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HyperTrac:Hypergraph Zerlegung und Effiziente Lösbarkeit

HyperTrac:hypergraph Decompositions and Tractability

Georg Gottlob (ORCID: 0000-0002-2353-5230)
  • Grant-DOI 10.55776/P30930
  • Förderprogramm Einzelprojekte
  • Status beendet
  • Projektbeginn 01.06.2018
  • Projektende 30.11.2022
  • Bewilligungssumme 403.541 €
  • Projekt-Website

Wissenschaftsdisziplinen

Informatik (100%)

Keywords

    Conjunctive Queries, Hypergraph Decompositions, Constraint Satisfaction Problems, Tractability

Abstract Endbericht

Conjunctive Queries (CQs, auch als Select-From-Where Anfragen in der Datenbankanfrage- sprache SQL bekannt) sind die grundlegendste Form von Datenbankanfragen. Ebenso stellen Constraint Satisfaction Problems (CSPs) eine grundlegende Aufgabe in der Künstlichen Intelligenz dar. Für beide Probleme ist bekannt, dass sie eine hohe Komplexität haben. Daher ist die Suche nach Klassen von CQs und CSP mit niedrigerer Komplexität seit vielen Jahren ein aktives Forschungsgebiet. Ein wichtiges Werkzeug, um solche Klassen von CQs und CSPs mit niedrigerer Komplexität zu identifizieren, sind sogenannte Hypergraph Zerlegungen. Diese Techniken wurden erfolgreich zum Lösen von CSPs eingesetzt und haben mittlerweile auch in kommerziellen Datenbanksystemen Eingang gefunden. Es gibt in der Literatur mehrere Arten von Hypergraph Zerlegungen, nämlich hypertree decompositions (HDs), ihre Verallgemeinerung zu generalized hypertree decompositions (GHDs) und die noch allgemeineren fractional hypertree decompositions (FHDs). Allerdings ist die Berechnung einer geeigneten HD, GHD oder FHD selbst wiederum eine schwierige Aufgabe. Es gibt zwar Algorithmen für diese Aufgabe, aber diese funktionieren typischerweise nur für kleine Conjunctive Queries oder kleine Constraint Satisfaction Problems. In diesem Projekt werden wir das Problem der Berechnung der verschiedenen Formen von Hypergraph Zerlegungen (also HDs, GHDs, und FHDs) in Angriff nehmen und zwar sowohl aus einem theoretischen als auch aus einem praktischen Blickwinkel. Einerseits streben wir die Entwicklung von neuen Algorithimen an, die die alten in puncto Geschwindigkeit übertreffen. Und andererseits wollen wir sinnvolle Einschränkungen der CQs or CSPs finden, die noch effizientere Zerlegungsgorithmen ermöglichen.

