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I n t h e f ir s t p a r t o f t h e p a p e r , I p r e s e n t a
n ew t r e a t m en t o f THE IM P ERF I~CTIVE P ARADOX
( D o w t y 1 9 79 ) fo r t h e r e s t r i c t e d c a s e o f t r a j e c t o r y -
o f - m o t i o n e v e n t s. T h i s t r e a t m e n t e x t e n d s a n d r e -
f in e s t h o s e o f M o e n s a n d S t e e d m a n ( 1 98 8 ) a n d
J a c k e n d o f f ( 1 9 9 1 ) . I n t h e s e c o n d p a r t , I d e s c r i b e
a n i m p l e m e n t e d a l g o r i t h m b a s e d o n t hi s t r e a t m e n t
w h i c h d e t e r m i n e s w h e t h e r a s p e c if i ed s e q u en c e o f
s u c h e v e n t s i s o r i s n o t p o s s i b l e u n d e r c e r t a i n s i t -
u a t i o n a l l y s u p p l i e d c o n s t r a i n t s a n d r e s t r i c t i v e a s-
s u m p t i o n s .
I n t r o d u c t i o n
B a c h ( 1 9 8 6 : 1 2 ) s u m m a r i z e s T H E I M P E R F E C T I V E
P AR AD O X ( D o w t y 1 9 7 9 ) a s f o l lo w s : " . . . h o w c a n
w e c h a r a c t e r i z e t h e m e a n i n g o f a p r o g r e s s i v e s e n -
t e n c e l i k e ( l a ) [ 17 ] o n t h e b a s i s o f t h e m e a n i n g o f
a s i m p l e s e n t e n c e l i k e ( l b ) [ 1 8 ] w h e n ( l a ) c a n b e
t r u e o f a h i s t o r y w i t h o u t ( l b ) e v e r b e i n g t ru e ? "
( l a ) J o h n w a s c r os s i ng t h e s tr e e t .
( l b ) J o h n c r o ss e d t h e s t r e e t.
C i t i n g p a r a l le l s i n t h e n o m i n a l d o m a i n , B a c h g o e s
o n t o p o i n t o u t t h a t t h i s p u z z le i s s e e m i n g l y m u c h
m o r e g e n e r a l , i n s o f a r a s i t a p p e a r s w h e n e v e r a n y
s o r t o f p a r t i t i v e i s e m p l o y e d . I n s u p p o r t o f t h is
v i e w , w e m a y o b s e r v e t h a t t h e s tar t v - ing c o n -
s t r u c t i o n e x h i b i t s t h e s a m e b e h a v i o r :
( 2 a ) J o h n s t a r t e d j o g g i n g t o t h e m u s e u m .
( 2 b ) J o h n j o g g e d to t h e m u s e u m .
H e r e w e s e e t h a t ( 2 a ) d o e s n o t e n t a i l ( 2 b) - - w h i l e( 2 b ) a s s e r t s t h e o c c u r r e n c e o f a n e n t i r e e v e n t o f
J o h n j o g g i n g t o t h e m u s e u m , ( 2 a ) o n l y as s e rt s t h e
*The au thor g ratefu l ly acknowledges the helpfu lcom me nts o f Ma rk Steedm an, Jef f S isk ind , Chr is tyDo ran , M at th ew S to n e , an d t h e an o n y mo u s re f e r -ees, as wel l as the s upp or t o f DARP A N00014-90-J-1863, AI ~O DAA L03-89-C-0031, NS F IRI 90-16592,Ben Franklin 91S.3078C-1.
o c c u r r e n c e o f t h e b e g i n n i n g o f s u c h a n e v e n t , l e a v -
i n g o p e n t h e e x i s t e n t i a l s t a t u s o f it s c o m p l e t i o n .
