Behandelt werden zufällige lineare Gleichungssysteme modulo 3, wobei in jeder Gleichung genau k Variablen vorkommen. Es wird gezeigt, dass der Schwellwert der Lösbarkeit solcher Gleichungssysteme bei der 2-Kern-Dichte von 1 liegt. Das Resultat ist eine Verallgemeinerung bereits bekannter Resultate für den modulo 2 Fall. Dabei entsteht der 2-Kern dadurch, dass wir alle Variablen mit nur einem Vorkommen löschen. Die Dichte ist definiert als der Quotient der Anzahl der Gleichungen durch die Anzahl der Variablen. Im Rückblick ist dieses Resultat ein natürlicher Schwellwert und die Vermutung liegt nahe, dass er bei analogen Situationen über anderen Strukturen als Z3 auch gelten sollte. Allerdings sind schon im modulo 2 Fall die analytischen Probleme nicht gering, und der hier behandelte Fall braucht weitere analytische Einsichten.

Recently, verification and analysis of data words have gained a lot of interest. Metric temporal logic (MTL) and timed propositional temporal logic (TPTL) are two extensions of Linear time temporal logic (LTL). In MTL, the temporal operator are indexed by a constraint interval. TPTL is a more powerful logic that is equipped with a freeze formalism. It uses register variables, which can be set to the current data value and later these register variables can be compared with the current data value. For monotonic data words, Alur and Henzinger proved that MTL and TPTL are equally expressive and the satisfiability problem is decidable. We study the expressive power, satisfiability problems and path checking problems for MLT and TPTL over all data words. We introduce Ehrenfeucht-Fraisse games for MTL and TPTL. Using the EF-game for MTL, we show that TPTL is strictly more expressive than MTL. Furthermore, we show that the MTL definability problem that whether a TPTL-formula is definable in MTL is not decidable. When restricting the number of register variables, we are able to show that TPTL with two register variables is strictly more expressive than TPTL with one register variable. For the satisfiability problem, we show that for MTL, the unary fragment of MTL and the pure fragment of MTL, SAT is not decidable. We prove the undecidability by reductions from the recurrent state problem and halting problem of two-counter machines. For the positive fragments of MTL and TPTL, we show that a positive formula is satisfiable if and only it is satisfied by a finite data word. Finitary SAT and infinitary SAT coincide for positive MTL and positive TPTL. Both of them are r.e.-complete. For existential TPTL and existential MTL, we show that SAT is NP-complete. We also investigate the complexity of path checking problems for TPTL and MTL over data words. These data words can be either finite or infinite periodic. For periodic words without data values, the complexity of LTL model checking belongs to the class AC^1(LogDCFL). For finite monotonic data words, the same complexity bound has been shown for MTL by Bundala and Ouaknine. We show that path checking for TPTL is PSPACE-complete, and for MTL is P-complete. If the number of register variables allowed is restricted, we obtain path checking for TPTL with only one register variable is P-complete over both infinite and finite data words; for TPTL with two register variables is PSPACE-complete over infinite data words. If the encoding of constraint numbers of the input TPTL-formula is in unary notation, we show that path checking for TPTL with a constant number of variables is P-complete over infinite unary encoded data words. Since the infinite data word produced by a deterministic one-counter machine is periodic, we can transfer all complexity results for the infinite periodic case to model checking over deterministic one-counter machines.

Behandelt werden zufällige lineare Gleichungssysteme modulo 3, wobei in jeder Gleichung genau k Variablen vorkommen. Es wird gezeigt, dass der Schwellwert der Lösbarkeit solcher Gleichungssysteme bei der 2-Kern-Dichte von 1 liegt. Das Resultat ist eine Verallgemeinerung bereits bekannter Resultate für den modulo 2 Fall. Dabei entsteht der 2-Kern dadurch, dass wir alle Variablen mit nur einem Vorkommen löschen. Die Dichte ist definiert als der Quotient der Anzahl der Gleichungen durch die Anzahl der Variablen. Im Rückblick ist dieses Resultat ein natürlicher Schwellwert und die Vermutung liegt nahe, dass er bei analogen Situationen über anderen Strukturen als Z3 auch gelten sollte. Allerdings sind schon im modulo 2 Fall die analytischen Probleme nicht gering, und der hier behandelte Fall braucht weitere analytische Einsichten.

Description Logics (DLs) are a family of knowledge representation formalisms used for terminological reasoning. They have a wide range of applications such as medical knowledge-bases, or the semantic web. Research on DLs has been focused on the development of sound and complete inference algorithms to decide satisfiability and subsumption for increasingly expressive DLs. Non-standard inferences are a group of relatively new inference services which provide reasoning support for the building, maintaining, and deployment of DL knowledge-bases. So far, non-standard inferences are not available for very expressive DLs. In this paper we present first results on non-standard inferences for DLs with transitive roles. As a basis, we give a structural characterization of subsumption for DLs where existential and value restrictions can be imposed on transitive roles. We propose sound and complete algorithms to compute the least common subsumer (lcs).

