Ordre supérieur en Théorie des modèles finis.
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Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Arthur MILCHIOR Étudiant au département d’informatique École normale supérieure Theory of Computation Group, Department of Computer Science University of Massachusetts Amherst 22 Février-22 Aout Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Introduction à la complexité descriptive Sommaire 1 Introduction à la complexité descriptive Examples Définitions formelle 2 Etude de l’ordre supérieur 3 Opérateurs 4 Ordre supérieure monadique 5 Effondrement conditionnels 6 Questions ouvertes Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Introduction à la complexité descriptive Examples 3 définitions équivalentes Complexité descriptive Théorie des modèles finis Théorie des bases de données Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Introduction à la complexité descriptive Examples Graphes Graphes Vocabulaire Univers Relation binaire G = (V , E ) σ = {E (ι,ι) } V E (ι) 3-coloriable(E ) =def ∃1≤i≤3 Ci (∀x _ (Ci (x)) 1≤i≤3 ∧∀x, y (E (x, y ) ⇒ ^ 1≤i≤3 ¬(Ci (x) ∧ Ci (y )) (1) Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Introduction à la complexité descriptive Définitions formelle Types Definition (Types) T r ensemble des types d’ordre r . T 1 := ι r T := (T Example Ordre 3 : ((ι), ι, ι) Monadic d’ordre 4 :(((ι))) <r ,...,T <r ) (2) (3) Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Introduction à la complexité descriptive Définitions formelle Vocabulaires Definition (Vocabulaire) Vocabulaire σ = {R1t1 , . . . , Rsts }, ensemble de symboles typés. Example σ = {E (ι,ι) } α = {0ι , maxι , +(ι,ι,ι) , ×(ι,ι,ι) , X (ι) } Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Introduction à la complexité descriptive Définitions formelle Univers Definition (Univers) Univers=Ensemble Souvent [0, . . . , n − 1] On s’intéresse aux modèles finis ⇒ l’univers est de taille finie. Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Introduction à la complexité descriptive Définitions formelle Relations Definition (Relations) RtA = ensembles des relations de types t sur l’univers A. Types Définition RiA ι A (t1 , . . . , tn ) P(RtA1 ⊗ · · · ⊗ RtAn ) Sous-ensemble du produit cartésiens des relations de type ti . Example <(ι,ι) (a, b) ≡ a < b Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Introduction à la complexité descriptive Définitions formelle Structures Definition (σ-structure) A une σ-structure sur un univers A est une fonction Riti ∈ σ vers RtAi . Notation A[X t /R t ]=def X →R Y → A(Y ) Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Introduction à la complexité descriptive Définitions formelle Sémantique A |= Rt=(t1 ,...,tn ) (Rt11 , . . . , Rtnn ) ssi (A(R1 ), . . . , A(Rn )) ∈ A(R) A |= Rt = S t ssi A(R) = A(S) A |= φ ⊗ ψ trivial si ⊗ ∈ {∧, ∨, ¬} A |= ∀X t φ ssi pour tout R ∈ RtA A[X /R] |= φ A |= ∃X t φ ssi il existe R ∈ RtA A[X /R] |= φ Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Introduction à la complexité descriptive Définitions formelle Limites Definition HO n’importe quel formule de ce formalisme. HOr : Les variables quantifiées sont d’ordre au plus r . HOrj : Il y a au plus j − 1 alternations de quantificateur d’ordre r , commençant par ∃. HOr ,f : Formules avec quantifications d’ordre r et variables libres d’ordre f . Definition HO0,f =quantifier-free. HO1,2 =FO HO2,2 =SO Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Introduction à la complexité descriptive Définitions formelle Premier ordre FO=FO-regular AC0 . Theorem Parité n’est pas exprimable dans FO. Theorem Sur les chaines de caractères FO=langages *-free Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Introduction à la complexité descriptive Définitions formelle Définitions mathématiques Definition (tetration) expna (x) expna (x) exp0a (x) a aa x ...a = with n exponentiation of a. n−1 exp (x) a =a = x. Definition ra... rax texpna (x, r ) = ara with n exponentiation of a. n−1 n r texp (x,r ) a texpa (x, r ) = a texp0a (x, r ) = x. Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Introduction à la complexité descriptive Définitions formelle Machine à Alternation limité Definition (Σj TIME(f )) La classe ATIME(f ) des machines de Turing à alternation est une machine de turing avec une limite de temps, des états existantiels, ou on peut deviner l’étape suivante, et des états universels, où toutes les prochaines étapes doivent accepter. Les machines de Σj TIME(f ) commencent en existentiel et alternent au plus j − 1 fois. Theorem C clôs sous polynomes : P P Σj TIME(C ) = DTIME(C )Σj = NTIME(C )Σj−1 Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Introduction à la complexité descriptive Définitions formelle Égalité de classes Theorem HOrj ,2 = Σj TIME(expr2−2 (nO(1) )) (Hella, Turull-Torres) HOrj ,2 = Σj TIME(expr2−2 (O(na ))) a : arité maximale des relations d’ordre 2. (Kolodziejczyk) ⊆. Mettre en forme normale (temps fini). Ecrires les O(B(r )) bits des relations d’ordre r en alternant j − 1 fois (temps O(B(r )) = expr2−2 (nO(1) )) Déterministiquement boucler sur les autres quantifications. (temps O(B(r − 1) × N(r − 1)) = expr2−2 (nO(1) ). Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Etude de l’ordre supérieur Sommaire 1 Introduction à la complexité descriptive 2 Etude de l’ordre supérieur Forme normale Quelques nombres 3 Opérateurs 4 Ordre supérieure monadique 5 Effondrement conditionnels 6 Questions ouvertes Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Etude de l’ordre supérieur Forme normale Step Normal Form Definition (Step normal form) Les types en SNF sont T1 = {ι} et Tr = {(t1 , . . . , ta )|1 ≤ i ≤ a, ti ∈ Tr −1 } Une formule est en step normal form(SNF) ssi tous les types sont en SNF. Theorem Toutes formule de HOrj ,f peuvent être en SNF sans perte de généralité. Il faut par contre faire attention si le vocabulaire contient des relations qui ne sont pas SNF. Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Etude de l’ordre supérieur Forme normale Arity Normal form Definition (Arity Normal form) Une formule est en arity normal form(ANF) ssi tous les types sont en ANF. Les types en ANF sont T1,a = {ι} et Tr = {(t1 , . . . , ta )|1 ≤ i ≤ a, ti ∈ Tr −1,a } Theorem Toute formule de HOrj ,f peuvent être en ANF sans perte de généralité, Notation X a,r désigne une variable en arity et step normal form d’arité a et d’ordre r . Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Etude de l’ordre supérieur Forme normale Prefix Normal form Definition (Prefix Normal form) Une formule est en prefix normal form(PNF) ssi elle est de la forme Q1 X1 . . . Qq Xq ψ avec ψ sans quantification. Theorem Toute formule de HOrj ,f peut être en PNF sans perte de généralité. Attention : on comptes les alternations d’ordre r . Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Etude de l’ordre supérieur Forme normale Notation QX r signifie que X est d’ordre r . Example ξ = ∀X13 ∃X22 ∀X43 φ ∧ ∃X53 ∃X63 ∀X72 ∃X83 ψ PNF(ξ) = ∀X13 ∃X22 ∀X43 ∃X53 ∃X63 ∀X72 ∃X83 (φ ∧ ψ) 6 Alternations, 1 alternation d’ordre 3. Différent du nombre minimal d’alternation, qui est : Example ∀X13 ∃X53 ∃X22 ∃X63 ∀X72 ∀X43 ∃X83 ∃X83 (φ ∧ ψ) 3 alternations, 3 alternations d’ordre 3. Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Etude de l’ordre supérieur Forme normale Forme normale décroissante Definition Une formule φ ∈ HOrj est en Forme normale décroissante (DNF) si r elle est de la forme ∃X 1 . . . QX j ψ avec ψ ∈ HOr −1 en DNF. Toute formule de HO0 est en DNF. Theorem Toute formule de HOrj ,f peut être en DNF sans perte de généralité. C’est sans augmenter le nombre d’alternation de variables d’ordre maximale. Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Etude de l’ordre supérieur Forme normale Sketch de l’algorithme ∀x∃X 2,3 φ deviendra ∃X (ι,(ι,ι),(ι,ι)) ∀xφ[X (y )/X (x, y )] On perd SNF et ANF. Ca pose problème pour Y(. . . , X , . . . ) qui change de type. Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Etude de l’ordre supérieur Quelques nombres Etudes des relations d’ordre supérieure Definition N(r , a) :Nombre de relations d’ordre r d’arité a. C (r , a) :Borne de son cardinal B(r , a) :Nombre de bits dans une relation d’ordre r d’arité a. Theorem r −2 N(r , a) = 2texp2 (na ,a) = expr2−1 (nO(1) ) C (r , a) = texpr2−2 (na , a) = expr2−2 (nO(1) ) B(r , a) = texpr2−2 (na , a) = expr2−2 (nO(1) ) Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Etude de l’ordre supérieur Quelques nombres Encodage des relation d’ordre supérieure Notation E : Ra,r → {0, 1}B(r ,a) (E (R))[i] ⇔ ti ∈ R ti : ième tuple de (Rr −1,a )a Theorem BIT est exprimable en HO. Corollary <, +et× aussi Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Opérateurs Sommaire 1 Introduction à la complexité descriptive 2 Etude de l’ordre supérieur 3 Opérateurs égalités Egalités entre classes 4 Ordre supérieure monadique 5 Effondrement conditionnels 6 Questions ouvertes Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Opérateurs Clôture transitive Notation TC = “transitive closure”. σ = {s ι , t ι , E (ι,ι) } Reach(s, t, E ) =def (TCx,y E (x, y ))(s, t). Theorem FO(TC) = NL avec un ordre FO(DTC) = L avec un ordre (4) Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Opérateurs Chemin alternatif G = (V , E , U) un graphe avec un sous-ensemble de noeuds “universel” U. Definition (Reacha (x, y )) Reacha (x, y ) est vrai ssi x =y si x ∈ U alors pour pour tout z tel que E (x, z) alors Reacha (z, y ) Sinon il existe un z tel que E (x, z) et Reacha (z, y ) Theorem Reacha est P-complet sous FO-réduction. Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Opérateurs Point Fixe Inflationnaire Notation IFP = “Inflationary FixedPoint”. LFP = “Least FixedPoint”. σ = {s ι , t ι , E (ι,ι) , U (ι) } Reacha (s, t, E ) =def (LFPPxy φap )(s, t) φap =def x = y ∨ [∃z(E (x, z) ∧ P(z, y )) ∧ U(x) ⇒ (∀z(E (x, z) ⇒ P(z, y )))] Theorem FO(IFP) = FO(LFP) = P avec un ordre (5) Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Opérateurs Point Fixe Partiel Notation PFP = “Partial FixedPoint”. Definition Soit σ un vocabulaire, φ une formule sur σ ∪ {P} P0 =def ⊥ Pi+1 =def φ(Pi ) (PFPPx φ) =def Pi si Pi = Pi+1 ⊥ sinon Theorem FO(PFP) = PSPACE avec un ordre Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Opérateurs Point fixe non deterministe Notation NPFP = “Non determinstic Partial FixedPoint”. Definition (NPFP) Soient l une chaine de bits, σ un vocabulaire, φ et ψ des formules sur σ ∪ {P} P[] =def ⊥ P0l =def φ(Pl ) P1l =def ψ(Pl ) (NPFPPx φ, ψ) =def S l {Pl |Pl = P0l = P1L } Theorem FO(NPFP) = NPSPACE = PSPACE (Abiteboul, Vianu, Vardy) Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Opérateurs Point fixe Alternatif Notation APFP = “Alternative Partial Fixed Point” 0 ) Definition (Tφ,ψ 0 Soit Tφ,ψ un arbre binaire infini dont les noeuds sont (⊕, Pl ) avec ⊕ ∈ {∪, ∩}. ∪ = ∩ , ∩ = ∪. La racine : (∪, ⊥) Les feuille sont n = (⊕, Pl ) ssi Pl = P1l = P0l Sinon il y a les arêtes (⊕, Pl ) → (⊕, P0l ) et (⊕, Pl ) → (⊕, P1l ). Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Opérateurs Point fixe Alternatif Definition (Tφ,ψ ) 0 . Quand on voit deux fois une même Tφ,ψ est un sous-arbre Tφ,ψ relation dans une branche, on élague la deuxième copie. Definition (Evaluation de Tφ,ψ ) n = (⊕, Pl ) Evaluation de l’arbre : n est une feuille n a pour fils f1 et f2 évaluation de n Pl f1 ⊕ f2 Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Opérateurs Alternative Partial Fixed Point Definition (APFP) (APFPPx φ, ψ) = évaluation de Tφ,ψ . Theorem FO(APFP) = APSPACE = EXP avec un ordre. (Abiteboul, Vianu, Vardy) Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Opérateurs Inflationaire Definition (Inflationnaire) NIFP et AIFP sont à NPFP et APFP ce que IFP est à PFP. C’est la même définition si φ(P) ⊇ P et ψ(p) ⊇ P. Theorem FO(NIFP) = NP avec un ordre FO(AIFP) = APTIME = PSPACE avec un ordre (Abiteboul, Vianu, Vardy) Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Opérateurs Forme normale des opérateurs Theorem Pour tout φ ∈ HOr (TC) il y a φ0 = (TCX Y ψ)(⊥, >) équivalent. Pour tout autre opérateur P et φ ∈ HOr (P) il y a φ0 = (PPX ψ)(⊥) équivalent. Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Opérateurs égalités Ordre Récapitulon : Sur les structures avec une relation d’ordre interprété par un ordre total ! FO(DTC) = L. FO(TC) = NL FO(IFP) = P FO(NIFP) = NP FO(AIFP) = FO(PFP) = FO(NPFP) = PSPACE FO(APFP) = EXP Theorem (Abiteboul-Vianu) FO(IFP) = FO(PFP) si et seulement si P = PSPACE. Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Opérateurs égalités Nombre de pas des opérateurs Theorem HOr (P) P = TC IFP PFP Nombre de pas dans P T (r ) = expr2−1 (nO(1) ) C (r + 1) = exp2r −1 (nO(1) ) N(r + 1) = expr2 (nO(1) ) Nombre de bit B(r ) = expr2−2 (nO(1) ) B(r + 1) = expr2−1 (nO(1) ) B(r + 1) = expr2−1 (nO(1) ) Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Opérateurs Egalités entre classes Temps borné Theorem HOr ,2 (IFP) = DTIME(exp2r −1 (nO(1) )) Démonstration. ⊆ : Nombre maximale de pas × temps pour un pas=expr2−1 (nO(1) ) × exp2r −1 (nO(1) ) = expr2−1 (nO(1) ) ⊇ : On a suffisament de bits pour encoder la bande, et suffisament de place pour faire un calcul dans ce temps. Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Opérateurs Egalités entre classes Espace borné Theorem 1 HOr ,2 (TC) = HOr −1,2 (PFP) 2 HOr ,2 (PFP) = SPACE(expr2−1 (nO(1) )) 3 HOr ,2 (NPFP) = HOr ,2 (PFP) Démonstration. 1 Même nombre de pas et de bits par pas 2 Suffisament de bits pour encoder le ruban, et on peut parler d’un pas de calcul avec BIT. Suffisament d’espace pour boucler sur toutes les relations 3 Théorème de savitch : NSPACE(f ) ⊆ SPACE(f 2 ) Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Opérateurs Egalités entre classes AIFP Theorem HOr +1,2 (TC) = HOr ,2 (AIFP) = HOr ,2 (PFP) Similaire à ATIME(f ) = SPACE(O(1)f ) Démonstration. ⊆1 : Diviser pour reigner. ⊆2 : Au ième pas calculer en parallèle {Pl ||l | = i}. Un deuxième point fixe calcule la sortie de l’arbre. Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Opérateurs Egalités entre classes NIFP Theorem HOr ,2 (NIFP) = HOr1+1,2 Démonstration. Mettre en forme normale. ⊆ : Deviner (bit à bit) les relation d’ordre r + 1, le dernier pas est juste la partie d’ordre r . ⊇ : Quantifier une liste de pas de NIFP, vérifier qu’ils sont cohérent et que le dernier accepte 0. Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Opérateurs Egalités entre classes APFP Theorem HOr ,2 (APFP) ⊆ HOr +1,2 (IFP) Démonstration. On a suffisament de temps pour créer tout l’arbre, puis calculer sa sortie. ⊇ ouvert. Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Ordre supérieure monadique Sommaire 1 Introduction à la complexité descriptive 2 Etude de l’ordre supérieur 3 Opérateurs 4 Ordre supérieure monadique 5 Effondrement conditionnels 6 Questions ouvertes Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Ordre supérieure monadique Relations monadiques Definition MHOrj ,f restriction de HOrj ,f avec quantifications monadiques (arité 1). Theorem MHO2 = langages réguliers. HO2 ⊆ MHO3 avec < dans le vocabulaire. HOr ⊆ MHOr +2 Notation MRr ensemble de relation monadic d’ordre r . Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Ordre supérieure monadique Ordre total Theorem < est définissble dans MHO4 Démonstration. <= {(x, y )|x < y } et (x, y ) = {{x}, {x, y }} x <R 4 y =def ∃C 3 U 2 D2 (R(C) ∧ C(U) ∧ C(D) ∧ U(x) ∧ D(y ) ∧ D(x)) (6) 4 correct< (R ) =def ∀x, y , z(x <R y ∨ y <R x ∨ x = y ) ∧∀C 3 (R(C) ⇒ (card2 (C)) ∧ ∃U 2 , D2 (C(U) ∧ C(D) ∧card2 (D) ∧ card1 (U) ∧ ∀x(U(x) ⇒ D(x)))) (7) Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Ordre supérieure monadique Sketch de preuve Coder R2 dans MR3 Coder Rr dans MRr +2 (Image de Rr : Cr ) Injecter Cr dans MRr +1 Source R2 R3 C3 ⊂ MR5 R4 C4 ⊂ MR6 R5 Injection →3 →5 →6 →6 →7 →7 Image MR3 MR5 MR4 MR6 MR5 MR7 Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Ordre supérieure monadique Rendre monadique Definition Code du tuple t = (x0 , . . . , xa−1 ) : C (t) = {j + a(xj mod (a + 1)), j + a(a + 1 + (xj /(a + 1)))|0 ≤ j < a} Cr ensemble de a-tuples de codes de relation d’ordre r − 1 (donc de MRr ) Theorem Ce code est correct. Démonstration. xj = dj (a + 1) + rj (rj < a + 1), unique (Euclide, elements 7) y /a pour y ∈ Ct est d(y mod a) + a ou r(y mod a) . Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Ordre supérieure monadique Injection de Cr dans MRr +1 Possible par cardinalité. Démonstration. I r +3 injection de Cr dans MRr +1 R r +2 ∈ Cr , {I (R)} est une chaine c avec un bit à 1. On coupe la chaine en 3 ; dans la partie après celle avec le 1 on rajoute b + 1 avec 1 ≤ b ≤ 4 ; dans le dernier tiers on met le bème quart de R. R = R1 R2 R3 R4 , I (R) = 000 . . . 00100 . . . 000 Example d’elements de I : 000 . . . R2 |00 . . . 010 . . . 00|00 . . . 0111 Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Effondrement conditionnels Sommaire 1 Introduction à la complexité descriptive 2 Etude de l’ordre supérieur 3 Opérateurs 4 Ordre supérieure monadique 5 Effondrement conditionnels 6 Questions ouvertes Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Effondrement conditionnels r ème hierarchie expontentielle Definition (r ème hierarchie expontentielle) HOr +2,2 est la r ème hierarchie expontentielle et HOjr +2,2 est son jème niveau. Definition (Effondrement) HOr +2 s’effonde au niveau j si pour tout k ≥ j on a HOrj +2 = HOrk+2 C est un ensemble de fonction. C s’effonde au niveau j si pour tout k ≥ j on a Σj TIME(C ) = Σk TIME(C ). Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Effondrement conditionnels Conjecture Conjecture Soit k > j Si HOrk,2 = HOjr ,2 alors pour tout l > j HOrl ,2 = HOrj ,2 . Si Σj TIME(C ) = Σk TIME(C ) alors C s’effondre au niveau j. r ,r ,2 Soit φ ∈ HOrl ,2 , φ = ∃X 1 ψ avec ψ ∈ HOrl−1 et non pas HOrl−1 ! Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Effondrement conditionnels Conjecture Conjecture Soit k > j Si HOrk,2 = HOjr ,2 alors pour tout l > j HOrl ,2 = HOrj ,2 . Si Σj TIME(C ) = Σk TIME(C ) alors C s’effondre au niveau j. r ,r ,2 Soit φ ∈ HOrl ,2 , φ = ∃X 1 ψ avec ψ ∈ HOrl−1 et non pas HOrl−1 ! Theorem Si la conjoncture est fausse P ( NP Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Effondrement conditionnels Relation en logique Lemma 1 r ,i Si HOrj ,i = HOj+1 alors ,i ,i HOrj ,i = coHOjr ,i = HOrj+1 = coHOrj+1 . 