C a p i t a l i z i n g o n B a c h ' s i n s i g h t , I p r e s e n t i n
t h e fi rs t p a r t o f t h e p a p e r a n e w t r e a t m e n t o f
t h e i m p e r f e c t i v e p a r a d o x w h i c h r e li e s o n t h e p o s -
s i b i l it y o f h a v i n g a c t u a l e v e n t s s t a n d i n g i n t h e
p a r t - o f r e l a t io n t o h y p o t h e t i c a l s u pe r - e v e n t s . T h i s
t r e a t m e n t e x t e n d s a n d r e f in e s th o s e o f M o e n sa n d S t e e d m a n ( 1 9 8 8 ) a n d J a c k e n d o f f ( 19 9 1 ), a t
l e a s t fo r th e r e s t r i c t e d c a s e o f t r a j e c t o r y - o f - m o t i o n
e v e n ts . 1 I n p a r t i c u l a r , t h e p r e s e n t t r e a t m e n t c o r -
r e c t l y a c c o u n t s n o t o n l y f o r w h a t ( 2 a ) f a i l s t o e n -
t a i l - - n a m e l y , t h a t J o h n e v e n t u a l l y r e a c h e s th e
m u s e u m - - b u t a l so fo r w h a t ( 2 a ) d o e s i n f a c t e n -
t a i l - - n a m e l y , t h a t J o h n f o ll o w s ( b y j o g g i n g ) a t
l e a s t a n i n i t i a l p a r t o f a p a t h t h a t l e a d s t o t h e
m u s e u m . I n t h e s e c o n d p a r t o f t h e p a p e r , I b ri e f ly
d e s c r i b e a n i m p l e m e n t e d a l g o r i t h m b a s e d o n t h i s
t h e o r e t i c a l t r e a t m e n t w h i c h d e t e r m i n e s w h e t h e r a
s p e c if i ed s e q u e n c e o f t r a j e c t o r y - o f - m o t i o n i s o r i s
n o t p o s s i b l e u n d e r c e r t a i n s i t u a t i o n a l l y s u p p l i e d
c o n s t r a i n t s a n d r e s t r i c t i v e a s s u m p t i o n s .
T h e o r y
T h e p r e s e n t t r e a t m e n t b u i l d s u p o n t h e a p -
p r o a c h t o a s p e c t u a l c o m p o s i t i o n d e v e l o p e d i n
W h i t e ( 1 9 9 3 ), a b r i e f s k e t c h o f w h i c h f o l lo w s .
W h i t e ( 1 99 3 ) a r g u e s t h a t s u b s t a n c e s , p r o c e ss e s
a n d o t h e r s u c h e n t i t i e s s h o u l d b e m o d e l e d a s a b -
s t r a c t k i n d s w h o s e r e a l i z a t i o n s ( t h i n g s , e v e n t s ,e t c . ) v a r y in a m o u n t . 2 T h i s i s a c c o m p l i s h e d f o r -
m a l l y t h r o u g h t h e u s e o f a n o r d e r - s o r t e d l o g ic
w i t h a n a x i o m a t i z e d c o l l e c t io n o f b i n a r y r e l a ti o n s .T h e i n t e n d e d s o r t h i e r a r c h y i s m u c h l i k e t h o s e
o f E b e r l e ( 1 9 9 0 ) a n d J a c k e n d o f f ( 1 99 1 ) ; i n p a r -t i c u l a r , b o t h s u b s t a n c e s a n d t h i n g s a r e t a k e n t o
b e s u b s o r t s o f th e m a t e r i a l e n t i t i e s, a n d s i m i l a r l y
1These are elsewhere cal led 'd i rected-mot ion 'even ts .
2This move is in tended to reso lve cer tain emp ir icalan d co m p u ta t i o n a l p ro b l ems w i th t h e v i ew o f r e f e r -en t ial homogenei ty espoused by Kri fka (1992) and h ispredecessors .
