Beim Graphisomorphieproblem geht es um die Frage, ob zwei Graphen bis auf Knotenumbenennungen die gleiche Struktur haben. Es ist eines der wenigen verbleibenden natürlichen Probleme, für die weder ein Polynomialzeitalgorithmus noch NP-Härte bekannt ist. Aus dieser Situation ist ein Forschungszweig erwachsen, der effiziente Isomorphiealgorithmen für eingeschränkte Graphklassen entwickelt. Der Hauptbeitrag dieser Arbeit besteht in Logspace-Algorithmen, die das Isomorphieproblem für k-Bäume, Intervallgraphen, sowie Helly- und Proper-Kreisbogengraphen lösen. Dies verbessert zuvor bekannte parallele Algorithmen und führt zu einer vollständigen Klassifikation der Komplexität dieser Probleme, da für sie auch Logspace-Härte nachgewiesen wird. Tatsächlich leisten die vorgestellten Algorithmen mehr: Im Fall der k-Bäume berechnet der Algorithmus kanonische Knotenbenennungen mit O(k log n) Platz. Eine alternative Implementation des Algorithmus kommt mit O((k+1)!n) Zeit aus – hierbei ist n die Anzahl der Knoten – und ist damit der schnellste bekannte FPT-Algorithmus für Isomorphie von k-Bäumen. Die Algorithmen für Intervall- und Kreisbogengraphen berechnen kanonische Repräsentationen – das heißt, sie weisen jedem Knoten ein Intervall (beziehungsweise einen Kreisbogen) zu, sodass diese sich genau dann schneiden, wenn die zugehörigen Knoten benachbart sind, und isomorphe Eingabegraphen das gleiche Intervallmodell (beziehungsweise Kreisbogenmodell) erhalten. Außerdem werden auch Logspace-Algorithmen angegeben, die Intervallrepräsentationen mit zusätzlichen Eigenschaften berechnen – oder erkennen, dass dies nicht möglich ist: Für die resultierenden Intervallmodelle kann gefordert werden, dass sie proper sind (also kein Intervall ein anderes enthält), dass sie unit sind (also alle Intervalle die gleiche Länge haben) oder dass die Längen der paarweisen Schnitte (und optional der einzelnen Intervalle) vorgegebenen Werten entsprechen. / The graph isomorphism problem deals with the question if two graphs have the same structure up to renaming their vertices. It is one of the few remaining natural problems for which neither a polynomial-time algorithm nor NP-hardness is known. This situation has led to a branch of research that develops efficient algorithms for special cases of the graph isomorphism problem, where the input graphs are required to be from restricted graph classes. The main contribution of this thesis comprises of logspace algorithms that solve the isomorphism problem for k-trees, interval graphs, Helly circular-arc graphs and proper circular-arc graphs. This improves previously known parallel algorithms and leads to a complete classification of the complexity of these problems, as they are also shown to be hard for logspace. In fact, these algorithms achieve more: In the case of k-trees, the algorithm computes canonical labelings in space O(k log n). An alternative implementation runs in time O((k+1)!n), where n is the number of vertices, yielding the fastest known FPT algorithm for k-tree isomorphism. The algorithms for interval and circular-arc graphs actually compute canonical representations, i.e., each vertex is assigned an interval (or arc) such that these intersect each other if and only if the corresponding vertices are adjacent, and isomorphic input graphs receive the same interval (or arc) model. This thesis also presents logspace algorithms that compute interval representations with additional properties, or detect that this is not possible: The resulting interval models can be required to be proper (no interval contains another), unit (all intervals have the same length), or to satisfy prescribed lengths for pairwise intersections (and possibly prescribed lengths of intervals).

