Multiobjective Optimization and Language Equations

Mehrkriterielle Optimierung und Sprachgleichungen

  • 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 consiPractical 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.show moreshow less
  • 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 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.show moreshow less

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Metadaten
Author: Christian Reitwießner
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-70146
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Mathematik und Informatik
Faculties:Fakultät für Mathematik und Informatik / Institut für Informatik
Date of final exam:2012/03/26
Language:English
Year of Completion:2011
Dewey Decimal Classification:0 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke / 00 Informatik, Wissen, Systeme / 004 Datenverarbeitung; Informatik
GND Keyword:Approximationsalgorithmus; Mehrkriterielle Optimierung; Travelling-salesman-Problem
Tag:Boolesche Grammatik; Komplexitätstheorie; Theoretische Informatik
Boolean Grammar
CCS-Classification:F. Theory of Computation / F.1 COMPUTATION BY ABSTRACT DEVICES / F.1.3 Complexity Measures and Classes (F.2) (REVISED)
F. Theory of Computation / F.2 ANALYSIS OF ALGORITHMS AND PROBLEM COMPLEXITY (B.6-7, F.1.3) / F.2.2 Nonnumerical Algorithms and Problems (E.2-5, G.2, H.2-3)
F. Theory of Computation / F.4 MATHEMATICAL LOGIC AND FORMAL LANGUAGES / F.4.2 Grammars and Other Rewriting Systems (D.3.1)
Release Date:2012/03/30
Advisor:PD Dr. Christian Glaßer
Licence (German):License LogoCC BY: Creative-Commons-Lizenz: Namensnennung

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