b o t h p r o c e s s e s a n d e v e n t s a r e t a k e n t o b e s u b -
s o r t s o f t h e n o n - s t a t i v e e v e n t u a l i ti e s . W h a t i s n e w
i s t h e a x i o m a t i z a t i o n o f J a c k e n d o f f ' s c o m p o s e d - o f
r e l a t i o n ( c o m p ) - - w h i c h e f fe c ts t h e a f or e m e n -
t i o n e d k i n d - t o - r e a l iz a t i o n m a p p i n g - - i n t e r m s o f
K r i f k a ' s ( 1 9 9 2 ) p a r t - o f r e l a t i o n ( _U ). O f p a r t i c u l a r
i n t e r e s t i s t h e f o l lo w i n g s u b p a r t c l o s u r e p r o p e r t y :
(3 ) V x y l y 2 [ c o m p ( x ) ( y x ) A y2 C_ yl - -~ c o m p ( x ) ( y 2 ) ]
P o s t u l a t e ( 3 ) s t a t e s t h a t a l l s u b p a r t s o f a r e a li z a -
t i o n o f a g i v e n k i n d a r e a l s o r e a l i z a t i o n s o f t h a t
k i n d . 3 F r o m t h i s p o s t u l a t e i t fo l l ow s , f o r e x a m p l e ,
t h a t i f e is a p r o c e s s o f J o h n r u n n i n g a l o n g t h e
r i v e r w h i c h h a s a r e a l i z a t i o n e l l a s t i n g t e n m i n -
u t e s , a n d i f e 2 i s a s u b e v e n t o f e l - - t h e f i r s t h a l f ,
s a y - - t h e n e 2 i s a ls o a r e a l i z a t i o n o f e. A s s u c h ,
t h is p o s t u l a t e m a y b e u s e d t o m a k e J o h n r a n a lo n g
t h e r i v e r f o r t e n m i n u t e s e n t a i l J o h n r a n a l o n g t h e
r i v e r f o r f i v e m i n u t e s , i n c o n t r a s t t o t h e p a i r J o h n
r a n t o l h e m u s e u m i n t e n m i n u t e s a n d J o h n r a n
t o lh e m u s e u m i n f i v e m i n u l e s .
I n o r d e r t o r e s o lv e t h e i m p e r f e c t i v e p a r a d o x ,w e m a y e x t e n d W h i t e ( 1 9 93 ) b y a d d i n g a m a p p i n g
f r o m e v e n t s t o p r o c e s s e s ( w h o s e r e a l i z a t i o n s n e e d
n o t t e r m i n a t e i n th e s a m e w a y ) , a s w e ll a s a m e a n s
f o r d is t i n g u i s h in g a c t u a l a n d h y p o t h e t i c a l e v e n ts .
T o d o t h e f o rm e r , w e m a y a x i o m a t i z e c o m p ' s i n-
v e r s e m a p p i n g - - J a c k e n d o f f ' s g r o u n d - f r o m ( g r )
- - a g a i n i n t e r m s o f K r i f k a ' s p a r t - o f re l a t io n . T h i s
i s s h o w n b e l o w :
(4) V x y l Y 2 [ g r ( y l ) ( X ) A c o m p ( x ) ( y 2 ) ---*y 2 C _ y l ]
P o s t u l a t e ( 4 ) s i m p l y r e q u i r e s t h a t a l l t h e r e a l iz a -t i o n s e 2 o f a p r o c e s s e w h i c h i s ' g r o u n d f r o m ' a n
e v e n t e l m u s t b e s u b e v e n t s o f e l ( a n d l i k ew i s e ,
m u t a t i s m u t a n d i s , f o r s u b s t a n c e s a n d t h i n g s ) . A s
t h e r e a l i z a t i o n s e2 o f e m a y b e p r o p e r s u b e v e n t s o f
e l , t h e r e l a t i o n g r p r o v i d e s a m e a n s f o r a c c e s s i n g
s u b e v e n t s o f e l w i t h a l t e r n a t e t e r m i n a t i o n s .
T o d i s t i n g u i s h t h o s e e v e n t s w h i c h a c t u a l l y o c -
c u r f r o m t h o s e t h a t a r e m e r e l y h y p o t h e t i c a l , w e
m a y s i m p l y in t r o d u c e a s p ec i al p r e d ic a t e A c t u a l ,
w h i c h w e r e q u i r e t o p r e s e r v e t h e p a r t - o f re l a t i o n
o n l y in t h e d o w n w a r d s d i r e c t i o n :
( 5 ) V x y [ A c t u a l ( z ) A y U _z - -* A c t u a l ( y ) ]
P o s t u l a t e ( 5 ) i s n e c e s s a r y t o g e t J o h n s l o p p e d r u n -
n i n g to t h e m u s e u m a f t e r t e n m i n u t e s t o e n t a i l
J o h n r a n f o r t e n m i n u t e s a s wel l a s J o h n r a n f o r
n i n e m i n u t e s , b u t n o t J o h n r a n f o r e l e v e n m i n -
u t e s .
