoperationen. Es wird unter anderem gezeigt, dass man bei konjunktiven Grammatiken die Vereinigungsoperation stark einschränken kann, ohne dabei die erzeugte Sprache zu ändern. Außerdem werden bestimmte Schaltkreise untersucht, deren Gatter keine Wahrheitswerte sondern Mengen von Zahlen berechnen. Für diese Schaltkreise wird das Äquivalenzproblem betrachtet, also die Frage ob zwei gegebene Schaltkreise die gleiche Menge berechnen oder nicht. Es stellt sich heraus, dass, abhängig von den erlaubten Gattertypen, die Komplexität des Äquivalenzproblems stark variiert und für verschiedene Komplexitätsklassen vollständig ist, also als (parametrisierter) Vertreter für diese Klassen stehen kann. N2 - Practical optimization problems often comprise several incomparable and conflicting objectives. When booking a trip using several means of transport, for instance, it should be fast and at the same time not too expensive. The first part of this thesis is concerned with the algorithmic solvability of such multiobjective optimization problems. Several solution notions are discussed and compared with respect to their difficulty. Interestingly, these solution notions are always equally difficulty for a single-objective problem and they differ considerably already for two objectives (unless P = NP). In this context, the difference between search and decision problems is also investigated in general. Furthermore, new and improved approximation algorithms for several variants of the traveling salesperson problem are presented. Using tools from discrepancy theory, a general technique is developed that helps to avoid an obstacle that is often hindering in multiobjective approximation: The problem of combining two solutions such that the new solution is balanced in all objectives and also mostly retains the structure of the original solutions. The second part of this thesis is dedicated to several aspects of systems of equations for (formal) languages. Firstly, conjunctive and Boolean grammars are studied, which are extensions of context-free grammars by explicit intersection and complementation operations, respectively. Among other results, it is shown that one can considerably restrict the union operation on conjunctive grammars without changing the generated language. Secondly, certain circuits are investigated whose gates do not compute Boolean values but sets of natural numbers. For these circuits, the equivalence problem is studied, i.\,e.\ the problem of deciding whether two given circuits compute the same set or not. It is shown that, depending on the allowed types of gates, this problem is complete for several different complexity classes and can thus be seen as a parametrized) representative for all those classes. KW - Mehrkriterielle Optimierung KW - Approximationsalgorithmus KW - Travelling-salesman-Problem KW - Boolesche Grammatik KW - Theoretische Informatik KW - Komplexitätstheorie KW - Boolean Grammar Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-70146 ER - TY - THES A1 - Baier, Herbert T1 - Operators of Higher Order N2 - Motivated by results on interactive proof systems we investigate the computational power of quantifiers applied to well-known complexity classes. In special, we are interested in existential, universal and probabilistic bounded error quantifiers ranging over words and sets of words, i.e. oracles if we think in a Turing machine model. In addition to the standard oracle access mechanism, we also consider quantifiers ranging over oracles to which access is restricted in a certain way. N2 - Angeregt durch die Resultate über interaktive Beweissysteme untersuchen wir Quantoren in Anwendung auf bereits bekannte Komplexitätsklassen hinsichtlich ihrer dadurch gegebenen Berechnungsmächtigkeit. Von besonderem Interesse sind dabei existentielle und universelle Quantoren sowie Quantoren mit begrenzter Fehlerwahrscheinlichkeit, die alle über Wörter oder Wortmengen (Orakel im Kontext der Turingmaschinen) quantifizieren. Außer in Bezug auf den Standardmechanismus eines Orakelzugriffs werden auch Quantifizierungen über Orakel, für deren Zugriff gewisse Beschränkungen bestehen, betrachtet. KW - Komplexitätstheorie KW - Quantor KW - Operator KW - Komplexitätsklasse Y1 - 1998 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-140799 SN - 3-8265-4008-5 PB - Shaker Verlag ER -