Diese Arbeit befasst sich mit Worst-Case-Algorithmen für das Erfüllbarkeitsproblem boolescher Ausdrücke in konjunktiver Normalform. Im Wesentlichen betrachten wir Laufzeitschranken drei verschiedener Algorithmen, zwei für 3-SAT und einen für Unique-k-SAT. Wir entwickeln einen randomisierten Algorithmus, der eine Lösung eines erfüllbaren 3-KNF-Ausdrucks G mit n Variablen mit einer erwarteten Laufzeit von O(1.32793^n) findet. Der Algorithmus basiert auf der Analyse sogenannter Strings, welche Sequenzen von Klauseln der Länge drei sind. Dabei dürfen einerseits nicht aufeinanderfolgende Klauseln keine Variablen und andererseits aufeinanderfolgende Klauseln ein oder zwei Variablen gemeinsam haben. Gibt es wenige Strings, so treffen wir wahrscheinlich bereits während der String-Suche auf eine Lösung von G. 1999 entwarf Schöning einen Algorithmus mit einer Schranke von O(1.3334^n) für 3-SAT. Viele Strings erlauben es, die Laufzeit dieses Algorithmusses zu verbessern. Weiterhin werden wir den PPSZ-Algorithmus für Unique-k-SAT derandomisieren. Der 1998 von Paturi, Pudlak, Saks und Zane vorgestellte PPSZ-Algorithmus hat die besondere Eigenschaft, dass die Lösung eines eindeutig erfüllbaren 3-KNF-Ausdrucks in höchstens O(1.3071^n) erwarteter Laufzeit gefunden wird. Die derandomisierte Variante des Algorithmusses für Unique-k-SAT hat im Wesentlichen die gleiche Laufzeitschranke. Wir erreichen damit die momentan beste deterministische Worst-Case-Schranke für Unique-k-SAT. Zur Derandomisierung wenden wir die "Methode der kleinen Zufallsräume" an. Schließlich verbessern wir die Schranke für den Algorithmus von Iwama und Tamaki. 2003 kombinierten Iwama und Tamaki den PPSZ-Algorithmus mit Schönigs Algorithmus und konnten eine Schranke von O(1.3238^n) bewiesen. Um seinen Beitrag zum kombinierten Algorithmus zu steigern, justieren wir die Schranke des PPSZ-Algorithmusses. Damit erhalten wir die momentan beste randomisierte Worst-Case-Schranke für das 3-SAT-Problem von O(1.32216^n). / This work deals with worst-case algorithms for the satisfiability problem regarding boolean formulas in conjunctive normal form. The main part of this work consists of the analysis of the running time of three different algorithms, two for 3-SAT and one for Unique-k-SAT. We establish a randomized algorithm that finds a satisfying assignment for a satisfiable 3-CNF formula G on n variables in O(1.32793^n) expected running time. The algorithm is based on the analysis of so-called strings, which are sequences of clauses of size three, whereby non-succeeding clauses do not share a variable, and succeeding clauses share one or two variables. If there are not many strings, it is likely that we already encounter a solution of G while searching for strings. In 1999, Schöning proved a bound of O(1.3334^n) for 3-SAT. If there are many strings, we use them to improve the running time of Schöning''s algorithm. Furthermore, we derandomize the PPSZ algorithm for Unique-k-SAT. The PPSZ algorithm presented by Paturi, Pudlak, Saks, and Zane in 1998 has the feature that the solution of a uniquely satisfiable 3-CNF formula can be found in expected running time at most O(1.3071^n). In general, we will obtain a derandomized version of the algorithm for Unique-k-SAT that has essentially the same bound as the randomized version. This settles the currently best known deterministic worst-case bound for the Unique-k-SAT problem. We apply the `Method of Small Sample Spaces'' in order to derandomize the algorithm. Finally, we improve the bound for the algorithm of Iwama and Tamaki to get the currently best known randomized worst-case bound for the 3-SAT problem of O(1.32216^n). In 2003 Iwama and Tamaki combined Schöning''s and the PPSZ algorithm to yield an O(1.3238^n) bound. We tweak the bound for the PPSZ algorithm to get a slightly better contribution to the combined algorithm.

