We develop a weakest-precondition-style calculus \`a la Dijkstra for reasoning about amortized expected runtimes of randomized algorithms with access to dynamic memory - the $\textsf{aert}$ calculus. Our calculus is truly quantitative, i.e. instead of Boolean valued predicates, it manipulates real-valued functions. En route to the $\textsf{aert}$ calculus, we study the $\textsf{ert}$ calculus for reasoning about expected runtimes of Kaminski et al. [2018] extended by capabilities for handling dynamic memory, thus enabling compositional and local reasoning about randomized data structures. This extension employs runtime separation logic, which has been foreshadowed by Matheja [2020] and then implemented in Isabelle/HOL by Haslbeck [2021]. In addition to Haslbeck's results, we further prove soundness of the so-extended $\textsf{ert}$ calculus with respect to an operational Markov decision process model featuring countably-branching nondeterminism, provide intuitive explanations, and provide proof rules enabling separation logic-style verification for upper bounds on expected runtimes. Finally, we build the so-called potential method for amortized analysis into the $\textsf{ert}$ calculus, thus obtaining the $\textsf{aert}$ calculus. Since one needs to be able to handle changes in potential which can be negative, the $\textsf{aert}$ calculus needs to be capable of handling signed random variables. A particularly pleasing feature of our solution is that, unlike e.g. Kozen [1985], we obtain a loop rule for our signed random variables, and furthermore, unlike e.g. Kaminski and Katoen [2017], the $\textsf{aert}$ calculus makes do without the need for involved technical machinery keeping track of the integrability of the random variables. Finally, we present case studies, including a formal analysis of a randomized delete-insert-find-any set data structure [Brodal et al. 1996].


翻译:我们开发了一个最弱的预示性计算器 {{a la Dijkstra} 。 我们开发了一个最弱的计算器 { ror- premology } { a la Dijkstra, 用来推算有动态内存( $\ textsf{ a la divil- dalculus ) 的预估运行时间 。 我们开发了一个 ror- premocal { a la Dijkstral { } 。 我们开发了一个 ror- formal 。 $ texts fetrexf{er} $ caludeal exmology_ dislations to commalls. 2018} 通过处理动态内存有动态内存( $2018) 的随机随机自动算算算算算算法, 这个扩展使用时间分解逻辑, 由Matheja 2020] 开始, 然后由Helbelbeck a dealdealdealdeal maticol max max max max max max max max 。

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