Die Beantwortung von Benutzer-Anfragen an eine Datenbank oder das Finden von Lösungen, die bestimmte vom Benutzer angegebene Bedingungen erfüllen, sind grundlegende Probleme der Informatik. Es handelt sich dabei jedoch um nicht-triviale Probleme, und selbst moderne Computer können Schwierigkeiten haben, sie in einer akzeptablen Zeit zu lösen. Folglich wurden in der Literatur verschiedene Methoden vorgeschlagen, um ein gegebenes Problem zu zerlegen und die resultierenden Zerlegungen zu verwenden, um schneller Lösungen zu finden. Intuitiv teilen solche Zerlegungen eine komplexe Berechnungsaufgabe in kleinere, überschaubare Teilaufgaben auf. Allerdings kann auch das Finden einer guten Zerlegung selbst ein herausforderndes Problem darstellen. In diesem Projekt haben wir daher zwei Hauptrichtungen verfolgt: Erstens haben wir frühere Methoden zur Berechnung von Zerlegungen erheblich verbessert. Um dieses Ziel zu erreichen, haben wir mehrere Methoden angewandt: Einerseits haben wir parallele Algorithmen entworfen, die auf einem Cluster von Computern ausgeführt werden können. Andererseits haben wir Probleminstanzen, die in der Praxis üblicherweise vorkommen, analysiert und strukturelle Eigenschaften dieser Probleminstanzen identifiziert. Diese Eigenschaften haben wir dann genutzt, um effizientere Algorithmen zu entwerfen. Als Nebenprodukt dieser Arbeit haben wir einen Benchmark von Probleminstanzen erstellt, der auch von anderen Gruppen, die Algorithmen in diesem Bereich entwerfen, für experimentelle Auswertungen verwendet werden kann (und bereits verwendet wurde). Zweitens haben wir an schnellen Lösungsmethoden - viele davon unter Verwendung von Zerlegungen - für verschiedene Probleme in den Bereichen Datenbanken und Künstliche Intelligenz gearbeitet. Im Falle des Datenbankbereichs haben wir daher neuartige Techniken zur Abfrageauswertung und Optimierung verschiedener Abfragesprachen vorgeschlagen. Im Bereich der künstlichen Intelligenz haben wir uns mit verschiedenen Problemen aus so unterschiedlichen Bereichen wie Computational Social Choice und Reasoning befasst. Insbesondere im Bereich der Anfragebeantwortung und -optimierung hat der Einsatz von zerlegungsbasierten Methoden bislang noch nicht Eingang in industrietaugliche Programme gefunden. Dies ist zumindest teilweise darauf zurückzuführen, dass die Berechnung von Zerlegungen als schwierige und daher zeitaufwändige Aufgabe angesehen wird. Mit den in diesem Projekt erzielten Fortschritten bei der Entwicklung neuer Algorithmen (und öffentlich verfügbarer Softwaretools, die diese Algorithmen implementieren) zur Berechnung von Zerlegungen sollte dies kein Hindernis mehr darstellen. Daher wird der natürliche nächste Schritt darin bestehen, auf Zerlegungen basierende Techniken in moderne Datenbanksysteme zu integrieren.

Forschungsstätte(n)
  • Technische Universität Wien - 100%
Internationale Projektbeteiligte
  • Gianluigi Greco, Universita della Calabria - Italien
  • Francesco Scarcello, Università di Calabria - Italien
  • Nicola Leone, Università di Calabria - Italien
  • Christopher Re, Stanford University - Vereinigte Staaten von Amerika
  • Dan Olteanu, University of Oxford - Vereinigtes Königreich
  • Stanislav Zivny, University of Oxford - Vereinigtes Königreich