Recently, verification and analysis of data words have gained a lot of interest. Metric temporal logic (MTL) and timed propositional temporal logic (TPTL) are two extensions of Linear time temporal logic (LTL). In MTL, the temporal operator are indexed by a constraint interval. TPTL is a more powerful logic that is equipped with a freeze formalism. It uses register variables, which can be set to the current data value and later these register variables can be compared with the current data value. For monotonic data words, Alur and Henzinger proved that MTL and TPTL are equally expressive and the satisfiability problem is decidable. We study the expressive power, satisfiability problems and path checking problems for MLT and TPTL over all data words. We introduce Ehrenfeucht-Fraisse games for MTL and TPTL. Using the EF-game for MTL, we show that TPTL is strictly more expressive than MTL. Furthermore, we show that the MTL definability problem that whether a TPTL-formula is definable in MTL is not decidable. When restricting the number of register variables, we are able to show that TPTL with two register variables is strictly more expressive than TPTL with one register variable. For the satisfiability problem, we show that for MTL, the unary fragment of MTL and the pure fragment of MTL, SAT is not decidable. We prove the undecidability by reductions from the recurrent state problem and halting problem of two-counter machines. For the positive fragments of MTL and TPTL, we show that a positive formula is satisfiable if and only it is satisfied by a finite data word. Finitary SAT and infinitary SAT coincide for positive MTL and positive TPTL. Both of them are r.e.-complete. For existential TPTL and existential MTL, we show that SAT is NP-complete. We also investigate the complexity of path checking problems for TPTL and MTL over data words. These data words can be either finite or infinite periodic. For periodic words without data values, the complexity of LTL model checking belongs to the class AC^1(LogDCFL). For finite monotonic data words, the same complexity bound has been shown for MTL by Bundala and Ouaknine. We show that path checking for TPTL is PSPACE-complete, and for MTL is P-complete. If the number of register variables allowed is restricted, we obtain path checking for TPTL with only one register variable is P-complete over both infinite and finite data words; for TPTL with two register variables is PSPACE-complete over infinite data words. If the encoding of constraint numbers of the input TPTL-formula is in unary notation, we show that path checking for TPTL with a constant number of variables is P-complete over infinite unary encoded data words. Since the infinite data word produced by a deterministic one-counter machine is periodic, we can transfer all complexity results for the infinite periodic case to model checking over deterministic one-counter machines.

We introduce a modal language L which is obtained from standard modal logic by adding the Boolean operators on accessibility relations, the identity relation, and the converse of relations. It is proved that L has the same expressive power as the two-variable fragment FO² of first-order logic, but speaks less succinctly about relational structures: if the number of relations is bounded, then L-satisfiability is EXPTIME-complete but FO² satisfiability is NEXPTIME-complete. We indicate that the relation between L and FO² provides a general framework for comparing modal and temporal languages with first-order languages.

Quantified Boolean formulas (QBFs) play an important role in theoretical computer science. QBF extends propositional logic in such a way that many advanced forms of reasoning can be easily formulated and evaluated. In this dissertation we present our ZQSAT, which is an algorithm for evaluating quantified Boolean formulas. ZQSAT is based on ZBDD: Zero-Suppressed Binary Decision Diagram / which is a variant of BDD, and an adopted version of the DPLL algorithm. It has been implemented in C using the CUDD: Colorado University Decision Diagram package. <br><br> The capability of ZBDDs in storing sets of subsets efficiently enabled us to store the clauses of a QBF very compactly and let us to embed the notion of memoization to the DPLL algorithm. These points led us to implement the search algorithm in such a way that we could store and reuse the results of all previously solved subformulas with a little overheads. ZQSAT can solve some sets of standard QBF benchmark problems (known to be hard for DPLL based algorithms) faster than the best existing solvers. In addition to prenex-CNF, ZQSAT accepts prenex-NNF formulas. We show and prove how this capability can be exponentially beneficial. <br><br> / In der Dissertation stellen wir einen neuen Algorithmus vor, welcher Formeln der quantifizierten Aussagenlogik (engl. Quantified Boolean formula, kurz QBF) löst. QBFs sind eine Erweiterung der klassischen Aussagenlogik um die Quantifizierung über aussagenlogische Variablen. Die quantifizierte Aussagenlogik ist dabei eine konservative Erweiterung der Aussagenlogik, d.h. es können nicht mehr Theoreme nachgewiesen werden als in der gewöhnlichen Aussagenlogik. Der Vorteil der Verwendung von QBFs ergibt sich durch die Möglichkeit, Sachverhalte kompakter zu repräsentieren. <br><br> SAT (die Frage nach der Erfüllbarkeit einer Formel der Aussagenlogik) und QSAT (die Frage nach der Erfüllbarkeit einer QBF) sind zentrale Probleme in der Informatik mit einer Fülle von Anwendungen, wie zum Beispiel in der Graphentheorie, bei Planungsproblemen, nichtmonotonen Logiken oder bei der Verifikation. Insbesondere die Verifikation von Hard- und Software ist ein sehr aktuelles und wichtiges Forschungsgebiet in der Informatik. <br><br> Unser Algorithmus zur Lösung von QBFs basiert auf sogenannten ZBDDs (engl. Zero-suppressed Binary decision Diagrams), welche eine Variante der BDDs (engl. Binary decision Diagrams) sind. BDDs sind eine kompakte Repräsentation von Formeln der Aussagenlogik. Der Algorithmus kombiniert nun bekannte Techniken zum Lösen von QBFs mit der ZBDD-Darstellung unter Verwendung geeigneter Heuristiken und Memoization. Memoization ermöglicht dabei das einfache Wiederverwenden bereits gelöster Teilprobleme. <br><br> Der Algorithmus wurde unter Verwendung des CUDD-Paketes (Colorado University Decision Diagram) implementiert und unter dem Namen ZQSAT veröffentlicht. In Tests konnten wir nachweisen, dass ZQSAT konkurrenzfähig zu existierenden QBF-Beweisern ist, in einigen Fällen sogar bessere Resultate liefern kann.

