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Continuing the Quest for a Logic Capturing Polynomial Time - Potential, Limitations, and Interplay of Current Approaches

Lichter, Moritz (2023)
Continuing the Quest for a Logic Capturing Polynomial Time - Potential, Limitations, and Interplay of Current Approaches.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00024244
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Continuing the Quest for a Logic Capturing Polynomial Time - Potential, Limitations, and Interplay of Current Approaches
Language: English
Referees: Schweitzer, Prof. Dr. Pascal ; Otto, Prof. Dr. Martin ; Grohe, Prof. Dr. Martin
Date: 13 July 2023
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xii, 320 Seiten
Date of oral examination: 23 June 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00024244
Abstract:

The search for a logic capturing PTIME is one central question of finite model theory and descriptive complexity theory: Is there a reasonable logic in which exactly the polynomial-time decidable properties of finite relational structures, e.g., of finite graphs, are definable? This thesis continues the search and investigates all current approaches and candidates for such logics. We examine and compare their expressive power, show limitations, and study the combination and relationship of them. We contribute the following new results:

First, we show that the quantifier depth of 3-variable first-order logic with counting needed to distinguish two n-element structures is in O(n log n). Equivalently, the 2-dimensional Weisfeiler-Leman algorithm stabilizes in O(n log n) iterations. This upper bound matches the known Ω(n) lower bound up to a logarithmic factor. We use representation-theoretic arguments for matrix algebras closely related to the algorithm.

Second, we consider the logic of Choiceless Polynomial Time (CPT). This logic expresses all choice-less polynomial-time computations on relational structures. CPT is a promising candidate for a logic capturing PTIME. Because proving or disproving that CPT captures PTIME is currently out of reach, capturing PTIME with CPT on restricted classes of structures is studied. Capturing PTIME is usually achieved by defining canonization. We show that CPT canonizes structures with bounded color class size for which every color class induces a dihedral automorphism group. The canonization is based on a new normal form, a classification of certain subdirect products of dihedral groups, and the existing canonization for structures with bounded color class size and abelian colors.

Third, we consider the combination of two approaches to capture PTIME. We combine CPT with witnessed symmetric choice (CPT+WSC). This restricted choice-mechanism guarantees that the result of a CPT-computation is independent of the choices made. While defining canonization is the usual way to capture PTIME, it is unknown whether canonization has to be definable. For CPT+WSC, we show that a CPT+WSC-definable isomorphism test for a class of structures implies a CPT+WSC-definable canonization. If isomorphism for this class is actually polynomial-time decidable, capturing PTIME with CPT+WSC is equivalent to defining isomorphism in CPT+WSC.

Fourth, we further investigate witnessed symmetric choice. Showing that witnessed symmetric choice makes CPT more expressive would separate CPT from PTIME, which itself is an open problem. We consider inflationary fixed-point logic with counting (IFPC) as base logic, for which witnessed symmetric choice strictly increases expressiveness. We separate IFPC+WSC from PTIME and show that the further extension with an operator based on logical interpretations (IFPC+WSC+I) is strictly more expressive. Hence, at least for IFPC, witnessed symmetric choice alone is too weak to capture PTIME. We also make a first step to separate IFPC+WSC+I from PTIME.

Last, we consider extensions of IFPC by operators from linear algebra. We separate rank logic, the second promising candidate, from PTIME. Rank logic extends IFPC by an operator to define ranks over finite fields. We show that rank logic fails to define isomorphism for certain structures for which isomorphism is polynomial-time decidable and actually CPT-definable. Hence, rank logic cannot even capture CPT. We also show that the more general linear-algebraic logic fails to define this isomorphism problem. This logic encompasses every extension of IFPC by linear-algebraic operators over finite fields. Consequently, linear algebra over finite fields is too weak to capture PTIME.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die Suche nach einer Logik für Polynomialzeit (PTIME) ist eine zentrale Frage der endlichen Modelltheorie und der deskriptiven Komplexitätstheorie: Gibt es eine vernünftige Logik, die genau die in Polynomialzeit entscheidbaren Eigenschaften endlicher relationaler Strukturen, z.B. endlicher Graphen, definiert? Diese Arbeit setzt die Suche fort und betrachtet alle derzeitigen Ansätze und Kandidaten für solche Logiken. Wir untersuchen und vergleichen deren Ausdrucksstärke, zeigen Limitierungen und studieren deren Kombination und Beziehungen zueinander. Wir tragen folgende neue Ergebnisse bei:

Wir zeigen zuerst, dass die Quantorentiefe, die in Logik erster Stufe mit 3 Variablen und Zählen benötigt wird, um zwei n-elementige Strukturen zu unterscheiden, in O(n log n) ist. Dies ist äquivalent dazu, dass der 2-dimensionale Weisfeiler-Leman Algorithmus nach O(n log n) Iterationen stabilisiert. Diese obere Schranke entspricht der bekannten Ω(n) unteren Schranke bis auf einen logarithmischen Faktor.

Wir betrachten zweitens die Logik Choiceless Polynomial Time (CPT). Diese Logik drückt alle wahlfreien Polynomialzeit-Berechnungen auf relationalen Strukturen aus. CPT ist ein vielversprechender Kandidat für eine Logik für PTIME. Wir untersuchen die logische Charakterisierung von PTIME auf Klassen von Strukturen. Dies zeigt man meistens durch das Definieren einer Kanonisierung. Wir zeigen, dass CPT für Strukturen mit beschränkter Farbklassengröße, für welche jede Farbklasse eine Diedergruppe als Automorphismengruppe induziert, eine Kanonisierung definiert. Diese basiert auf einer neuen Normalform und einer Klassifizierung spezieller subdirekter Produkte von Diedergruppen.

Wir kombinieren drittens zwei verschiedene Ansätze: Wir erweitern CPT um bezeugte symmetrische Wahl (CPT+WSC). Dieser eingeschränkte Wahlmechanismus garantiert, dass das Ergebnis einer CPT-Berechnung immer unabhängig von den getroffenen Wahlen ist. Auch wenn Kanonisierung der übliche Weg ist, um PTIME zu charakterisieren, ist es unbekannt, ob Kanonisierung definierbar sein muss. Wir zeigen, dass in CPT+WSC ein definierbarer Isomorphietest eine definierbare Kanonisierung impliziert. Wenn Isomorphie für eine Klasse von Strukturen in Polynomialzeit entscheidbar ist, dann ist in CPT+WSC das Charakterisieren von PTIME äquivalent zum Definieren von Isomorphie.

Viertens untersuchen wir bezeugte symmetrische Wahl genauer. Ein Beweis, dass bezeugte symmetrische Wahl CPT ausdrucksstärker macht, würde CPT von PTIME trennen, was selbst ein offenes Problem ist. Wir betrachten inflationäre Fixpunktlogik mit Zählen (IFPC), für welche bezeugte symmetrische Wahl die Ausdrucksstärke strikt erhöht. Wir trennen IFPC+WSC von PTIME und zeigen, dass die Erweiterung mit einem Operator basierend auf logischen Interpretationen (IFPC+WSC+I) strikt ausdrucksstärker ist. Also ist bezeugte symmetrische Wahl zu schwach, um PTIME in IFPC zu charakterisieren.

Zuletzt betrachten wir Erweiterungen von IFPC mit Operatoren aus der linearen Algebra. Wir trennen Ranglogik, den zweiten vielversprechenden Kandidaten, von PTIME. Ranglogik erweitert IFPC mit einem Operator, der Ränge über endlichen Körpern definiert. Wir zeigen, dass Ranglogik Isomorphie für eine Klasse von Strukturen nicht definiert, für welche Isomorphie sogar CPT-definierbar ist. Also umfasst Ranglogik nicht einmal CPT. Wir zeigen weiterhin, dass die allgemeinere linear-algebraische Logik dieses Isomorphieproblem ebenso nicht definiert. Diese Logik umfasst jede Erweiterung von IFPC mit linear-algebraisches Operatoren über endlichen Körpern. Folglich ist lineare Algebra über endlichen Körpern zu schwach um PTIME charakterisieren.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-242443
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 510 Mathematics
Divisions: 04 Department of Mathematics > Didactics and Pedagogy of Mathematics
04 Department of Mathematics > Logic
Date Deposited: 13 Jul 2023 12:29
Last Modified: 17 Nov 2023 09:37
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/24244
PPN: 510552579
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