Decidability of Modal Logics with Particular Emphasis on the Interval Temporal Logics [PhD Thesis]

100 Pages·2012·1.179 MB·English

by  Jakub Michaliszyn

Jakub Michaliszyn
Decidability of modal logics with
particular emphasis on the interval
temporal logics
PhD Thesis
Supervisor: prof. dr hab. Jerzy Marcinkowski
Institute of Computer Science
University of Wroc(cid:32)law
Wroc(cid:32)law 2012

Jakub Michaliszyn
Badanie rozstrzygalno´sci logik
modalnych ze szczego´lnym
uwzglednieniem logik operujacych na
(cid:44) (cid:44)
przedzia(cid:32)lach czasowych
Rozprawa doktorska napisana pod kierunkiem
prof. dra hab. Jerzego Marcinkowskiego
Instytut Informatyki
Uniwersytet Wroc(cid:32)lawski
Wroc(cid:32)law 2012

Abstract
Modal logic for almost a hundred year has been an important topic in many aca-
demic disciplines, including philosophy, mathematics, linguistics and computer sci-
ence. Currently it seems to be most intensively investigated by computer scien-
tists. Among numerous branches in which modal logic, sometimes in disguise, finds
applications, are hardware and software verification, cryptography and knowledge
representation. This thesis is about the decidability and the complexity of satis-
fiability problem of some variants of modal logic. The first part contains results
concerning so-called elementary modal logics, while the second part is devoted to
the Halpern–Shoham logic.
Elementary modal logics. In many practical applications of modal logic, it is
natural to consider some restrictions of classes of admissible frames.
Traditionally classes of frames are defined by modal axioms. However, many
important classes of frames can be defined, in a more natural way, by first-order
formulas, e.g. the formula ∀xyz.xRy ∧ yRz → xRz defines the class of transitive
frames, corresponding to modal logic K4.
We prove that there is an universal first-order formula with only three variables
such that the local satisfiability problem and the global satisfiability problem are
undecidable. The results hold also for the finite satisfiability. We also prove that
universalHornformulasmayleadtoundecidabilityifweuseinequalityortwomodal-
ities.
On the positive side, we prove that the local satisfiability problem and the global
satisfiability problem for modal logic over the class of frames defined by any uni-
versally quantified, first-order Horn formula is decidable. Then we show that also
the finite satisfiability problem for modal logic over such classes is decidable. This
subsumes decidability results for many natural modal logics, including T, B, K4, S4,
S5.
Halpern–Shoham Logic. The Halpern–Shoham logic is a modal logic of time
intervals. Some effort has been put in last ten years to classify fragments of this
beautiful logic with respect to decidability of its satisfiability problem. We com-
plete this classification by showing that the logic of subintervals, the fragment of the
Halpern–Shoham logic where only the operator“during”, or D, is allowed, is unde-
cidable over discrete structures. This is surprising as this, apparently very simple,
logic is decidable over dense orders and its reflexive variant is known to be decidable
over discrete structures. Our result subsumes a lot of previous negative results for
the discrete case, like the undecidability for ABE, BD, ADB, AA¯D, and so on.

