In the present work, we lay out a new theory showing that all automata can always be co-lexicographically partially ordered, and an intrinsic measure of their complexity can be defined and effectively determined, namely, the minimum width $p$ of one of their admissible co-lex partial orders - dubbed here the automaton's co-lex width. We first show that this new measure captures at once the complexity of several seemingly-unrelated hard problems on automata. Any NFA of co-lex width $p$: (i) has an equivalent powerset DFA whose size is exponential in $p$ rather than (as a classic analysis shows) in the NFA's size; (ii) can be encoded using just $\Theta(\log p)$ bits per transition; (iii) admits a linear-space data structure solving regular expression matching queries in time proportional to $p^2$ per matched character. Some consequences of this new parameterization of automata are that PSPACE-hard problems such as NFA equivalence are FPT in $p$, and quadratic lower bounds for the regular expression matching problem do not hold for sufficiently small $p$. Having established that the co-lex width of an automaton is a fundamental complexity measure, we proceed by (i) determining its computational complexity and (ii) extending this notion from automata to regular languages by studying their smallest-width accepting NFAs and DFAs. In this work we focus on the deterministic case and prove that a canonical minimum-width DFA accepting a language $\mathcal L$ - dubbed the Hasse automaton $\mathcal H$ of $\mathcal L$ - can be exhibited. Finally, we explore the relationship between two conflicting objectives: minimizing the width and minimizing the number of states of a DFA. In this context, we provide an analogous of the Myhill-Nerode Theorem for co-lexicographically ordered regular languages.


翻译:在目前的工作中,我们提出一个新的理论,显示所有自动数据总是可以部分地进行共同语言排序,其复杂性的内在度量可以确定和有效确定,即其可允许的共语言部分订单之一的最小宽度$p$,这里称为自动马顿的共语言宽度。我们首先显示,这一新测量同时捕捉了与自动数据上若干似乎没有关联的难题的复杂程度。 任何共同语言宽度为$p$的NFA:(一) 其最小值为美元,而不是(典型分析显示的)NFA规模的美元。 (二) 其最小值为最小值$ p$; (三) 仅使用 $\ Theta(log p) 的每过渡点位元元元; (三) 引入一个线性空间数据结构, 以时间比例匹配询问, 与 $% 2 相匹配。 自动数据的新参数的某种后果是, 等于NFA值的最小值为美元, 其最小值为美元, 其最小值为美元, 其基值为最小值为最小值为基数, 其直度为直线- 直径, 其直系为直径, 直系为直系为直径, 直系为直系为直系为直系为直系为直系为直系为直系为直系为直系, 。

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