CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / NÃs investigamos a teoria dos modelos de LÃgicas Preferenciais, LÃgica HÃbrida e fragmentos da LÃgica de Segunda-Ordem com relaÃÃo a modelos finitos. A semÃnticas dessas lÃgicas diferem da abordagem clÃssica pelo uso de relaÃÃes entre modelos ou por restringir a cardinalidade dos modelos a cardinais finitos. Este trabalho tem trÃs partes. Na primeira parte deste trabalho nÃs estudamos a teoria dos modelos de lÃgicas preferenciais. LÃgicas preferenciais surgem no contexto do raciocÃnio nÃo-monotÃnico em InteligÃncia Artificial. A principal caracterÃstica dessas lÃgicas à a existÃncia de uma relaÃÃo entre modelos. Isso permite a definiÃÃo de uma relaÃÃo de consequÃncia nÃo monotÃnica considerando-se os modelos minimais de um conjunto de sentenÃas. Usando a abordagem da Teoria dos Modelos Abstrata, nÃs generalizamos alguns resultados de expressividade para classes de lÃgicas preferenciais. NÃs mostramos que sempre que uma classe de modelos minimais de um conjunto finito de sentenÃas à axiomatizÃvel, entÃo tal classe à finitamente axiomatizÃvel. NÃs mostramos que se tal classe define implicitamente um sÃmbolo do vocabulÃrio, existe uma axiomatizaÃÃo finita de uma forma particular, a saber, o conjunto finito de sentenÃas inicial mais uma definiÃÃo explÃcita para o sÃmbolo definido. Na segunda parte desse trabalho, nÃs investigamos a teoria dos modelos finitos da LÃgica HÃbrida. LÃgicas HÃbridas sÃo extensÃes da lÃgica modal atravÃs de termos hÃbridos que se referem a estados individuais em um modelo de Kripke. NÃs estudamos a complexidade computacional dos problemas de model- e frame- checking para a LÃgica HÃbrida. NÃs mostramos que para cada problema de grafos na Hierarquia Polinomial e cada nÃmero n, existe uma fÃrmula que exprime esse problema para grafos de cardinalidade n. NÃs mostramos que o tamanho das fÃrmulas à limitado por um polinÃmio em n. NÃs mostramos que podemos abrir mÃo das modalidades globais se nos limitarmos a grafos conexos com loops. NÃs definimos fragmentos da LÃgica HÃbrida que correspondem a cada nÃvel da Hierarquia Polinomial. Isso nos leva a uma prova alternativa da NP-dificuldade do problema de model-checking para um fragmento especÃfico de da LÃgica HÃbrida. Na Ãltima parte desse trabalho, nÃs exploramos a complexidade descritiva da lÃgica obtida ao restringirmos a quantificaÃÃo de segunda-ordem a relaÃÃes de grau limitado. Baseados em trabalhos anteriores de Schwentick et al. e de Grandjean e Olive, nÃs introduzimos a LÃgica de Segunda-Ordem de Grau Limitado e mostramos que ela captura a classe ALIN de classes de estruturas unÃrias aceitas por uma mÃquina de acesso randÃmico em tempo linear e um nÃmero fixo de alternÃncias dependente apenas do problema. NÃs estendemos essa lÃgica com o operador de fecho transitivo sobre relaÃÃes de ordem superior sobre relaÃÃes de grau limitado. NÃs mostramos que a LÃgica de Segunda- Ordem de Grau Limitado com Fecho Transitivo captura quantidade linear de registradores em uma mÃquina de acesso randÃmico nÃo-determinÃstica onde os valores armazenados em cada registrador durante a computaÃÃo sÃo limitados por uma funÃÃo linear na cardinalidade da estrutura de entrada. / We investigate the model theory of Preferential Logics, Hybrid Logic and fragments of Second-Order Logic with respect to finite models. The semantics of these logics differ from the semantics of classical logics either by using relations between models or by restricting the cardinality of the models considered. This work has three main parts. In the first part of this work we study the model theory of preferential logics. Preferential logics arise in the context of nonmonotonic reasoning in Artificial Intelligence. The main characteristic of those logics is the existence of a relation between models. It allows the definition of a nonmonotonic consequence relation by considering the minimal models of a set of sentences. Using the approach of Abstract Model Theory we generalize some expressiveness results to classes of preferential logics. We show that whenever a class of minimal models of a finite set of sentences is axiomatizable, without considering the preference relation, then it is finitely axiomatizable. We also show that when such class of minimal models implicitly defines a symbol, then the finite axiomatization can be put in a very specic