Research Output

  • 196 Zitationen
  • 71 Publikationen
  • 3 Methoden & Materialien
  • 2 Wissenschaftliche Auszeichnungen
  • 1 Weitere Förderungen
Publikationen
  • 2024
    Titel Fast Parallel Hypertree Decompositions in Logarithmic Recursion Depth
    DOI 10.1145/3638758
    Typ Journal Article
    Autor Gottlob G
    Journal ACM Transactions on Database Systems
  • 2018
    Titel On the Enumeration Complexity of Unions of Conjunctive Queries
    DOI 10.48550/arxiv.1812.03831
    Typ Preprint
    Autor Carmeli N
  • 2018
    Titel HyperBench: A Benchmark and Tool for Hypergraphs and Empirical Findings
    DOI 10.48550/arxiv.1811.08181
    Typ Preprint
    Autor Fischl W
  • 2018
    Titel General and Fractional Hypertree Decompositions
    DOI 10.1145/3196959.3196962
    Typ Conference Proceeding Abstract
    Autor Fischl W
    Seiten 17-32
  • 2022
    Titel Convergence of Datalog over (Pre-) Semirings
    Typ Conference Proceeding Abstract
    Autor Hung Q. Ngo
    Konferenz PODS '22: International Conference on Management of Data
    Seiten 105-117
  • 2022
    Titel Datalog in Wonderland
    Typ Journal Article
    Autor Hung Q Ngo
    Journal SIGMOD Record
    Seiten 6-17
  • 2022
    Titel Optimizing Recursive Queries with Progam Synthesis
    Typ Conference Proceeding Abstract
    Autor Mahmoud Abo Khamis
    Konferenz SIGMOD '22: International Conference on Management of Data
    Seiten 79-93
  • 2022
    Titel Fast Parallel Hypertree Decompositions in Logarithmic Recursion Depth
    Typ Conference Proceeding Abstract
    Autor Georg Gottlob
    Konferenz PODS '22: International Conference on Management of Data
    Seiten 325-336
  • 2022
    Titel Family Link Detection in Uncertain Settings with MV-Datalog
    Typ Conference Proceeding Abstract
    Autor Marta Bernardini
    Konferenz EDBT/ICDT Workshops 2022
  • 2022
    Titel New Perspectives for Fuzzy Datalog (Extended Abstract)
    Typ Conference Proceeding Abstract
    Autor Matthias Lanzinger
    Konferenz 4th International Workshop on the Resurgence of Datalog in Academia and Industry (Datalog-2.0 2022) co-located with the 16th International Conference on Logic Programming and Nonmonotonic Reasoning (LPNMR} 2022)
    Seiten 42-47
  • 2021
    Titel HyperBench
    DOI 10.1145/3440015
    Typ Journal Article
    Autor Fischl W
    Journal Journal of Experimental Algorithmics (JEA)
    Seiten 1-40
  • 2021
    Titel On the Enumeration Complexity of Unions of Conjunctive Queries
    DOI 10.1145/3450263
    Typ Journal Article
    Autor Carmeli N
    Journal ACM Transactions on Database Systems (TODS)
    Seiten 1-41
    Link Publikation
  • 2021
    Titel Complexity Analysis of Generalized and Fractional Hypertree Decompositions
    DOI 10.1145/3457374
    Typ Journal Article
    Autor Gottlob G
    Journal Journal of the ACM (JACM)
    Seiten 1-50
    Link Publikation
  • 2021
    Titel Fast Parallel Hypertree Decompositions in Logarithmic Recursion Depth
    DOI 10.48550/arxiv.2104.13793
    Typ Preprint
    Autor Gottlob G
  • 2021
    Titel Tractability Beyond {\beta}-Acyclicity for Conjunctive Queries with Negation
    Typ Conference Proceeding Abstract
    Autor Matthias Lanzinger
    Konferenz PODS'21: Proceedings of the 40th ACM SIGMOD-SIGACT-SIGAI Symposium on Principles of Database Systems
    Seiten 355-369
  • 2020
    Titel Fractional Covers of Hypergraphs with Bounded Multi-Intersection
    Typ Conference Proceeding Abstract
    Autor Georg Gottlob
    Konferenz MFCS 2020 - 45th International Symposium on Mathematical Foundations of Computer Science
  • 2020
    Titel The HyperTrac Project: Recent Progress and Future Research Directions on Hypergraph Decompositions
    DOI 10.1007/978-3-030-58942-4_1
    Typ Book Chapter
    Autor Gottlob G
    Verlag Springer Nature
    Seiten 3-21
  • 2020
    Titel HyperBench: A Benchmark and Tool for Hypergraphs and Empirical Findings
