Математическая теория систем. Математические основы теории систем

• Название: Математические основы теории систем
• Дата: 20.01.2023
• Размер: 2.07 Mb.
• Имя файла: Математическая теория систем.pdf
• Тип: Учебное пособие; #895603
• страница: 11 из 35

-
1 4
,
h s
-
2
h
3 1
,
h s
4 1
,
h s
1 3
,
h s
2 3
,
h s
3
h
5 4
,
h s
-
-
-
4
h
5 3
,
h s
6 3
,
h s
-
-
5
h
-
-
5 2
,
h s
-
6
h
-
-
5 1
,
h s
6 1
,
h s
и матрицу соединений
K
R
:

86
K
R
h\h
1
h
2
h
3
h
4
h
5
h
6
h
1
h
3 4
,
z s
0 1
2
,
z s
0 0
0 2
h
3 4
,
z s
4 3
,
z s
1 1
,
z s
2 1
,
z s
0 0
3
h
0 0
0 0
1 4
,
z s
0 4
h
0 0
0 0
1 3
,
z s
2 3
,
z s
5
h
0 0
0 0
3 2
,
z s
0 6
h
0 0
0 0
3 1
,
z s
4 1
,
z s
Эту же матрицу соединений можно получить и из матриц соединений автоматов
А и В. Для этого по автоматным таблицам составим матрицы соединений автоматов
А и В – и
A
B
R
R :
A
R
1
q
2
q
3
q
1
q
2 2
,
x y
1 1
,
x y
0 2
q
0 0
1 2
,
x y
3
q
0 0
2 1
,
x y
B
R
1
w
2
w
1
w
1 2
,
u v
0 2
w
2 1
,
u v
1 1
,
u v
Проведем прямое умножение этих матриц, т.е. каждый элемент одной матрицы умножается на каждый элемент другой матрицы (декартово произведение). В результате получим матрицу соединений автомата
К
(ввиду большого объема приведен только фрагмент матрицы):
K
R
1 1
( , )
q w
1 2
( ,
)
q w
2 1
( , )
q w
2 2
( ,
)
q w
1 1
( , )
q w
2 1
2 2
( , ), ( , )
x u
y v
0 1
1 1
2
( , ),( , )
x u
y v
0 1
2
( ,
)
q w
2 2
2 1
( , ),( , )
x u
y v
2 1
2 1
( , ),( , )
x u
y v
1 2
1 1
( , ), ( , )
x u
y v
1 1
1 1
( , ), ( , )
x u
y v
2 1
( , )
q w
0 0
0 0
2 2
( ,
)
q w
0 0
0 0

87
После переобозначений матрица принимает уже знакомый вид.
Автомат
К=А×В соответствует параллельной одновременной работе автоматов
А и В (рис. 2.15), причем Z и S определяются по формулам.
(2.4.13) и (2.4.15).
Рис. 2.15. Произведение двух автоматов с раздельными входами
Обозначим отображения, индуцируемые автоматами
А и В через S
A
и
S
B
соответственно, а отображение, индуцируемое автоматом
К=А×В, че- рез
S
K
, и пусть
х
∈Х* и
u
∈U* – слова в соответствующих алфавитах, имеющие равную длину:
x
=
x
i1
x
i2
…
x
ik
,
u
=
u
j1
u
j2
… u
jk
и
S
A
(
x
)=
y
i1
y
i2 …
y
ik
,
S
B
(
u
)=
v
j1
v
j2
…
v
jk
Слово
z
∈Z* является декартовым (прямым) произведением слов
x
и
u
и обозначается
z
=
x
×
u
, если каждая буква слова
z
есть пара, образованная соответствующими буквами слов
х
и
u
. Поэтому
z
=(
x
i1
,
u
j1
)(
x
i2
,
u
j2
)…
(
x
ik
,
u
jk
), и
S
K
(
z
)=(
y
i1
,
v
j1
)(
y
i2
,
v
j2
)…(
y
ik
,
v
jk
).
Если областью определения частичного отображения
S
A
является множество допустимых слов
х
∈Х*, а областью определения частичного отображения
S
B
– множество допустимых слов
u
∈U*, то областью опре- деления частичного отображения
S
K
будет множество таких слов
z
∈Z*, которые построены из допустимых слов
х
и
u
и имеют одинаковую дли- ну. Таким образом, можно записать
S
K
(
z
)=
S
K
(
x
×
u
)=
S
A
(
x
)
×S
B
(
u
)=
y
×
v
=
s
, где
y
∈Y*,
v
∈V*,
s
∈S*.
А
В
Х
U
Y
V
K
Z
S
эквивалентно