A t t h i s p o i n t w e a r e r e a d y t o e x a m i n e i n s o m e
d e t a i l h o w t h e a b o v e m a c h i n e r y m a y b e u s e d i nr e s o l v in g t h e i m p e r f e c t i v e p a r a d o x . L e t u s a s s u m e
3For the sake of simplicity I will not address the
min imal p a r t s p ro b l em h ere .
t h a t s e n t e n c e s s u c h a s ( 6 ) r e c e i v e c o m p o s i t i o n a lt r a n s l a t i o n s a s i n ( 7 ) :
( 6 a ) J o h n r a n t o t h e b r i d g e .
( 6 b ) J o h n s t o p p e d r u n n i n g t o th e b r i d g e .
( 7 a ) 3 e l .
r u n ' ( j ) ( e l ) A t o ' ( t h e ' ( b r id g e ' ) ) ( r ~ ( e l ) ) A
A c t u a l ( e l )
(7 b ) 3 e e l e 2 e 3 .
r u n ' ( j ) ( e l ) A t o ' ( t h e ' ( b r id g e ' ) ) ( r s ( e l ) ) A
g r ( e l ) ( e ) A c o m p ( e ) ( e 2 ) A s t o p ' ( e 2 ) ( e a ) A
A c t u a l ( e 3 )
I n ( 7 ), e l i s a n e v e n t o f J o h n r u n n i n g t o t h e
b r i d g e . 4 I n ( T a ) , th i s e v e n t i s a s s e r t e d t o b e a c t u a l ;
i n ( 7 b ) , in c o n t r a s t , t h e p r o g r e ss i v e m o r p h o l o g y o n
r u n t r ig g e r s t h e i n t r o d u c t i o n o f g r , w h i c h m a p s
e l t o t h e p r o c e s s e . 5 I t i s t h i s p r o c e s s w h i c h e 3 is
a n e v e n t o f s t o p p i n g : f o l lo w i n g J a c k e n d o f f ( 1 9 9 1 ),
t h i s is r e p r e s e n t e d h e r e b y i n t r o d u c i n g a n e v e n t e~
c o m p o s e d o f e w h i c h h a s e a a s i t s s t o p p i n g p o i n t .
N a t u r a l l y e n ou g h , w e m a y e x p e c t t h e a c t u a l i t y
o f e3 t o e n t a i l t h e a c t u a l i t y o f e2 , a n d t h u s a l l
s u b e v e n t s o f e2 . N e v e r t h e le s s , t h e a c t u a l i t y o f e t
d o e s n o t f o l lo w , a s P o s t u l a t e ( 4 ) p e r m i t s e 2 t o b e
a p r o p e r s u b p a r t o f e l ( w h i c h is p r a g m a t i c a l l y t h e
m o s t l i k e l y c a s e ) .
T o m a k e t h e s e m a n t i c s d e v e l o p e d s o f a r m o r e
c o n c r e te , w e m a y n o w i m p o s e a p a r t i c u l a r i n t e r -
p r e t a t i o n o n t r a j e c t o r y - o f - m o t i o n e v e n t s , n a m e l y
o n e i n w h ic h t h e s e a r e m o d e l e d a s c o n t i n u o u s f u n c -
t i o n s f r o m t i m e s t o l o c a t i o n s o f t h e o b j e c t i n m o -
t i o n . D e p e n d i n g o n ho w w e m o d e l o b j e c t s a n d
l o c a t io n s , w e o f c o u r s e a r r iv e a t i n t e r p r e t a t i o n s o f
v a r y i n g c o m p l e x i t y . I n w h a t f o ll o w s w e f o c u s o n l yo n t h e s i m p l e s t s u c h i n t e r p r e t a t i o n , w h i c h t a k e sb o t h t o b e p o i n t s .