    DOI 10.48550/arxiv.2009.01769
    Typ Preprint
    Autor Fischl W
  • 2020
    Titel Characterizing Tractability of Simple Well-Designed Pattern Trees with Projection
    DOI 10.1007/s00224-020-10002-z
    Typ Journal Article
    Autor Mengel S
    Journal Theory of Computing Systems
    Seiten 3-41
    Link Publikation
  • 2019
    Titel A complexity theory for hard enumeration problems
    DOI 10.1016/j.dam.2019.02.025
    Typ Journal Article
    Autor Creignou N
    Journal Discrete Applied Mathematics
    Seiten 191-209
    Link Publikation
  • 2018
    Titel Efficient Evaluation and Static Analysis for Well-Designed Pattern Trees with Projection
    DOI 10.1145/3233983
    Typ Journal Article
    Autor Barceló P
    Journal ACM Transactions on Database Systems (TODS)
    Seiten 1-44
  • 2020
    Titel Semantic Width and the Fixed-Parameter Tractability of Constraint Satisfaction Problems
    DOI 10.24963/ijcai.2020/239
    Typ Conference Proceeding Abstract
    Autor Chen H
    Seiten 1726-1733
    Link Publikation
  • 2020
    Titel Fractional Covers of Hypergraphs with Bounded Multi-Intersection
    DOI 10.48550/arxiv.2007.01830
    Typ Preprint
    Autor Gottlob G
  • 2020
    Titel Fast and Parallel Decomposition of Constraint Satisfaction Problems
    DOI 10.24963/ijcai.2020/161
    Typ Conference Proceeding Abstract
    Autor Gottlob G
    Seiten 1155-1162
    Link Publikation
  • 2020
    Titel Proportional Belief Merging
    DOI 10.1609/aaai.v34i03.5671
    Typ Journal Article
    Autor Haret A
    Journal Proceedings of the AAAI Conference on Artificial Intelligence
    Seiten 2822-2829
    Link Publikation
  • 2020
    Titel Tractability Beyond $\beta$-Acyclicity for Conjunctive Queries with Negation
    DOI 10.48550/arxiv.2007.08876
    Typ Preprint
    Autor Lanzinger M
  • 2020
    Titel Semantic Width and the Fixed-Parameter Tractability of Constraint Satisfaction Problems
    DOI 10.48550/arxiv.2007.14169
    Typ Preprint
    Autor Chen H
  • 2020
    Titel The HyperTrac Project: Recent Progress and Future Research Directions on Hypergraph Decompositions
    DOI 10.48550/arxiv.2012.14762
    Typ Preprint
    Autor Gottlob G
  • 2020
    Titel Lower Bounds for QBFs of Bounded Treewidth
    DOI 10.1145/3373718.3394756
    Typ Conference Proceeding Abstract
    Autor Fichte J
    Seiten 410-424
    Link Publikation
  • 2019
    Titel On the Enumeration Complexity of Unions of Conjunctive Queries
    Typ Conference Proceeding Abstract
    Autor Markus Kröll
    Konferenz PODS 2019 - 38th ACM SIGMOD-SIGACT-SIGAI Symposium on Principles of Database Systems
    Seiten 134-148
  • 2019
    Titel Complexity Bounds for Relational Algebra over Document Spanners
    Typ Conference Proceeding Abstract
    Autor Dominik Freydenberger
    Konferenz PODS 2019 - 38th ACM SIGMOD-SIGACT-SIGAI Symposium on Principles of Database Systems
    Seiten 320-334
  • 2019
    Titel Characterizing Tractability of Simple Well-Designed Pattern Trees with Projection
    Typ Conference Proceeding Abstract
    Autor Sebastian Skritek
    Konferenz ICDT 2019 - 22nd International Conference on Database Theory
  • 2019
    Titel HyperBench: A Benchmark and Tool for Hypergraphs and Empirical Findings
    Typ Conference Proceeding Abstract
    Autor Georg Gottlob
    Konferenz AMW 2019 - 13th Alberto Mendelzon International Workshop on Foundations of Data Management
  • 2019
    Titel Towards Reconciling Certain Answers and SPARQL: Bag Semantics to the Rescue?
    Typ Conference Proceeding Abstract
    Autor Skritek S.
    Konferenz 13th Alberto Mendelzon International Workshop on Foundations of Data Management, AMW 2019
  • 2019
    Titel Semantic Width Revisited (Extended Abstract)
    Typ Conference Proceeding Abstract
    Autor Gottlob G.
    Konferenz 13th Alberto Mendelzon International Workshop on Foundations of Data Management, AMW 2019
  • 2019