Die vorliegende Dissertation besteht aus zwei Teilen, deren gemeinsames Thema in der Frage besteht, wie mächtig Zufall als Berechnungsressource ist. Im ersten Teil beschäftigen wir uns mit zufälligen Strukturen, die -- mit hoher Wahrscheinlichkeit -- Eigenschaften haben können, die von Computeralgorithmen genutzt werden können. In zwei konkreten Fällen geben wir bis dahin unbekannte deterministische Konstruktionen solcher Strukturen: Wir derandomisieren eine randomisierte Reduktion von Alekhnovich und Razborov, indem wir bestimmte unbalancierte bipartite Expandergraphen konstruieren, und wir geben eine Reduktion von einem Problem über bipartite Graphen auf das Problem, den minmax-Wert in Dreipersonenspielen zu berechnen. Im zweiten Teil untersuchen wir die Ausdrucksstärke verschiedener Logiken, wenn sie durch zufällige Relationssymbole angereichert werden. Unser Ziel ist es, Techniken aus der deskriptiven Komplexitätstheorie für die Untersuchung randomisierter Komplexitätsklassen nutzbar zu machen, und tatsächlich können wir zeigen, dass unsere randomisierten Logiken randomisierte Komlexitätsklassen einfangen, die in der Komplexitätstheorie untersucht werden. Unter Benutzung starker Ergebnisse über die Logik erster Stufe und die Berechnungsstärke von Schaltkreisen beschränkter Tiefe geben wir sowohl positive als auch negative Derandomisierungsergebnisse für unsere Logiken. Auf der negativen Seite zeigen wir, dass randomisierte erststufige Logik gegenüber normaler erststufiger Logik an Ausdrucksstärke gewinnt, sogar auf Strukturen mit einer eingebauten Additionsrelation. Außerdem ist sie nicht auf geordneten Strukturen in monadischer zweitstufiger Logik enthalten, und auch nicht in infinitärer Zähllogik auf beliebigen Strukturen. Auf der positiven Seite zeigen wir, dass randomisierte erststufige Logik auf Strukturen mit einem unären Vokabular derandomisiert werden kann und auf additiven Strukturen in monadischer Logik zweiter Stufe enthalten ist. / This thesis is comprised of two main parts whose common theme is the question of how powerful randomness as a computational resource is. In the first part we deal with random structures which possess -- with high probability -- properties than can be exploited by computer algorithms. We then give two new deterministic constructions for such structures: We derandomise a randomised reduction due to Alekhnovich and Razborov by constructing certain unbalanced bipartite expander graphs, and we give a reduction from a problem concerning bipartite graphs to the problem of computing the minmax-value in three-player games. In the second part we study the expressive power of various logics when they are enriched by random relation symbols. Our goal is to bridge techniques from descriptive complexity with the study of randomised complexity classes, and indeed we show that our randomised logics do capture complexity classes under study in complexity theory. Using strong results on the expressive power of first-order logic and the computational power of bounded-depth circuits, we give both positive and negative derandomisation results for our logics. On the negative side, we show that randomised first-order logic gains expressive power over standard first-order logic even on structures with a built-in addition relation. Furthermore, it is not contained in monadic second-order logic on ordered structures, nor in infinitary counting logic on arbitrary structures. On the positive side, we show that randomised first-order logic can be derandomised on structures with a unary vocabulary and is contained in monadic second-order logic on additive structures.

In der klassischen Komplexitätstheorie unterscheiden wir zwischen der Klasse P von in Polynomialzeit lösbaren Problemen, und der Klasse NP-schwer von Problemen bei denen die allgemeine Annahme ist, dass diese nicht in Polynomialzeit lösbar sind. Allerdings sind viele Probleme, die wir lösen möchten, NP-schwer. Gleichzeitig besteht eine große Diskrepanz zwischen den empirisch beobachteten und den festgestellten worst-case Laufzeiten. Es ist bekannt, dass Vorverarbeitung oder Datenreduktion auf realen Instanzen zu Laufzeitverbesserungen führt. Hier stoßen wir an die Grenze der klassischen Komplexitätstheorie. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf Vorverarbeitungsalgorithmen für NP-schwere Probleme. Unser Ziel ist es, bestimmte Instanzen eines NP-schweren Problems vorverarbeiten zu können, indem wir die Struktur betrachten. Genauer gesagt, für eine gegebene Instanz und einen zusätzlichen Parameter l, möchten wir in Polynomialzeit eine äquivalente Instanz berechnen, deren Größe und Parameterwert nur durch eine Funktion im Parameterwert l beschränkt ist. In der parametrisierten Komplexitätstheorie heißen diese Algorithmen Kernelisierung. Wir werden drei NP-schwere Graphenprobleme betrachten, nämlich Vertex Cover, Edge Dominating Set und Subset Feedback Vertex Set. Für Vertex Cover werden wir bekannte Ergebnisse für Kernelisierungen vereinheitlichen, wenn der Parameter die Größe einer Entfernungsmenge zu einer gegebenen Graphklasse ist. Anschließend untersuchen wir die Kernelisierbarkeit von Edge Dominating Set. Es stellt sich heraus, dass die Kernelisierbarkeit deutlich komplexer ist. Dennoch klassifizieren wir die Existenz einer polynomiellen Kernelisierung, wenn jeder Graph in der Graphklasse eine disjunkte Vereinigung von konstant großen Komponenten ist. Schließlich betrachten wir das Subset Feedback Vertex Set Problem und zeigen, dass es eine randomisierte polynomielle Kernelisierung hat, wenn der Parameter die Lösungsgröße ist. / In classical complexity theory, we distinguish between the class P, of polynomial-time solvable problems, and the class NP-hard, of problems where the widely-held belief is that we cannot solve these problems in polynomial time. Unfortunately, many of the problems we want to solve are NP-hard. At the same time, there is a large discrepancy between the empirically observed running times and the established worst-case bounds. Using preprocessing or data reductions on real-world instances is known to lead to huge improvements in the running time. Here we come to the limits of classical complexity theory. In this thesis, we focus on preprocessing algorithms for NP-hard problems. Our goal is to find ways to preprocess certain instances of an NP-hard problem by considering the structure of the input instance. More precisely, given an instance and an additional parameter l, we want to compute in polynomial time an equivalent instance whose size and parameter value is bounded by a function in the parameter l only. In the field of parameterized complexity, these algorithms are called kernelizations. We will consider three NP-hard graph problems, namely Vertex Cover, Edge Dominating Set, and Subset Feedback Vertex Set. For Vertex Cover, we will unify known results for kernelizations when parameterized by the size of a deletion set to a specified graph class. Afterwards, we study the existence of polynomial kernelizations for Edge Dominating Set when parameterized by the size of a deletion set to a graph class. We point out that the existence of polynomial kernelizations is much more complicated than for Vertex Cover. Nevertheless, we fully classify the existence of polynomial kernelizations when every graph in the graph class is a disjoint union of constant size components. Finally, we consider graph cut problems, especially the Subset Feedback Vertex Set problem. We show that this problem has a randomized polynomial kernelization when the parameter is the solution size.

Eine der größten Herausforderungen in Data Science ist heutzutage, Daten miteinander in Beziehung zu setzen und ähnliche Daten zu finden. Hierzu kann der aus relationalen Datenbanken bekannte Join-Operator eingesetzt werden. Das Konzept der Ähnlichkeit wird häufig durch mengenbasierte Ähnlichkeitsfunktionen gemessen. Um solche Funktionen als Join-Prädikat nutzen zu können, setzt diese Arbeit voraus, dass Records aus Mengen von Tokens bestehen. Die Arbeit fokussiert sich auf den mengenbasierten Ähnlichkeitsjoin, Set Similarity Join (SSJ). Die Datenmenge, die es heute zu verarbeiten gilt, ist groß und wächst weiter. Der SSJ hingegen ist eine rechenintensive Operation. Um ihn auf großen Daten ausführen zu können, sind neue Ansätze notwendig. Diese Arbeit fokussiert sich auf das Mittel der Parallelisierung. Sie leistet folgende drei Beiträge auf dem Gebiet der SSJs. Erstens beschreibt und untersucht die Arbeit den aktuellen Stand paralleler SSJ-Ansätze. Diese Arbeit vergleicht zehn Map-Reduce-basierte Ansätze aus der Literatur sowohl analytisch als auch experimentell. Der größte Schwachpunkt aller Ansätze ist überraschenderweise eine geringe Skalierbarkeit aufgrund zu hoher Datenreplikation und/ oder ungleich verteilter Daten. Keiner der Ansätze kann den SSJ auf großen Daten berechnen. Zweitens macht die Arbeit die verfügbare hohe CPU-Parallelität moderner Rechner für den SSJ nutzbar. Sie stellt einen neuen daten-parallelen multi-threaded SSJ-Ansatz vor. Der vorgestellte Ansatz ermöglicht erhebliche Laufzeit-Beschleunigungen gegenüber der Ausführung auf einem Thread. Drittens stellt die Arbeit einen neuen hoch skalierbaren verteilten SSJ-Ansatz vor. Mit einer kostenbasierten Heuristik und einem daten-unabhängigen Skalierungsmechanismus vermeidet er Daten-Replikation und wiederholte Berechnungen. Der Ansatz beschleunigt die Join-Ausführung signifikant und ermöglicht die Ausführung auf erheblich größeren Datenmengen als bisher betrachtete parallele Ansätze. / One of today's major