form, namely, the initial set of sentences plus a explicit definition for the symbol. In the second part of this work, we investigate the finite model theory of Hybrid Logic. Hybrid Logics are extensions of modal logics with hybrid terms which refer to single states in a Kripke model. We study the complexity of the model- and frame-checking problems for Hybrid Logic. We show that for each graph problem in the Polynomial Hierarchy and each natural number n there is a formula which expresses this problem for graphs of cardinality n. We also show that the size of such formulas is bounded by a polynomial in n. We show that one can disregard the global modalities if one consider only connected graphs with loops. We define fragments which correspond to each degree of the Polynomial Hierarchy. This leads to an alternative proof of the NP-hardness of the model-checking problem for an specic fragment of Full Hybrid Logic. In the last part of this work, we explore the descriptive complexity of the logic obtained by restricting second-order quantication to relations of bounded degree. Based on previous work from Schwentick et al. and Grandjean and Olive, we introduce the Bounded-Degree Second-Order Logic and show that it captures the class ALIN of classes of unary structures accepted by a alternating random access machine in linear time and bounded number of alternations. We also extend this logic with the transitive closure operator on high-order relations on bounded-degree relations. We show that the Bounded-Degree Second-Order Logic with Transitive Closure Operator captures linear number of registers in a nondeterministic random access machine provided that registers store values bounded by a linear function in the cardinality of the input structure.

FERREIRA, Francicleber Martins. Expressividade e complexidade em lógicas preferenciais, híbridas e de grau limitado. 2012. 130 f. Tese (Doutorado em ciência da computação)- Universidade Federal do Ceará, Fortaleza-CE, 2012. / Submitted by Elineudson Ribeiro (elineudsonr@gmail.com) on 2016-07-20T11:58:10Z No. of bitstreams: 1 2012_tese_fmferreira.pdf: 772301 bytes, checksum: b1e1a404221e38ffb8e0712513749a4c (MD5) / Approved for entry into archive by Rocilda Sales (rocilda@ufc.br) on 2016-07-25T11:47:07Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2012_tese_fmferreira.pdf: 772301 bytes, checksum: b1e1a404221e38ffb8e0712513749a4c (MD5) / Made available in DSpace on 2016-07-25T11:47:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2012_tese_fmferreira.pdf: 772301 bytes, checksum: b1e1a404221e38ffb8e0712513749a4c (MD5) Previous issue date: 2012 / We investigate the model theory of Preferential Logics, Hybrid Logic and fragments of Second-Order Logic with respect to finite models. The semantics of these logics differ from the semantics of classical logics either by using relations between models or by restricting the cardinality of the models considered. This work has three main parts. In the first part of this work we study the model theory of preferential logics. Preferential logics arise in the context of nonmonotonic reasoning in Artificial Intelligence. The main characteristic of those logics is the existence of a relation between models. It allows the definition of a nonmonotonic consequence relation by considering the minimal models of a set of sentences. Using the approach of Abstract Model Theory we generalize some expressiveness results to classes of preferential logics. We show that whenever a class of minimal models of a finite set of sentences is axiomatizable, without considering the preference relation, then it is finitely axiomatizable. We also show that when such class of minimal models implicitly defines a symbol, then the finite axiomatization can be put in a very specic form, namely, the initial set of sentences plus a explicit definition for the symbol. In the second part of this work, we investigate the finite model theory of Hybrid Logic. Hybrid Logics are extensions of modal logics with hybrid terms which refer to single states in a Kripke model. We study the complexity of the model- and frame-checking problems for Hybrid Logic. We show that for each graph problem in the Polynomial Hierarchy and each natural number n there is a formula which expresses this problem for graphs of cardinality n. We also show that the size of such formulas is bounded by a polynomial