    Titel Parallel Computation of Generalized Hypertree Decompositions
    Typ Conference Proceeding Abstract
    Autor C. Okulmus
    Konferenz Proceedings of the 13th Alberto Mendelzon International Workshop on Foundations of Data Management, AMW 2019
  • 2019
    Titel HyperBench: A Benchmark and Tool for Hypergraphs and Empirical Findings
    Typ Conference Proceeding Abstract
    Autor D. Longo
    Konferenz PODS 2019 - 38th ACM SIGMOD-SIGACT-SIGAI Symposium on Principles of Database Systems
    Seiten 464-480
  • 2019
    Titel Datalog: Bag Semantics via Set Semantics
    Typ Conference Proceeding Abstract
    Autor Bertossi L.
  • 2023
    Titel Fractional covers of hypergraphs with bounded multi-intersection
    DOI 10.1016/j.tcs.2023.114204
    Typ Journal Article
    Autor Gottlob G
    Journal Theoretical Computer Science
  • 2023
    Titel Tractability beyond -acyclicity for conjunctive queries with negation and SAT
    DOI 10.1016/j.tcs.2022.12.002
    Typ Journal Article
    Autor Lanzinger M
    Journal Theoretical Computer Science
  • 2019
    Titel HyperBench
    DOI 10.1145/3294052.3319683
    Typ Conference Proceeding Abstract
    Autor Fischl W
    Seiten 464-480
  • 2019
    Titel Complexity Bounds for Relational Algebra over Document Spanners
    DOI 10.1145/3294052.3319699
    Typ Conference Proceeding Abstract
    Autor Peterfreund L
    Seiten 320-334
    Link Publikation
  • 2022
    Titel Tractability Beyond ?-Acyclicity for Conjunctive Queries with Negation and Sat
    DOI 10.2139/ssrn.4132993
    Typ Preprint
    Autor Lanzinger M
    Link Publikation
  • 2022
    Titel Fast Parallel Hypertree Decompositions in Logarithmic Recursion Depth
    DOI 10.1145/3517804.3524153
    Typ Conference Proceeding Abstract
    Autor Gottlob G
    Seiten 325-336
    Link Publikation
  • 2022
    Titel Optimizing Recursive Queries with Progam Synthesis
    DOI 10.1145/3514221.3517827
    Typ Conference Proceeding Abstract
    Autor Wang Y
    Seiten 79-93
    Link Publikation
  • 2022
    Titel Fast and parallel decomposition of constraint satisfaction problems
    DOI 10.1007/s10601-022-09332-1
    Typ Journal Article
    Autor Gottlob G
    Journal Constraints
    Seiten 284-326
    Link Publikation
  • 2022
    Titel Convergence of Datalog over (Pre-) Semirings
    DOI 10.1145/3517804.3524140
    Typ Conference Proceeding Abstract
    Autor Khamis M
    Seiten 105-117
    Link Publikation
  • 2023
    Titel Diversity of Answers to Conjunctive Queries
    DOI 10.48550/arxiv.2301.08848
    Typ Other
    Autor Merkl T
    Link Publikation
  • 2021
    Titel Tractability Beyond ß-Acyclicity for Conjunctive Queries with Negation
    DOI 10.1145/3452021.3458308
    Typ Conference Proceeding Abstract
    Autor Lanzinger M
    Seiten 355-369
    Link Publikation
  • 2021
    Titel Efficiently enumerating minimal triangulations
    DOI 10.1016/j.dam.2020.05.034
    Typ Journal Article
    Autor Carmeli N
    Journal Discrete Applied Mathematics
    Seiten 216-236
    Link Publikation
  • 2022
    Titel Incremental Updates of Generalized Hypertree Decompositions
    DOI 10.1145/3578266
    Typ Journal Article
    Autor Gottlob G
    Journal ACM Journal of Experimental Algorithmics
    Seiten 1-28
    Link Publikation
  • 2023
    Titel Grounding Planning Tasks Using Tree Decompositions and Iterated Solving
    DOI 10.1609/icaps.v33i1.27184
    Typ Journal Article
    Autor Corrêa A
    Journal Proceedings of the International Conference on Automated Planning and Scheduling
  • 2023
    Titel Incremental Updates of Generalized Hypertree Decompositions
    Typ Journal Article
    Autor Georg Gottlob
    Journal ACM Journal of Experimental Algorithms
    Seiten 1-16
  • 2018
    Titel General and Fractional Hypertree Decompositions: Hard and Easy Cases
    Typ Conference Proceeding Abstract
    Autor Reinhard Pichler
