The study of formal power series is an area of interest that spans many areas of mathematics. We begin by looking at single-variable formal power series with coefficients from a field. By restricting to those series which are invertible with respect to formal composition we form a group. Our focus on this group focuses on the classification of elements having finite order. The notion of a semi-cyclic group comes up in this context, leading to several interesting results about torsion subgroups of the group. We then expand our focus to the composition of multivariate formal power series, looking at similar questions about classifying elements of finite order. We end by defining a natural automorphism on this group induced by a group action of the symmetric group.

We investigate weighted finite automata over strings and strong bimonoids. Such algebraic structures satisfy the same laws as semirings except that no distributivity laws need to hold. We define two different behaviors and prove precise characterizations for them if the underlying strong bimonoid satisfies local finiteness conditions. Moreover, we show that in this case the given weighted automata can be determinized.

Der Inhalt dieser Arbeit sind jedoch nicht Quantencomputer im Allgemeinen, sondern hauptsächlich Quantenautomaten. Dies führt zu den Begriffen der „endlichen Quantenautomaten“ und der „quantenregulären“ oder „quantenerkennbaren Sprachen“, die Hauptgegenstand der vorliegenden Arbeit sind.

Berstel and Reutenauer stated the iteration theorem for recognizable formal power series on trees over fields and vector spaces. The key idea of its proof is the existence of pseudo-regular matrices in matrix-products. This theorem is generalized to integral domains and modules over integral domains in this thesis. It only requires the reader to have basic knowledge in linear algebra. Concepts from the advanced linear algebra and abstract algebra are introduced in the preliminary chapter.:1. Introduction 2. Preliminaries 3. Long products of matrices 4. Formal power series on trees 5. The generalized iteration theorem 6. Conclusion

La présente thèse porte sur le développement d'une théorie d'algèbre linéaire, de géométrie et d'analyse basée sur les algèbres (Z2)n-commutatives, c'est-à-dire des algèbres (Z2)n-graduées associatives unitaires satisfaisant ab = (-1)<deg(a),deg(b)>ba, pour tout couple d'éléments homogènes a, b de degrés deg(a), deg(b) où <.,.> est le produit scalaire usuel). Cette généralisation de la supergéométrie a de nombreuses applications : en mathématiques (l'algèbre de Deligne des superformes différentielles, l'algèbre des quaternions et les algèbres de Clifford en sont des exemples) et même en physique (paraparticules). Dans ce travail, les notions de trace et de (super)déterminant pour des matrices à coefficients dans une algèbre gradué-commutative sont définies et étudiés. Une attention particulière est portée au cas des algèbres de Clifford : ce point de vue gradué fournit une nouvelle approche au problème classique du « bon » déterminant pour des matrices à coefficient non-commutatifs (quaternioniques). En outre, nous entreprenons l'étude de la géométrie différentielle (Z2)n-graduée. Privilégiant l'approche par les espaces annelés, les (Z2)n-supervariétés sont définies en choisissant l'algèbre (Z2)n-commutative des séries formelles en variables graduées comme modèle pour le faisceau de fonctions. Les résultats les plus marquants ainsi obtenus sont : le Berezinien gradué et son interprétation cohomologique (essentielle pour établir une théorie de l'intégration) ; le théorème des morphismes, attestant qu'on peut rétablir un morphisme entre (Z2)n-supervariétés à partir de sa seule expression sur les coordonnées ; le théorème de Batchelor-Gawedzki pour les (Z2)n-supervariétés lisses / The present thesis deals with a development of linear algebra, geometry and analysis based on (Z2)n-superalgebras ; associative unital algebras which are (Z2)n-graded and graded-commutative, i.e. statisfying ab=(-1)<deg(a),deg(b)>ba, for all homogeneous elements a, b of respective degrees deg(a), deg(b) in (Z2)n (<.,.> denoting the usual scalar product). This generalization widens the range of applications of supergeometry to many mathematical structures (quaternions and more generally Clifford algebras, Deligne algebra of superdifferential forms, higher vector bundles) and appears also in physics (for describing paraparticles) proving its worth and relevance. In this dissertation, we first focus on (Z2)n-superalgebra theory ; we define and characterize the notions of trace and (super)determinant of matrices over graded-commutative algebras. Special attention is given to the case of Clifford algebras, where our study gives a new approach to treat the classical problem of finding a “good” determinant for matrices with noncommuting (quaternionic) entries. Further, we undertake the study of (Z2)n-graded differential geometry. Privileging the ringed space approach, we define (smooth) (Z2)n-supermanifolds modeling their algebras of functions on the (Z2)n-commutative algebra of formal power series in graded variables, and develop the theory along the lines of supergeometry. Notable results are : the graded Berezinian and its cohomological interpretation (essential to establish integration theory) ; the theorem of morphism, which states that a morphism of (Z2)n-supermanifolds can be recovered from its coordinate expression ; Batchelor-Gawedzki theorem for (Z2)n-supermanifolds