in n. We show that one can disregard the global modalities if one consider only connected graphs with loops. We define fragments which correspond to each degree of the Polynomial Hierarchy. This leads to an alternative proof of the NP-hardness of the model-checking problem for an specic fragment of Full Hybrid Logic. In the last part of this work, we explore the descriptive complexity of the logic obtained by restricting second-order quantication to relations of bounded degree. Based on previous work from Schwentick et al. and Grandjean and Olive, we introduce the Bounded-Degree Second-Order Logic and show that it captures the class ALIN of classes of unary structures accepted by a alternating random access machine in linear time and bounded number of alternations. We also extend this logic with the transitive closure operator on high-order relations on bounded-degree relations. We show that the Bounded-Degree Second-Order Logic with Transitive Closure Operator captures linear number of registers in a nondeterministic random access machine provided that registers store values bounded by a linear function in the cardinality of the input structure. / Nós investigamos a teoria dos modelos de Lógicas Preferenciais, Lógica Híbrida e fragmentos da Lógica de Segunda-Ordem com relação a modelos finitos. A semânticas dessas lógicas diferem da abordagem clássica pelo uso de relações entre modelos ou por restringir a cardinalidade dos modelos a cardinais finitos. Este trabalho tem três partes. Na primeira parte deste trabalho nós estudamos a teoria dos modelos de lógicas preferenciais. Lógicas preferenciais surgem no contexto do raciocínio não-monotônico em Inteligência Artificial. A principal característica dessas lógicas é a existência de uma relação entre modelos. Isso permite a definição de uma relação de consequência não monotônica considerando-se os modelos minimais de um conjunto de sentenças. Usando a abordagem da Teoria dos Modelos Abstrata, nós generalizamos alguns resultados de expressividade para classes de lógicas preferenciais. Nós mostramos que sempre que uma classe de modelos minimais de um conjunto finito de sentenças é axiomatizável, então tal classe é finitamente axiomatizável. Nós mostramos que se tal classe define implicitamente um símbolo do vocabulário, existe uma axiomatização finita de uma forma particular, a saber, o conjunto finito de sentenças inicial mais uma definição explícita para o símbolo definido. Na segunda parte desse trabalho, nós investigamos a teoria dos modelos finitos da Lógica Híbrida. Lógicas Híbridas são extensões da lógica modal através de termos híbridos que se referem a estados individuais em um modelo de Kripke. Nós estudamos a complexidade computacional dos problemas de model- e frame- checking para a Lógica Híbrida. Nós mostramos que para cada problema de grafos na Hierarquia Polinomial e cada número n, existe uma fórmula que exprime esse problema para grafos de cardinalidade n. Nós mostramos que o tamanho das fórmulas é limitado por um polinômio em n. Nós mostramos que podemos abrir mão das modalidades globais se nos limitarmos a grafos conexos com loops. Nós definimos fragmentos da Lógica Híbrida que correspondem a cada nível da Hierarquia Polinomial. Isso nos leva a uma prova alternativa da NP-dificuldade do problema de model-checking para um fragmento específico de da Lógica Híbrida. Na última parte desse trabalho, nós exploramos a complexidade descritiva da lógica obtida ao restringirmos a quantificação de segunda-ordem a relações de grau limitado. Baseados em trabalhos anteriores de Schwentick et al. e de Grandjean e Olive, nós introduzimos a Lógica de Segunda-Ordem de Grau Limitado e mostramos que ela captura a classe ALIN de classes de estruturas unárias aceitas por uma máquina de acesso randômico em tempo linear e um número fixo de alternâncias dependente apenas do problema. Nós estendemos essa lógica com o operador de fecho transitivo sobre relações de ordem superior sobre relações de grau limitado. Nós mostramos que a Lógica de Segunda- Ordem de Grau Limitado com Fecho Transitivo captura quantidade linear de registradores em uma máquina de acesso randômico não-determinística onde os valores armazenados em cada registrador durante a computação são limitados por uma função linear na cardinalidade da estrutura de entrada.

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.