In dieser Arbeit wird das dynamische Auswertungsproblem über dynamische Datenbanken betrachtet, bei denen Tupel hinzugefügt oder gelöscht werden können. Die Aufgabe besteht darin einen dynamischen Algorithmus zu konstruieren, welcher unmittelbar nachdem die Datenbank aktualisiert wurde, die Datenstruktur, die das Resultat repräsentiert, aktualisiert. Die Datenstruktur soll in konstanter Zeit aktualisiert werden und das Folgende unterstützen: * Teste in konstanter Zeit ob ein Tupel zur Ausgabemenge gehört, * gebe die Anzahl der Tupel in der Ausgabemenge in konstanter Zeit aus, * zähle die Tupel aus der Ausgabemenge mit konstanter Taktung auf und * zähle den Unterschied zwischen der neuen und der alten Ausgabemenge mit konstanter Taktung auf. Im ersten Teil werden konjunktive Anfragen und Vereinigungen konjunktiver Anfragen auf relationalen Datenbanken betrachtet. Die Idee der q-hierarchischen Anfragen (und t-hierarchische Anfragen für das Testen) wird eingeführt und es wird gezeigt, dass das Resultat für jede q-hierarchische Anfrage auf dynamischen Datenbanken effizient in dem oben beschriebenen Szenario ausgewertet werden können. Konjunktive Anfragen mit Aggregaten werden weiterhin betrachtet. Es wird gezeigt, dass das Lernen von polynomiellen Regressionsfunktionen in konstanter Zeit vorbereitet werden kann, falls die Trainingsdaten aus dem Anfrageergebnis kommen. Mit logarithmischer Update-Zeit kann folgende Routine unterstützt werden: Bei Eingabe einer Zahl j, gebe das j-te Tupel aus der Aufzählung aus. Im zweiten Teil werden Anfragen, die Formeln der Logik erster Stufe (FO) und deren Erweiterung mit Modulo-Zähl Quantoren (FO+MOD) sind, betrachtet, und es wird gezeigt, dass diese effizient unter Aktualisierungen ausgewertet können, wobei die dynamische Datenbank die Gradschranke nicht überschreitet, und bei der Auswertung die Zähl-, Test-, Aufzähl- und die Unterschied-Routine unterstützt werden. / This thesis investigates the query evaluation problem for fixed queries over fully dynamic databases, where tuples can be inserted or deleted. The task is to design a dynamic algorithm that immediately reports the new result of a fixed query after every database update. In particular, the goal is to construct a data structure that allows to support the following scenario. After every database update, the data structure can be updated in constant time such that afterwards we are able * to test within constant time for a given tuple whether or not it belongs to the query result, * to output the number of tuples in the query result, * to enumerate all tuples in the new query result with constant delay and * to enumerate the difference between the old and the new query result with constant delay. In the first part, conjunctive queries and unions of conjunctive queries on arbitrary relational databases are considered. The notion of q-hierarchical conjunctive queries (and t-hierarchical conjunctive queries for testing) is introduced and it is shown that the result of each such query on a dynamic database can be maintained efficiently in the sense described above. Moreover, this notion is extended to aggregate queries. It is shown that the preparation of learning a polynomial regression function can be done in constant time if the training data are taken (and maintained under updates) from the query result of a q-hierarchical query. With logarithmic update time the following routine is supported: upon input of a natural number j, output the j-th tuple that will be enumerated. In the second part, queries in first-order logic (FO) and its extension with modulo-counting quantifiers (FO+MOD) are considered, and it is shown that they can be efficiently evaluated under updates, provided that the dynamic database does not exceed a certain degree bound, and the counting, testing, enumeration and difference routines is supported.

Normalformen drücken semantische Eigenschaften einer Logik durch syntaktische Restriktionen aus. Sie ermöglichen es Algorithmen, Grenzen der Ausdrucksstärke einer Logik auszunutzen. Ein Beispiel ist die Lokalität der Logik erster Stufe (FO), die impliziert, dass Graph-Eigenschaften wie Erreichbarkeit oder Zusammenhang nicht FO-definierbar sind. Gaifman-Normalformen drücken die Bedeutung einer FO-Formel als Boolesche Kombination lokaler Eigenschaften aus. Sie haben eine wichtige Rolle in Model-Checking Algorithmen für Klassen dünn besetzter Graphen, deren Laufzeit durch die Größe der auszuwertenden Formel parametrisiert ist. Es ist jedoch bekannt, dass Gaifman-Normalformen im Allgemeinen nur mit nicht-elementarem Aufwand konstruiert werden können. Dies führt zu einer enormen Parameterabhängigkeit der genannten Algorithmen. Ähnliche nicht-elementare untere Schranken sind auch für Feferman-Vaught-Zerlegungen und für die Erhaltungssätze von Lyndon, Łoś und Tarski bekannt. Diese Arbeit untersucht die Komplexität der genannten Normalformen auf Klassen von Strukturen beschränkten Grades, für welche die nicht-elementaren unteren Schranken nicht gelten. Für diese Einschränkung werden Algorithmen mit elementarer Laufzeit für die Konstruktion von Gaifman-Normalformen, Feferman-Vaught-Zerlegungen, und für die Erhaltungssätze von Lyndon, Łoś und Tarski entwickelt, die in den ersten beiden Fällen worst-case optimal sind. Wichtig hierfür sind Hanf-Normalformen. Es wird gezeigt, dass eine Erweiterung von FO durch unäre Zählquantoren genau dann Hanf-Normalformen erlaubt, wenn alle Zählquantoren ultimativ periodisch sind, und wie Hanf-Normalformen in diesen Fällen in elementarer und worst-case optimaler Zeit konstruiert werden können. Dies führt zu Model-Checking Algorithmen für solche Erweiterungen von FO sowie zu Verallgemeinerungen der Algorithmen für Feferman-Vaught-Zerlegungen und die Erhaltungssätze von Lyndon, Łoś und Tarski. / Normal forms express semantic properties of logics by means of syntactical restrictions. They allow algorithms to benefit from restrictions of the expressive power of a logic. An example is the locality of first-order logic (FO), which implies that properties like reachability or connectivity cannot be defined in FO. Gaifman's local normal form expresses the satisfaction conditions of an FO-formula by a Boolean combination of local statements. Gaifman normal form serves as a first step in fixed-parameter model-checking algorithms, parameterised by the size of the formula, on sparse graph classes. However, it is known that in general, there are non-elementary lower bounds for the costs involved in transforming a formula into Gaifman normal form. This leads to an enormous parameter-dependency of the aforementioned algorithms. Similar non-elementary lower bounds also hold for Feferman-Vaught decompositions and for the preservation theorems by Lyndon, Łoś, and Tarski. This thesis investigates the complexity of these normal forms when restricting attention to classes of structures of bounded degree, for which the non-elementary lower bounds are known to fail. Under this restriction, the thesis provides algorithms with elementary and even worst-case optimal running time for the construction of Gaifman normal form and Feferman-Vaught decompositions. For the preservation theorems, algorithmic versions with elementary running time and non-matching lower bounds are provided. Crucial for these results is the notion of Hanf normal form. It is shown that an extension of FO by unary counting quantifiers allows Hanf normal forms if, and only if, all quantifiers are ultimately periodic, and furthermore, how Hanf normal form can be computed in elementary and worst-case optimal time in these cases. This leads to model-checking algorithms for such extensions of FO and also allows generalisations of the constructions for Feferman-Vaught decompositions and preservation theorems.