challenges in data science is to compare and relate data of similar nature. Using the join operation known from relational databases could help solving this problem. Given a collection of records, the join operation finds all pairs of records, which fulfill a user-chosen predicate. Real-world problems could require complex predicates, such as similarity. A common way to measure similarity are set similarity functions. In order to use set similarity functions as predicates, we assume records to be represented by sets of tokens. In this thesis, we focus on the set similarity join (SSJ) operation. The amount of data to be processed today is typically large and grows continually. On the other hand, the SSJ is a compute-intensive operation. To cope with the increasing size of input data, additional means are needed to develop scalable implementations for SSJ. In this thesis, we focus on parallelization. We make the following three major contributions to SSJ. First, we elaborate on the state-of-the-art in parallelizing SSJ. We compare ten MapReduce-based approaches from the literature analytically and experimentally. Their main limit is surprisingly a low scalability due to too high and/or skewed data replication. None of the approaches could compute the join on large datasets. Second, we leverage the abundant CPU parallelism of modern commodity hardware, which has not yet been considered to scale SSJ. We propose a novel data-parallel multi-threaded SSJ. Our approach provides significant speedups compared to single-threaded executions. Third, we propose a novel highly scalable distributed SSJ approach. With a cost-based heuristic and a data-independent scaling mechanism we avoid data replication and recomputation. A heuristic assigns similar shares of compute costs to each node. Our approach significantly scales up the join execution and processes much larger datasets than all parallel approaches designed and implemented so far.

In der klassischen Komplexitätstheorie werden worst-case Laufzeiten von Algorithmen typischerweise einzig abhängig von der Eingabegröße angegeben. In dem Kontext der parametrisierten Komplexitätstheorie versucht man die Analyse der Laufzeit dahingehend zu verfeinern, dass man zusätzlich zu der Eingabengröße noch einen Parameter berücksichtigt, welcher angibt, wie strukturiert die Eingabe bezüglich einer gewissen Eigenschaft ist. Ein parametrisierter Algorithmus nutzt dann diese beschriebene Struktur aus und erreicht so eine Laufzeit, welche schneller ist als die eines besten unparametrisierten Algorithmus, falls der Parameter klein ist. Der erste Hauptteil dieser Arbeit führt die Forschung in diese Richtung weiter aus und untersucht den Einfluss von verschieden Parametern auf die Laufzeit von bekannten effizient lösbaren Problemen. Einige vorgestellte Algorithmen sind dabei adaptive Algorithmen, was bedeutet, dass die Laufzeit von diesen Algorithmen mit der Laufzeit des besten unparametrisierten Algorithm für den größtmöglichen Parameterwert übereinstimmt und damit theoretisch niemals schlechter als die besten unparametrisierten Algorithmen und übertreffen diese bereits für leicht nichttriviale Parameterwerte. Motiviert durch den allgemeinen Erfolg und der Vielzahl solcher parametrisierten Algorithmen, welche eine vielzahl verschiedener Strukturen ausnutzen, untersuchen wir im zweiten Hauptteil dieser Arbeit, wie man solche unterschiedliche homogene Strukturen zu mehr heterogenen Strukturen vereinen kann. Ausgehend von algebraischen Ausdrücken, welche benutzt werden können, um von Parametern beschriebene Strukturen zu definieren, charakterisieren wir klar und robust heterogene Strukturen und zeigen exemplarisch, wie sich die Parameter tree-depth und modular-width heterogen verbinden lassen. Wir beschreiben dazu effiziente Algorithmen auf heterogenen Strukturen mit Laufzeiten, welche im Spezialfall mit den homogenen Algorithmen übereinstimmen. / In classical complexity theory, the worst-case running times of algorithms depend solely on the size of the input. In parameterized complexity the goal is to refine the analysis of the running time of an algorithm by additionally considering a parameter that measures some kind of structure in the input. A parameterized algorithm then utilizes the structure described by the parameter and achieves a running time that is faster than the best general (unparameterized) algorithm for instances of low parameter value. In the first part of this thesis, we carry forward in this direction and investigate the influence of several parameters on the running times of well-known tractable problems. Several presented algorithms are adaptive algorithms, meaning that they match the running time of a best unparameterized algorithm for worst-case parameter values. Thus, an adaptive