N o t e t h a t b y a s s u m i n g t h e p r e c e d i n g i n t e r -
p r e t a t io n o f t ra j e c t o r y - o f - m o t i o n e ve n ts , w e m a y
i n t e r p r e t t h e r e l a t i o n _ a s t h e r e l a t i o n c o n t i n u o u s -
s u b s e t. F u r t h e r m o r e , w e m a y a ls o i n t e r p r e t p r o -
c e s se s a s s e t s o f e v e n t s c l o s e d u n d e r t h e v - r e l a -
t i on ; t hi s t h e n p e r m i t s c o m p t o be in t e r p r e t e d
a s e l e m e n t - o f , a n d g r ( f o r e v e n t s ) a s m a p p i n g a n
e v e n t t o t h e s m a l l e s t p r o c e ss c o n t a i n i n g i t . B e f o r e
c o n t i nu i n g , w e m a y o b s e r v e t h a t t h i s i n t e r p r e t a -
t i o n d o e s i n d e e d s a t i s f y P o s t u l a t e s ( 3 ) a n d ( 4 ) .
Applicat ionW h i l e t h e a b o v e i n t e r p r e t a t i o n o f t r a j e c t o r y - o f -
m o t i o n e v e n ts f o rc e s on e t o a b s t r a c t a w a y f r o m
*The spat ial t race funct ion r~ ma ps even tua l i t ies tothei r t rajector ies (cf . Whi te 1993) .
5Much as in Moens and Stee dm an (1988) and Jack-endoff (1991), the in t rod uct ion of g r i s neces sary toavoid hav ing an i l l - sor ted fo rmula.
t h e m a n n e r o f m o t i o n s u p p l i e d b y a v e rb , i t d o es
n e v e r t h e le s s p e r m i t o n e t o c o n s i d e r fa c t o r s s uc h a s
t h e n o r m a l s p e e d a s w e l l a s t h e m e a n i n g s o f th e
p r e p o s i t i o n s 1 0 , lowards, e t c . B y m a k i n g t w o a d -
d i t i o n a l r e s t r i c t iv e a s s u m p t i o n s , n a m e l y t h a t t h e s e
e v e n t s b e o f c o n s t a n t v e l o c i ty a n d i n o n e d i m e n -
s i on , I h a v e b e e n a b l e t o c o n s t r u c t a n d i m p l e m e n t
a n a l g o r i t h m w h i c h d e t e r m i n e s w h e t h e r a s p e c i-
f i ed s e q u e n c e o f s u c h e v e n t s i s o r i s n o t p o s s i b l eu n d e r c e r t a i n s i t u a t i o n a l l y s u p p l i e d c o n s t r a i n t s .
T h e s e c o n s t r a i n t s i n c l u de t h e l o c a t i o n s o f v a r i ou s
l a n d m a r k s ( a s s u m e d t o r e m a i n s t a t io n a r y ) a n d t h e
m i n i m u m , m a x i m u m , a n d n o r m a l r a t e s a s so c ia t e d
w i t h v a r i o u s m a n n e r s o f m o t i o n ( e . g . r u n n i n g , j o g -
g i n g ) f o r a g i v e n i n d i v i d u a l .
T h e a l g o r i t h m t a k e s a n i n p u t s t r in g a n d c o m -
p o s i t i o n a l l y d e r i v e s a s e q u e n c e o f l o g i c a l f o r m s
( o n e f o r e a c h s e n t e n c e ) u s i n g a s i m p l e c a t e g o r i a l
g r a m m a r ( m o s t o f w h i c h a p p e a r s i n W h i t e 1 9 9 3 ).
A s p e c i a l - p u r p o s e p r o c e d u r e i s t h e n u s e d t o i n -
s t a n t i a t e t h e d e s c r i b e d s e q u e n c e o f e v e n t s a s a c o n -s t r a i n t o p t i m i z a t i o n p ro b l e m ; n o t e t h a t a l t h o u g h
t h i s p r o c e d u r e i s q u i t e a d - h o c , t h e c o n s t r a i n t s a r e
r e p r e s e n t e d i n a d e c l a r a t i v e , h i e r a r c h i c a l f a s h i o n
( c f. W h i t e 1 9 9 3 ). I f t h e c o n s t r a i n t o p t i m i z a -
t i o n p r o b l e m h a s a s o l u t i o n , i t i s f o u n d u s i n g a
s l i g h t l y m o d i f i e d v e r s i o n o f t h e c o n s t r a i n t s a t i s -
f a c t i o n p r o c e d u r e b u i l t i n t o S C a E A M E R , S i s k i n d
a n d M c A l l e s t e r ' s ( 1 9 9 3 ) p o r t a b l e , e f f ic i e n t v e r s i o n
o f n o n d e t e r m i n i s t i c C o m m o n L i sp . 6
A s a n e x a m p l e o f a n i m p o s s i b le d e s c r i p t io n ,
l e t u s c o n s i d e r t h e s e q u e n c e o f e v e n t s d e s c r i b e d
b e l o w :
( 8 ) G u y s t a r t e d j o g g i n g e a s tw a r d s M o n g t h e r iv e r .2 5 m i n u t e s l a t e r h e r e a c h e d { t h e c a f e / t h e
m u s e u m } .