Eine der stärksten Erweiterungen der klassischen Theorie formaler Sprachen und Automaten ist die Einbeziehung von Gewichten oder Vielfachheiten aus einem Halbring. Diese Dissertation untersucht gewichtete Automaten über Strukturen mit Nebenläufigkeit. Wir erweitern die Arbeit von Lodaya und Weil und erhalten so ein Modell gewichteter verzweigender Automaten, in dem die Berechnung des Gewichts einer parallelen Komposition anders als die einer sequentiellen Komposition gehandhabt wird. Die von Lodaya und Weil eingeführten Automaten modellieren Nebenläufigkeit durch Verzweigen. Ein verzweigender Automat ist ein endlicher Automat mit drei verschiedenen Typen von Transitionen. Sequentielle Transitionen überführen durch Ausführen eines Ereignisses einen Zustand in einen anderen. Dagegen sind Gabel- und Binde-Transitionen für das Verzweigen verantwortlich. Läufe dieser Automaten werden beschrieben durch sequentiell-parallele posets, kurz sp-posets. Alle Transitionen des Automaten werden in unserem Modell mit Gewichten versehen. Neben dem Nichtdeterminismus und der sequentiellen Komposition wollen wir nun auch die parallele Komposition quantitativ behandeln. Dafür benötigen wir eine Gewichtsstruktur mit einer Addition, einer sequentiellen und einer parallelen Multiplikation. Solch eine Struktur, genannt Bihalbring, besteht damit de facto aus zwei Halbringen mit derselben additiven Struktur. Weiterhin muss die parallele Multiplikation kommutativ sein. Das Verhalten eines gewichteten verzweigenden Automaten ist dann eine Funktion, die jeder sp-poset ein Element eines Bihalbrings zuordnet. Das Hauptresultat charakterisiert das Verhalten dieser Automaten im Sinne von Kleenes und Schützenbergers Sätzen über das Zusammenfallen der Klassen der erkennbaren und der rationalen Sprachen bzw. formalen Potenzreihen. Darüber hinaus untersuchen wir den Abschluss dieser Verhalten unter allen rationalen Operationen und unter dem Hadamard-Produkt. Letztlich diskutieren wir Zusammenhänge zwischen Reihen und Sprachen im Rahmen verzweigender Automaten. / One of the most powerful extensions of classical formal language and automata theory is the consideration of weights or multiplicities from a semiring. This thesis investigates weighted automata over structures incorporating concurrency. Extending work by Lodaya and Weil, we propose a model of weighted branching automata in which the calculation of the weight of a parallel composition is handled differently from the calculation of the weight of a sequential composition. The automata as proposed by Lodaya and Weil model concurrency by branching. A branching automaton is a finite-state device with three different types of transitions. Sequential transitions transform a state into another one by executing an action. In contrast, fork and join transitions are responsible for branching. Executions of such systems can be described by sequential-parallel posets, or sp-posets for short. In the model considered here all kinds of transitions are equipped with weights. Beside non-determinism and sequential composition we would like to deal with the parallel composition in a quantitative way. Therefore, we are in need of a weight structure equipped with addition, a sequential, and, moreover, a parallel multiplication. Such a structure, called a bisemiring, is actually composed of two semirings with the same additive structure. Moreover, the parallel multiplication has to be commutative. Now, the behavior of a weighted branching automaton is a function that associates with every sp-poset an element from the bisemiring. The main result characterizes the behavior of these automata in the spirit of Kleene's and Schützenberger's theorems about the coincidence of recognizable and rational languages, and formal power series, respectively. Moreover, we investigate the closure of behaviors under all rational operations and under Hadamard-product. Finally, we discuss connections between series and languages within our setting.