parameterized algorithm is asymptotically never worse than the best unparameterized algorithm, while it outperforms the best general algorithm already for slightly non-trivial parameter values. As illustrated in the first part of this thesis, for many problems there exist efficient parameterized algorithms regarding multiple parameters, each describing a different kind of structure. In the second part of this thesis, we explore how to combine such homogeneous structures to more general and heterogeneous structures. Using algebraic expressions, we define new combined graph classes of heterogeneous structure in a clean and robust way, and we showcase this for the heterogeneous merge of the parameters tree-depth and modular-width, by presenting parameterized algorithms on such heterogeneous graph classes and getting running times that match the homogeneous cases throughout.

Die Kernaufgabe der parameterisierten Komplexität ist zu verstehen, wie Eingabestruktur die Problemkomplexität beeinflusst. Wir untersuchen diese Fragestellung aus einer granularen Perspektive und betrachten Problem-Parameter-Kombinationen mit einfach exponentieller Laufzeit, d.h., Laufzeit a^k n^c, wobei n die Eingabegröße ist, k der Parameterwert, und a und c zwei positive Konstanten sind. Unser Ziel ist es, die optimale Laufzeitbasis a für eine gegebene Kombination zu bestimmen. Für viele Zusammenhangsprobleme, wie Connected Vertex Cover oder Connected Dominating Set, ist die optimale Basis bezüglich dem Parameter Baumweite bekannt. Die Baumweite gehört zu der Klasse der Weiteparameter, welche auf natürliche Weise zu Algorithmen mit dem Prinzip der dynamischen Programmierung führen. Im ersten Teil dieser Dissertation untersuchen wir, wie sich die optimale Laufzeitbasis für diverse Zusammenhangsprobleme verändert, wenn wir zu ausdrucksstärkeren Weiteparametern wechseln. Wir entwerfen neue parameterisierte Algorithmen und (bedingte) untere Schranken, um diese optimalen Basen zu bestimmen. Insbesondere zeigen wir für die Parametersequenz Baumweite, modulare Baumweite, und Cliquenweite, dass die optimale Basis von Connected Vertex Cover bei 3 startet, sich erst auf 5 erhöht und dann auf 6, wobei hingegen die optimale Basis von Connected Dominating Set bei 4 startet, erst bei 4 bleibt und sich dann auf 5 erhöht. Im zweiten Teil gehen wir über Weiteparameter hinaus und analysieren restriktivere Arten von Parametern. Für die Baumtiefe entwerfen wir platzsparende Verzweigungsalgorithmen. Die Beweistechniken für untere Schranken bezüglich Weiteparametern übertragen sich nicht zu den restriktiveren Parametern, weshalb nur wenige optimale Laufzeitbasen bekannt sind. Um dies zu beheben untersuchen wir Knotenlöschungsprobleme. Insbesondere zeigen wir, dass die optimale Basis von Odd Cycle Transversal parameterisiert mit einem Modulator zu Baumweite 2 den Wert 3 hat. / The question at the heart of parameterized complexity is how input structure governs the complexity of a problem. We investigate this question from a fine-grained perspective and study problem-parameter-combinations with single-exponential running time, i.e., time a^k n^c, where n is the input size, k the parameter value, and a and c are positive constants. Our goal is to determine the optimal base a for a given combination. For many connectivity problems such as Connected Vertex Cover or Connecting Dominating Set, the optimal base is known relative to treewidth. Treewidth belongs to the class of width parameters, which naturally admit dynamic programming algorithms. In the first part of this thesis, we study how the optimal base changes for these connectivity problems when going to more expressive width parameters. We provide new parameterized dynamic programming algorithms and (conditional) lower bounds to determine the optimal base, in particular, we obtain for the parameter sequence treewidth, modular-treewidth, clique-width that the optimal base for Connected Vertex Cover starts at 3, increases to 5, and then to 6, whereas the optimal base for Connected Dominating Set starts at 4, stays at 4, and then increases to 5. In the second part, we go beyond width parameters and study more restrictive parameterizations like depth parameters and modulators. For treedepth, we design space-efficient branching algorithms. The lower bound techniques for width parameterizations do not carry over to these more restrictive parameterizations and as a result, only a few optimal bases are known. To remedy this, we study standard vertex-deletion problems. In particular, we show that the optimal base of Odd Cycle Transversal parameterized by a modulator to treewidth 2 is 3. Additionally, we show that similar lower bounds can be obtained in the realm of dense graphs by considering modulators consisting of so-called twinclasses.