I f w e a s s u m e t h a t t h e u s e r s p e c if i e s t h e c a f e a n d
t h e m u s e u m t o b e 5 a n d 1 0 k m , r e s p e c t iv e l y , f r o m
t h e i m p l i c i t s t a r t i n g p o i n t , a n d t h a t t h e r a t e s s p e c-
i f ie d fo r G u y a r e t h o s e o f a s e r i o u s b u t n o t s u p e r -
h u m a n a t h l e t e , t h e n t h e a l g o r i t h m w i ll o n l y f in d
a s o l u t i o n f o r t h e f i r s t c a s e ( 1 0 k m i n 2 5 m i n u t e s
is t o o m u c h t o e x p e c t . ) N o w , b y re a s o n i n g a b o u t
s u b e v e n t s - - h e r e , s u b s e g m e n t s o f l i ne s i n s p a c e -
t i m e - - t h e p r o g r a m e x h i bi ts t h e s a m e b e h a v i o r
w i t h t h e p a i r i n ( 9 ) :
( 9 ) G u y s t a r t e d j o g g i n g t o t h e b a r. 2 5 m i n u t e s
l a t e r h e r e a c h e d { t h e c a f e / t h e m u s e u m } .
S i n c e " G u y j o g g i n g t o t h e c a f e is a c c e p t e d a s a
p o s s ib l e p r o p e r s u b e v e n t o f G u y j o g g i n g t o t h e
6The const rain t op t imizat ion prob lem is sp l i t in totwo const rain t sat i sfact ion prob lems, namely f ind-ing the sm al les t consis ten t value of a cost var iab leand then f ind ing consis ten t values fo r the res t o f thevariables.
b a r ( a s s u m i n g t h e b a r i s f u r t h e r e a s t t h a n t h e
o t h e r l a n d m a r k s ) , e x a m p l e ( 9) s ho w s h o w t h e
p r e s e n t a p p r o a c h s u c c e s s f u l l y a v o i d s t h e i m p e r f e c -
t i r e p a r a d o x ; s i n c e G u y j o g g i n g to t h e m u s e u m ( in
2 5 m i n u t e s ) i s n o t a c c e p t e d a s a p o s s i b l e s u b e v e n t ,
e x a m p l e ( 9 ) li k e w is e s h o w s h o w t h e p r e s e n t a p -
p r o a c h e x t e n d s a n d r e fi n es t h o s e o f M o e n s a n d
S t e e d m a n a n d 3 a c k e n d o f f v i s -a - v is t h e s u b e v e n t
r e l a t i o n . 7
F u t u r e W o r k
T h e a l g o r i t h m a s i m p l e m e n t e d f u n c t i o n s o n ly u n -
d e r a n u m b e r o f q u i t e r e s t r ic t i v e a s s u m p t i o n s , a n d
s u f fe r s f r o m a r a t h e r a d - h o c u s e o f t h e d e r i v e d l o g i -
c a l f o r m s . I n f u t u r e w o r k I i n t e n d t o e x t e n d t h e a l -
g o r i t h m b e y o n d t h e u n i d i m e n s i o n a l a n d c o n s t a n t
v e l o c i t y c a s e s c o n s i d e r e d s o f a r , a n d t o i n v e s t i g a t e
i n c o r p o r a t i n g t h e p r e s e n t t r e a t m e n t i n t o t h e I n -
t e r p r e t a ti o n a s A b d u c t i o n a p p r o a c h a d v o c a t e d b y
H o b b s e t. a l . ( 1 9 9 3 ).
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7I t i s wor th no t ing that the constan t veloci ty re-s t r ic t ive assumpt ion makes start running to a n d startrunning towards synonymous, which i s no t the case ingeneral (cf. Habel 1990).