Streszczenie
Badanieproblem´owdecyzyjnychdotyczacychr´oz˙nychlogikrozpocze(cid:32)losiejuz˙ wlatachtrzy-
(cid:44) (cid:44) (cid:44)
dziestych ubieg(cid:32)lego wieku. Poczatkowo traktowano je jako narzedzie czysto matematyczne,
(cid:44) (cid:44)
w ostatnich dekadach jednak okaza(cid:32)lo sie, z˙e istnieje duz˙o po(cid:32)laczen´ miedzy tymi problemami
(cid:44) (cid:44) (cid:44)
a automatyczna weryfikacja, sztuczna inteligencja czy nawet przetwarzaniem dokument´ow.
(cid:44) (cid:44) (cid:44) (cid:44)
Ta praca jest po´swiecona klasyfikowaniu opisanych niz˙ej logik modalnych ze wzgledu na
(cid:44) (cid:44)
rozstrzygalno´s´c i z(cid:32)loz˙ono´s´c problemu spe(cid:32)lnialno´sci ich formu(cid:32)l.
Elementarne logiki modalne. Klasycznym sposobem definiowania logik modalnych
jest podanie ich aksjomat´ow - w ten spos´ob powstaja najbardziej znane logiki, takie jak K,
(cid:44)
S4, S5 czy T. Okazuje sie, z˙e tak zdefiniowane logiki maja naturalne semantyki wyraz˙one
(cid:44) (cid:44)
za pomoca struktur Kripkego. W przypadku elementarnych logik modalnych ([18]) jest
(cid:44)
odwrotnie - logike modalna tworzy sie przez ograniczenie struktur Kripkego zadana formu(cid:32)la
(cid:44) (cid:44) (cid:44) (cid:44) (cid:44)
pierwszego rzedu, uz˙ywajaca jednego predykatu (R) interpretowanego jako relacja przej´scia
(cid:44) (cid:44) (cid:44)
struktury. Przyk(cid:32)ladowo, logike S4 moz˙na zdefiniowa´c formu(cid:32)la ∀xyz.xRx∧(xRy∧yRz ⇒
(cid:44) (cid:44)
xRz). Takispos´obdefiniowanialogikiwydajesiebardziejnaturalny,jednakczasemprowadzi
(cid:44)
dologiknierozstrzygalnych. Pierwszacze´s´ctejpracyzawieradow´od,z˙enawetbardzoprosta
(cid:44)
formu(cid:32)la(∀xyz.¬xRy∨¬xRz∨yRx∨zRx∨zRy∨yRz)moz˙eprowadzi´cdonierozstrzygalnej
logiki. Wynik ten jest dowiedziony za pomoca narzedzia, kt´ore wykorzystuje r´owniez˙ do
(cid:44) (cid:44) (cid:44)
pokazania nierozstrzygalno´sci innych interesujacych logik.
(cid:44)
Opr´ocznegatywnychwynik´ow,niniejszapracawskazujer´owniez˙ duz˙aklaseformu(cid:32)ldefini-
(cid:44) (cid:44)
ujacychrozstrzygalnelogikimodalne, mianowicieuniwersalneformu(cid:32)lyhornowskie. Wprzy-
(cid:44)
padku, gdy rozpatrujemy lokalna spe(cid:32)lnialno´s´c, z(cid:32)loz˙ono´s´c takich logik okazuje sie by´c za-
(cid:44) (cid:44)
wsze w PSpace, podczas gdy w przypadku globalnej spe(cid:32)lnialno´sci moz˙e wzrosna´c do Exp-
(cid:44)
Time. Dok(cid:32)ladna z(cid:32)loz˙ono´s´c zalez˙y od pewnych w(cid:32)lasno´sci formul(cid:32)y — niniejsza praca zawiera
szczeg´o(cid:32)lowaanalizewszystkichprzypadk´ow. Okazujesie,z˙ewzalez˙no´sciodformu(cid:32)lyproblem
(cid:44) (cid:44) (cid:44)
spe(cid:32)lnialno´sci moz˙e by´c w P, NP-zupe(cid:32)lny, PSpace-zupe(cid:32)lny lub ExpTime-zupe(cid:32)lny.
Ponadto, rozpatruje r´owniez˙ problem skon´czonej spe(cid:32)lnialno´sci, kt´ory czesto jest trak-
(cid:44) (cid:44)
towany jako bardziej praktyczny od og´olnej spe(cid:32)lnialno´sci. Okazuje sie, z˙e r´owniez˙ ten prob-
(cid:44)
lemjestzawszerozstrzygalnydlalogikdefiniowanychuniwersalnymiformu(cid:32)lamihornowskimi.
Logika Halperna–Shohama. Logika Halperna–Shohama [15] s(cid:32)luz˙y opisywaniu rzeczy-
wisto´sci w oparciu o zdarzenia kt´ore trwaja, a wiec zajmuja pewien przedzia(cid:32)l czasu. Pode-
(cid:44) (cid:44) (cid:44)
j´scie to znacznie r´oz˙ni sie od klasycznego, w kt´orym czas traktuje sie jako zbi´or punkt´ow.
(cid:44) (cid:44)
Logika ta, zaproponowana pod koniec lat osiemdziesiatych, sk(cid:32)lada sie z dwunastu opera-
(cid:44) (cid:44)
tor´ow modalnych opisujacych moz˙liwe relacje miedzy przedzia(cid:32)lami w ustalonym porzadku.
(cid:44) (cid:44) (cid:44)
Cowaz˙ne,logikasamawsobienieczyniistotnychza(cid:32)loz˙en´dotyczacychnaturyczasu—moz˙e
(cid:44)
on by´c dyskretny, gesty, z kon´cami, bez kon´c´ow, liniowy, drzewiasty itd.
(cid:44)
Logika Halperna–Shohama przez wiele lat nie wzbudza(cid:32)la wiekszego zainteresowania. Na
(cid:44)
poczatku XXI wieku jednak, dzieki motywacji p(cid:32)lynacej od ludzi zajmujacej sie sztuczna in-
(cid:44) (cid:44) (cid:44) (cid:44) (cid:44) (cid:44)
teligencja,badanier´oz˙nychfragment´owtejlogikista(cid:32)losiebardzopopularne. Niniejszapraca
(cid:44) (cid:44)
zawiera dow´od, z˙e bardzo ma(cid:32)ly fragment tej logiki, zawierajacy jedynie operator modalny
(cid:44)
D, odnoszacy sie do podprzedzia(cid:32)l´ow, ma nierozstrzygalny problem spe(cid:32)lnialno´sci (lokalnej i
(cid:44) (cid:44)
globalnej) w sytuacji, gdy rozpatrujemy porzadki dyskretne.
(cid:44)

Acknowledgements
First of all, I would like to thank my advisor Jerzy Marcinkowski for his idea
to investigate Halpern–Shoham logic, his cooperation on this topic and many
valuable suggestions.
I wish to thank Emanuel Kieron´ski for introducing me into the concepts of
modal logic and the fruitful cooperation during all these years.
I wish to express my gratitude to all my other co-authors: Jan Otop, Ian
Pratt-Hartmann, and Lidia Tendera for all the time we spent writing, thinking
and reading.
Finally, I would like to thank Polish Ministry of Science and Higher Educa-
tion, for their generous support under grants N206 022 31/3660 and N N206
371339, European Union for the support under project POKL.04.01.01-00-
054/10-00, and The European Science Foundation for organizing and sponsor-
ing the GAMES workshop, during which I heard about the Halpern–Shoham
logic for the first time.