Diese Arbeit nutzt und verfeinert Methoden der Komplexitätstheorie, um mit diesen die Komplexität dünner Instanzen zu untersuchen. Dazu gehören etwa Graphen mit wenigen Kanten oder Formeln mit wenigen Bedingungen beschränkter Weite. Dabei ergeben sich zwei natürliche Fragestellungen: (a) Gibt es einen effizienten Algorithmus, der beliebige Instanzen eines NP-schweren Problems auf äquivalente, dünne Instanzen reduziert? (b) Gibt es einen Algorithmus, der dünne Instanzen NP-schwerer Probleme bedeutend schneller löst als allgemeine Instanzen gelöst werden können? Wir formalisieren diese Fragen für verschiedene Probleme und zeigen, dass positive Antworten jeweils zu komplexitätstheoretischen Konsequenzen führen, die als unwahrscheinlich gelten. Frage (a) wird als Kommunikation modelliert, in der zwei Akteure kooperativ eine NP-schwere Sprache entscheiden möchten und dabei möglichst wenig kommunizieren. Unter der komplexitätstheoretischen Annahme, dass coNP keine Teilmenge von NP/poly ist, erhalten wir aus unseren Ergebnissen erstaunlich scharfe untere Schranken für interessante Parameter aus verschiedenen Teilgebieten der theoretischen Informatik. Im Speziellen betrifft das die Ausdünnung von Formeln, die Kernelisierung aus der parameterisierten Komplexitätstheorie, die verlustbehaftete Kompression von Entscheidungsproblemen, und die Theorie der probabilistisch verifizierbaren Beweise. Wir untersuchen Fragestellung (b) anhand der Exponentialzeitkomplexität von Zählproblemen. Unter (Varianten) der bekannten Exponentialzeithypothese (ETH) erhalten wir exponentielle untere Schranken für wichtige #P-schwere Probleme: das Berechnen der Zahl der erfüllenden Belegungen einer 2-KNF Formel, das Berechnen der Zahl aller unabhängigen Mengen in einem Graphen, das Berechnen der Permanente einer Matrix mit Einträgen 0 und 1, das Auswerten des Tuttepolynoms an festen Punkten. / In this thesis, we use and refine methods of computational complexity theory to analyze the complexity of sparse instances, such as graphs with few edges or formulas with few constraints of bounded width. Two natural questions arise in this context: (a) Is there an efficient algorithm that reduces arbitrary instances of an NP-hard problem to equivalent, sparse instances? (b) Is there an algorithm that solves sparse instances of an NP-hard problem significantly faster than general instances can be solved? We formalize these questions for different problems and show that positive answers for these formalizations would lead to consequences in complexity theory that are considered unlikely. Question (a) is modeled by a communication process, in which two players want to cooperatively decide an NP-hard language and at the same time communicate as few as possible. Under the complexity-theoretic hypothesis that coNP is not in NP/poly, our results imply surprisingly tight lower bounds for parameters of interest in several areas, namely sparsification, kernelization in parameterized complexity, lossy compression, and probabilistically checkable proofs. We study the question (b) for counting problems in the exponential time setting. Assuming (variants of) the exponential time hypothesis (ETH), we obtain asymptotically tight, exponential lower bounds for well-studied #P-hard problems: Computing the number of satisfying assignments of a 2-CNF formula, computing the number of all independent sets in a graph, computing the permanent of a matrix with entries 0 and 1, evaluating the Tutte polynomial at fixed evaluation points.