    Konferenz PODS 2018 - 37th ACM SIGMOD-SIGACT-SIGAI Symposium on Principles of Database Systems
    Seiten 17-32
  • 2018
    Titel General and Fractional Hypertree Decompositions: Hard and Easy Cases (extended abstract)
    Typ Conference Proceeding Abstract
    Autor Georg Gottlob
    Konferenz 12th Alberto Mendelzon International Workshop on Foundations of Data Management
    Seiten 1-4
  • 2018
    Titel Datalog: Bag Semantics via Set Semantics
    DOI 10.48550/arxiv.1803.06445
    Typ Preprint
    Autor Bertossi L
    Link Publikation
  • 2018
    Titel Proceedings of the 37th ACM SIGMOD-SIGACT-SIGAI Symposium on Principles of Database Systems, PODS '18
    DOI 10.1145/3196959
    Typ Journal Article
  • 2018
    Titel Computing the Schulze Method for Large-Scale Preference Data Sets
    DOI 10.24963/ijcai.2018/25
    Typ Conference Proceeding Abstract
    Autor Csar T
    Seiten 180-187
    Link Publikation
  • 2022
    Titel Integration of Skyline Queries into Spark SQL
    DOI 10.48550/arxiv.2210.03718
    Typ Preprint
    Autor Grasmann L
  • 2022
    Titel Incremental Updates of Generalized Hypertree Decompositions
    DOI 10.48550/arxiv.2209.10375
    Typ Preprint
    Autor Gottlob G
  • 2022
    Titel MV-Datalog+-: Effective Rule-based Reasoning with Uncertain Observations
    DOI 10.1017/s1471068422000199
    Typ Journal Article
    Autor Lanzinger M
    Journal Theory and Practice of Logic Programming
    Seiten 678-692
    Link Publikation
  • 2022
    Titel Optimizing Recursive Queries with Program Synthesis
    DOI 10.48550/arxiv.2202.10390
    Typ Preprint
    Autor Wang Y
  • 2022
    Titel MV-Datalog+-: Effective Rule-based Reasoning with Uncertain Observations
    DOI 10.48550/arxiv.2202.01718
    Typ Preprint
    Autor Lanzinger M
  • 0
    DOI 10.1145/3294052
    Typ Other
  • 0
    DOI 10.1145/3517804
    Typ Other
  • 0
    DOI 10.1145/3514221
    Typ Other
  • 2020
    Titel Fractional Covers of Hypergraphs with Bounded Multi-Intersection
    DOI 10.4230/lipics.mfcs.2020.41
    Typ Conference Proceeding Abstract
    Autor Gottlob G
    Konferenz LIPIcs, Volume 170, MFCS 2020
    Seiten 41:1 - 41:14
    Link Publikation
  • 2020
    Titel Complexity Analysis of Generalized and Fractional Hypertree Decompositions
    DOI 10.48550/arxiv.2002.05239
    Typ Preprint
    Autor Gottlob G
  • 2020
    Titel selp: A Single-Shot Epistemic Logic Program Solver
    DOI 10.1017/s1471068420000022
    Typ Journal Article
    Autor Bichler M
    Journal Theory and Practice of Logic Programming
    Seiten 435-455
    Link Publikation
  • 2020
    Titel selp: A Single-Shot Epistemic Logic Program Solver
    DOI 10.48550/arxiv.2001.01089
    Typ Preprint
    Autor Bichler M
  • 2020
    Titel The Impact of Treewidth on Grounding and Solving of Answer Set Programs
    DOI 10.1613/jair.1.11515
    Typ Journal Article
    Autor Bliem B
    Journal Journal of Artificial Intelligence Research
    Seiten 35-80
    Link Publikation
Methoden & Materialien
  • 2019 Link
    Titel HyperBench
    Typ Improvements to research infrastructure
    Öffentlich zugänglich
    Link Link
  • 2019 Link
    Titel BalancedGo
    Typ Improvements to research infrastructure
    Öffentlich zugänglich
    Link Link
  • 2018 Link
    Titel NewDetKDecomp
    Typ Improvements to research infrastructure
    Öffentlich zugänglich
    Link Link
Wissenschaftliche Auszeichnungen
  • 2022
    Titel Keynote at Datalog 2.0 Workshop
    Typ Personally asked as a key note speaker to a conference
    Bekanntheitsgrad Continental/International
  • 2020
    Titel Keynote at CPAIOR 2020
    Typ Personally asked as a key note speaker to a conference
    Bekanntheitsgrad Continental/International
Weitere Förderungen
  • 2023
    Titel ICT2021
    Typ Research grant (including intramural programme)
    Förderbeginn 2023
    Geldgeber Vienna Science and Technology Fund

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