Eine der stärksten Erweiterungen der klassischen Theorie formaler Sprachen und Automaten ist die Einbeziehung von Gewichten oder Vielfachheiten aus einem Halbring. Diese Dissertation untersucht gewichtete Automaten über Strukturen mit Nebenläufigkeit. Wir erweitern die Arbeit von Lodaya und Weil und erhalten so ein Modell gewichteter verzweigender Automaten, in dem die Berechnung des Gewichts einer parallelen Komposition anders als die einer sequentiellen Komposition gehandhabt wird. Die von Lodaya und Weil eingeführten Automaten modellieren Nebenläufigkeit durch Verzweigen. Ein verzweigender Automat ist ein endlicher Automat mit drei verschiedenen Typen von Transitionen. Sequentielle Transitionen überführen durch Ausführen eines Ereignisses einen Zustand in einen anderen. Dagegen sind Gabel- und Binde-Transitionen für das Verzweigen verantwortlich. Läufe dieser Automaten werden beschrieben durch sequentiell-parallele posets, kurz sp-posets. Alle Transitionen des Automaten werden in unserem Modell mit Gewichten versehen. Neben dem Nichtdeterminismus und der sequentiellen Komposition wollen wir nun auch die parallele Komposition quantitativ behandeln. Dafür benötigen wir eine Gewichtsstruktur mit einer Addition, einer sequentiellen und einer parallelen Multiplikation. Solch eine Struktur, genannt Bihalbring, besteht damit de facto aus zwei Halbringen mit derselben additiven Struktur. Weiterhin muss die parallele Multiplikation kommutativ sein. Das Verhalten eines gewichteten verzweigenden Automaten ist dann eine Funktion, die jeder sp-poset ein Element eines Bihalbrings zuordnet. Das Hauptresultat charakterisiert das Verhalten dieser Automaten im Sinne von Kleenes und Schützenbergers Sätzen über das Zusammenfallen der Klassen der erkennbaren und der rationalen Sprachen bzw. formalen Potenzreihen. Darüber hinaus untersuchen wir den Abschluss dieser Verhalten unter allen rationalen Operationen und unter dem Hadamard-Produkt. Letztlich diskutieren wir Zusammenhänge zwischen Reihen und Sprachen im Rahmen verzweigender Automaten. / One of the most powerful extensions of classical formal language and automata theory is the consideration of weights or multiplicities from a semiring. This thesis investigates weighted automata over structures incorporating concurrency. Extending work by Lodaya and Weil, we propose a model of weighted branching automata in which the calculation of the weight of a parallel composition is handled differently from the calculation of the weight of a sequential composition. The automata as proposed by Lodaya and Weil model concurrency by branching. A branching automaton is a finite-state device with three different types of transitions. Sequential transitions transform a state into another one by executing an action. In contrast, fork and join transitions are responsible for branching. Executions of such systems can be described by sequential-parallel posets, or sp-posets for short. In the model considered here all kinds of transitions are equipped with weights. Beside non-determinism and sequential composition we would like to deal with the parallel composition in a quantitative way. Therefore, we are in need of a weight structure equipped with addition, a sequential, and, moreover, a parallel multiplication. Such a structure, called a bisemiring, is actually composed of two semirings with the same additive structure. Moreover, the parallel multiplication has to be commutative. Now, the behavior of a weighted branching automaton is a function that associates with every sp-poset an element from the bisemiring. The main result characterizes the behavior of these automata in the spirit of Kleene's and Schützenberger's theorems about the coincidence of recognizable and rational languages, and formal power series, respectively. Moreover, we investigate the closure of behaviors under all rational operations and under Hadamard-product. Finally, we discuss connections between series and languages within our setting.