The NP-complete k-SAT problem - decide wether a given formula is satisfiable - is of fundamental importance in theoretical computer science. In this dissertation we study random 4-SAT formulas with > 116 n^2 clauses. These formulas are almost surly unsatisfiable. Here we show the existence of a polynomial time algorithm that certifies the unsatisfiability. Therefore we study the discrepancy of hypergraphs and multigraphs. We also combine spectral techniques with approximation algorithms to achieve the new result. Our new algorithm is adaptable for Not-All-Equal-4-SAT and the 2-colouring of 4-uniform hypergraphs. We also extends the Hajos construction of non k-colourable graphs to non k-colourable uniform hypergraphs. / Das NP-vollständige Problem k-SAT ist von zentraler Bedeutung in der theoretischen Informatik. In der Dissertation werden zufällige 4-SAT-Formeln mit > n^2 vielen Klauseln studiert. Diese Formeln sind mit hoher Wahrscheinlichkeit unerfüllbar. Hier wird erstmalig die Existenz eines Algorithmus gezeigt, der diese Unerfüllbarkeit effizient verifiziert. Hierfür wird die geringe Diskrepanz von Hypergrpahen und Multigraphen betrachtet. Der Schlüssel zu diesem Algorithmus liegt in der Kombination von spektralen Techniken mit Approximationsalgorithmen der klassischen kombinatorischen Optimierung. Der vorgestellte Algorithmus kann auf den effizienten Nachweis der Unerfüllbarkeit von Not-All-Equal-4-SAT-Formeln und die Nicht-2-Färbbarkeit von 4-uniformen Hypergraphen erweitert werden. Es wird ebenfalls eine Erweiterung der Hajos-Konstruktion nicht k-färbbarer Graphen auf nicht k-färbbare uniforme Hypergraphen angegeben.

The NP-complete k-SAT problem - decide wether a given formula is satisfiable - is of fundamental importance in theoretical computer science. In this dissertation we study random 4-SAT formulas with > 116 n^2 clauses. These formulas are almost surly unsatisfiable. Here we show the existence of a polynomial time algorithm that certifies the unsatisfiability. Therefore we study the discrepancy of hypergraphs and multigraphs. We also combine spectral techniques with approximation algorithms to achieve the new result. Our new algorithm is adaptable for Not-All-Equal-4-SAT and the 2-colouring of 4-uniform hypergraphs. We also extends the Hajos construction of non k-colourable graphs to non k-colourable uniform hypergraphs. / Das NP-vollständige Problem k-SAT ist von zentraler Bedeutung in der theoretischen Informatik. In der Dissertation werden zufällige 4-SAT-Formeln mit > n^2 vielen Klauseln studiert. Diese Formeln sind mit hoher Wahrscheinlichkeit unerfüllbar. Hier wird erstmalig die Existenz eines Algorithmus gezeigt, der diese Unerfüllbarkeit effizient verifiziert. Hierfür wird die geringe Diskrepanz von Hypergrpahen und Multigraphen betrachtet. Der Schlüssel zu diesem Algorithmus liegt in der Kombination von spektralen Techniken mit Approximationsalgorithmen der klassischen kombinatorischen Optimierung. Der vorgestellte Algorithmus kann auf den effizienten Nachweis der Unerfüllbarkeit von Not-All-Equal-4-SAT-Formeln und die Nicht-2-Färbbarkeit von 4-uniformen Hypergraphen erweitert werden. Es wird ebenfalls eine Erweiterung der Hajos-Konstruktion nicht k-färbbarer Graphen auf nicht k-färbbare uniforme Hypergraphen angegeben.