2 Si HOrj ,i = coHOjr ,i avec i = r (resp. i = r + 1) alors ,k r ,k pour tout k < r (resp. = coHOrj ,k = coHOrj+1 HOrj ,k = HOj+1 k = r + 1). 3 r ,i Si HOrj ,i = HOj+1 or HOrj ,i = coHOrj ,i avec i = r (resp i = r + 1) alors HOr ,k s’effondre au niveau j + 1 for k ≤ r (resp k = r + 1). Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Effondrement conditionnels Lemmes Lemma Si Σj TIME(C ) = Σj+1 TIME(C ) alors Σj TIME(C ) = coΣj TIME(C ) = Σj+1 TIME(C ) = coΣj+1 TIME(C ). Theorem Soit f , g des fonctions tel qu’il exists h calculable en temps O(f ) tel que f = Θ(g (h(n) + n)). Alors pour tout 0 ≤ j < k Σj TIME(g ) = Σk TIME(g ) implique Σj TIME(f ) = Σk TIME(f ) Σj TIME(g ) = SPACE(g ) implique Σj TIME(f ) = SPACE(f ) TIME(g ) = SPACE(log ◦g ) implique TIME(f ) = SPACE(log ◦f ) Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Effondrement conditionnels Théorème générale Theorem F et G sont des classes tel que pour tout f ∈ F il y a hf calculable en temps f (resp. espace f , resp. espace log ◦f ) et gf ∈ G tel que f (n) = O(gf (hf (n) + n)) et pour tout g 0 ∈ G il y a f 0 ∈ F tel que g 0 (hf (n) + n) = O(f 0 ). Soit 0 ≤ j < k et supposons Σj TIME(G ) = Σk TIME(G ) alors Σj TIME(F ) = Σk TIME(F )) (resp. si Σj TIME(G ) = SPACE(G , k) alors Σj TIME(F ) = SPACE(F ), resp.si SPACE(log(G )) = TIME(G ) alors SPACE(log(F )) = TIME(F )). Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Effondrement conditionnels Traduction en complexité descriptive Corollary Si 2 ≤ r < p et 0 < j < k = HOp,2 HOrj ,2 = HOrk,2 implique HOp,2 j k HOrj ,2 = HOr ,2 (TC) implique HOp,2 = HOp,2 (TC) j HOr ,2 (IFP) = HOr ,2 (TC) implique HOp,2 (IFP) = HOp,2 (TC) . Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Effondrement conditionnels Effondrer une classe Theorem Soit D ⊇ {cn|c ∈ N} une classe de fonction, et C une classe constructible en temps, tel que pour tout g ∈ D et f ∈ C on a g ◦ f ∈ C . Si Σj TIME(D) = Σj+1 TIME(D) ou Σj TIME(D) = coΣj TIME(D) alors C s’effondre au niveau j. Et si Σj TIME(D) = SPACE(D) alors Σj TIME(C ) = SPACE(C ). Corollary Si la hierarchie polynomiale (ou linéaire) s’effondre au jème niveau alors toutes les hierarchie exponentielles et classes close sous les polynomes s’y effondrent aussi. Si PSPACE ⊆ Σpj alors SPACE(expr2 (nO(1) )) ⊆ Σj TIME(expr2 (nO(1) )). Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Effondrement conditionnels Espace Theorem (Immerman-Szelepcsényi) f = Ω(log), NSPACE(f ) = coNSPACE(f ) Corollary f = Ω(log), Σj SPACE(f ) = NSPACE(f ) Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Questions ouvertes Sommaire 1 Introduction à la complexité descriptive 2 Etude de l’ordre supérieur 3 Opérateurs 4 Ordre supérieure monadique 5 Effondrement conditionnels 6 Questions ouvertes Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Questions ouvertes Restrictions syntactiques Definition a1 ,2 an ,2 SO(R) = {Q ∀x1 . . . ∀xm φ|φ ∈ R} V 1 X1V . . . Qn Xn W HORN = Vi ((( j Ai,j ) ⇒ A ) k Ni,k ) W i KROM = i (Pi,1 ∨ Pi,2 j Ni,j ) N prédicat non quantifié ou sa négation P Prédicat quantifié ou sa négation A Prédicat quantifié Theorem SO(HORN) = P, SO(KROM) = NL Comment transformer ∀x1 . . . ∀xm en ordre supérieur ? Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Questions ouvertes Réponse plus précise HOr ⊆ MHOr +1 ? MHOr ⊆ HOr −1 (P) avec P un opérateur ? HOr +1 (IFP) ⊆ HOr (APFP) ? HOr (NPFP) ⊆ HOr (PFP) sans utiliser de MT ? Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Questions ouvertes Autres extensions Machines relationnels supérieures. Jeu de Ehrenfeucht-Fraïssé Counting quantifiers, unary quantifiers. Logique infinie Ordre supérieur en Théorie des modèles finis. Questions ouvertes Merci