Diese Arbeit leistet Beiträge im Bereich der deskriptiven Komplexitätstheorie. Zunächst beschäftigen wir uns mit der ungelösten Frage, ob es eine Logik gibt, welche die Klasse der Polynomialzeit-Eigenschaften (PTIME) charakterisiert. Wir betrachten Graphklassen, die unter induzierten Teilgraphen abgeschlossen sind. Auf solchen Graphklassen lässt sich die 1976 von Gallai eingeführte modulare Zerlegung anwenden. Graphen, die durch modulare Zerlegung nicht zerlegbar sind, heißen prim. Wir stellen ein neues Werkzeug vor: das Modulare Zerlegungstheorem. Es reduziert (definierbare) Kanonisierung einer Graphklasse C auf (definierbare) Kanonisierung der Klasse aller primen Graphen aus C, die mit binären Relationen auf einer linear geordneten Menge gefärbt sind. Mit Hilfe des Modularen Zerlegungstheorems zeigen wir, dass Fixpunktlogik mit Zählen (FP+C) PTIME auf der Klasse aller Permutationsgraphen und auf der Klasse aller chordalen Komparabilitätsgraphen charakterisiert. Wir beweisen zudem, dass modulare Zerlegungsbäume in Symmetrisch-Transitive-Hüllen-Logik mit Zählen (STC+C) definierbar und damit in logarithmischem Platz berechenbar sind. Weiterhin definieren wir eine neue Logik für die Komplexitätsklasse Logarithmischer Platz (LOGSPACE). Wir erweitern die Logik erster Stufe mit Zählen um einen Operator, der eine in logarithmischem Platz berechenbare Form der Rekursion erlaubt. Die resultierende Logik LREC ist ausdrucksstärker als die Deterministisch-Transitive-Hüllen-Logik mit Zählen (DTC+C) und echt in FP+C enthalten. Wir zeigen, dass LREC LOGSPACE auf gerichteten Bäumen charakterisiert. Zudem betrachten wir eine Erweiterung LREC= von LREC, die sich gegenüber LREC durch bessere Abschlusseigenschaften auszeichnet und im Gegensatz zu LREC ausdrucksstärker als die Symmetrisch-Transitive-Hüllen-Logik (STC) ist. Wir beweisen, dass LREC= LOGSPACE sowohl auf der Klasse der Intervallgraphen als auch auf der Klasse der chordalen klauenfreien Graphen charakterisiert. / This theses is making contributions to the field of descriptive complexity theory. First, we look at the main open problem in this area: the question of whether there exists a logic that captures polynomial time (PTIME). We consider classes of graphs that are closed under taking induced subgraphs. For such graph classes, an effective graph decomposition, called modular decomposition, was introduced by Gallai in 1976. The graphs that are non-decomposable with respect to modular decomposition are called prime. We present a tool, the Modular Decomposition Theorem, that reduces (definable) canonization of a graph class C to (definable) canonization of the class of prime graphs of C that are colored with binary relations on a linearly ordered set. By an application of the Modular Decomposition Theorem, we show that fixed-point logic with counting (FP+C) captures PTIME on the class of permutation graphs and the class of chordal comparability graphs. We also prove that the modular decomposition tree is definable in symmetric transitive closure logic with counting (STC+C), and therefore, computable in logarithmic space. Further, we introduce a new logic for the complexity class logarithmic space (LOGSPACE). We extend first-order logic with counting by a new operator that allows it to formalize a limited form of recursion which can be evaluated in logarithmic space. We prove that the resulting logic LREC is strictly more expressive than deterministic transitive closure logic with counting (DTC+C) and that it is strictly contained in FP+C. We show that LREC captures LOGSPACE on the class of directed trees. We also study an extension LREC= of LREC that has nicer closure properties and that, unlike LREC, is more expressive than symmetric transitive closure logic (STC). We prove that LREC= captures LOGSPACE on the class of interval graphs and on the class of chordal claw-free graphs.

Diese Arbeit leistet Beiträge zu drei Gebieten der deskriptiven Komplexitätstheorie. Zunächst adaptieren wir einen repräsentationsinvarianten Graphkanonisierungsalgorithmus mit einfach exponentieller Laufzeit von Corneil und Goldberg (1984) und folgern, dass die Logik "Choiceless Polynomial Time with Counting" auf Strukturen, deren Relationen höchstens Stelligkeit 2 haben, gerade die Polynomialzeit-Eigenschaften (PTIME) von Fragmenten logarithmischer Größe charakterisiert. Der zweite Beitrag untersucht die deskriptive Komplexität von PTIME-Berechnungen auf eingeschränkten Graphklassen. Wir stellen eine neuartige Normalform von Intervallgraphen vor, die sich in Fixpunktlogik mit Zählen (FP+C) definieren lässt, was bedeutet, dass FP+C auf dieser Graphklasse PTIME charakterisiert. Wir adaptieren außerdem unsere Methoden, um einen kanonischen Beschriftungsalgorithmus für Intervallgraphen zu erhalten, der sich mit logarithmischer Platzbeschränkung (LOGSPACE) berechnen lässt. Im dritten Teil der Arbeit beschäftigt uns die ungelöste Frage, ob es eine Logik gibt, die alle Polynomialzeit-Berechnungen charakterisiert. Wir führen eine Reihe von Ranglogiken ein, die die Fähigkeit besitzen, den Rang von Matrizen über Primkörpern zu berechnen. Wir zeigen, dass diese Ergänzung um lineare Algebra robuste Logiken hervor bringt, deren Ausdrucksstärke die von FP+C übertrifft. Außerdem beweisen wir, dass Ranglogiken strikt an Ausdrucksstärke gewinnen, wenn wir die Zahl an Variablen erhöhen, die die betrachteten Matrizen indizieren. Dann bauen wir eine Brücke zur klassischen Komplexitätstheorie, indem wir über geordneten Strukturen eine Reihe von Komplexitätsklassen zwischen LOGSPACE und PTIME durch Ranglogiken charakterisieren. Die Arbeit etabliert die stärkste der Ranglogiken als Kandidat für die Charakterisierung von PTIME und legt nahe, dass Ranglogiken genauer erforscht werden müssen, um weitere Fortschritte im Hinblick auf eine Logik für Polynomialzeit zu erzielen. / This thesis is making contributions to three strands of descriptive complexity theory. First, we adapt a representation-invariant, singly exponential-time graph canonization algorithm of Corneil and Goldberg (1984) and conclude that on structures whose relations are of arity at most 2, the logic "Choiceless Polynomial Time with Counting" precisely characterizes the polynomial-time (PTIME) properties of logarithmic-size fragments. The second contribution investigates the descriptive complexity of PTIME computations on restricted classes of graphs. We present a novel canonical form for the class of interval graphs which is definable in fixed-point logic with counting (FP+C), which shows that FP+C captures PTIME on this graph class. We also adapt our methods to obtain a canonical labeling algorithm for interval graphs which is computable in logarithmic space (LOGSPACE). The final part of this thesis takes aim at the open question whether there exists a logic which generally captures polynomial-time computations. We introduce a variety of rank logics with the ability to compute the ranks of matrices over (finite) prime fields. We argue that this introduction of linear algebra results in robust logics whose expressiveness surpasses that of FP+C. Additionally, we establish that rank logics strictly gain in expressiveness when increasing the number of variables that index the matrices we consider. Then we establish a direct connection to standard complexity theory by showing that in the presence of orders, a variety of complexity classes between LOGSPACE and PTIME can be characterized by suitable rank logics. Our exposition provides evidence that rank logics are a natural object to study and establishes the most expressive of our rank logics as a viable candidate for capturing PTIME, suggesting that rank logics need to be better understood if progress is to be made towards a logic for polynomial time.

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.