88
Отображение
S
K
называется
произведением отображений S
A
и S
B
:
S
K
=S
A
×S
B
Рассмотрим вторую операцию умножения, применяемую к автоматам с одним и тем же входным алфавитом. Возьмем два произвольных непу- стых автомата
Мили:
A=(X,Q,Y,q
1
∈Q,F(x∈X/y∈Y)) и
B=(X,W,U,w
1
∈W,P(x∈X/u∈U)). Автомат K=(X,V,S,v
1
∈V,R(x∈X/s∈S)) назы- вается произведением автоматов
А и В: K=A⊗B, если:
V=Q×W; (2.4.17)
S=Y×U; (2.4.18)
(
)
x
x
x X
Rv
F q P w
∈
=
×
∪
, (2.4.19) где
v∈V, q∈Q, w∈W, v=(q,w),а
x
F q и
x
P w – отображения состояний q и w соответственно по букве входного алфавита
х∈Х.
Вопрос о полной или частичной определенности произведения
⊗ ре- шается так же, как и в случае произведения
×.
Возьмем теперь матрицы соединений автоматов
А и В и представим их объединением матриц автономных автоматов по входным буквам:
A
Ax
x X
∈
=
R
R
∪
и
B
Bx
x X
∈
=
R
R
∪
Тогда матрица соединений
R
K
автомата K=A⊗B будет равна
(
)
K
Ax
Bx
x X
∈
=
×
R
R
R
∪
, т.е. объединению прямых произведений матриц автономных автоматов.
Пример 2.18.
Найдем произведение двух автоматов с общим входом:
A
q\x
1
x
2
x
1
q
1 2
,
q y
2 1
,
q y
2
q
1 1
,
q y
-
B
w\x
1
x
2
x
1
w
-
1 2
,
w u
2
w
1 1
,
w u
2 1
,
w u

88
Автомат
K A B
= ⊗ будет иметь алфавит состояний
{
}
1 2
3 4
, , ,
V
v v v v
=
и выходной алфавит
{
}
1 2
3 4
, , ,
S
s s s s
=
, где
1 1
1
( , )
v
q w
=
,
2 1
2
( ,
)
v
q w
=
,
3 2
1
( , )
v
q w
=
,
4 2
2
( ,
)
v
q w
=
,
1 1
1
( , )
s
y u
=
,
2 1
2
( , )
s
y u
=
,
3 2
1
( , )
s
y u
=
,
4 2
2
( , )
s
y u
=
Декартово произведение отображений состояний автоматов
А и В по входной букве
1
x будет
1
x
1 1
( , )
q w
-
1 2
( ,
)
q w
1 1
2 1
( , ),( , )
q w
y u
2 1
( , )
q w
-
2 2
( ,
)
q w
1 1
1 1
( , ), ( , )
q w
y u
То же самое по входной букве
2
x :
2
x
1 1
( , )
q w
2 1
1 2
( , ), ( , )
q w
y u
1 2
( ,
)
q w
2 2
1 1
( ,
),( , )
q w
y u
2 1
( , )
q w
-
2 2
( ,
)
q w
-
Объединение этих таблиц с учетом введенных обозначений даст таб- лицу автомата
К:
К
1
x
2
x
1
v
-
3 2
( , )
v s
2
v
1 3
( , )
v s
4 1
( , )
v s
3
v
-
-
4
v
1 1
( , )
v s
-
Автомат
K=A⊗B соответствует параллельной одновременной работе автоматов
А и В (рис. 2.16).

89
Рис. 2.16. Произведение двух автоматов с общим входом
Операцию умножения автоматов
× и ⊗ можно обобщить и на случай n
автоматов, а также использовать для нахождения произведений автома- тов Мура.
Суммой двух произвольных автоматов
А=(X,Q,Y,q
1
∈Q
,
F(x∈X/y∈Y)) и
B=(U,W,V,w
1
∈W,P(u∈U/v∈V)) будет называться автомат M=(Z,H,S,h∈H,
R(z∈Z/s∈S)) (М=А+В), если
Z={1}×X∪{2}×U; (2.4.20)
H=Q×W; (2.4.21)
S={1}×Y∪{2}×V; (2.4.22)
Rh=Fq×{w}∪{q}×Pw, (2.4.23) где
q∈Q, w∈W, h∈H, h=(q,w). Начальным состоянием автомата M будет
h
1
=(
q
1
,
w
1
).
Формулы (2.4.20) и (2.4.22) используются для того, чтобы различать, возможно, одинаковые буквы входных алфавитов
X и U и выходных ал- фавитов
Y и V. Если таких совпадающих букв нет, т.е.
X∩U=Ø,
Y∩V=Ø, то вместо формул (4.4.20) и (4.4.22) используют выражения
Z=X∪U; (2.4.24)
S=Y∪V. (2.4.25)
Пример 2.19.
Заданы два автомата
А и В:
А
В
X
Y
V
K
X
S
эквивалентно

91
А
1
x
2
x
1
q
2 1
,
q y
3 2
,
q y
2
q
3 2
,
q y
-
3
q
-
2 1
,
q y
В
1
u
2
u
1
w
2 2
,
w v
-
2
w
2 1
,
w v
1 1
,
w v
Найдем сумму
М=А+В. Поскольку ни входные, ни выходные алфави- ты автоматов
А и В не пересекаются, для определения входного и выход- ного алфавитов автомата
М пользуемся формулами (2.4.24) и (2.4.25).
Поэтому
{
}
1 2
1 2
, , ,
Z
x x u u
=
и
{
}
1 2
1 2
, , ,
S
y y v v
=
. Алфавит состояний, как и в случае операции произведения, будет
{
}
1 2
3 4
5 6
, , , , ,
H
h h h h h h
=
, где
(
)
1 1
1
,
h
q w
=
,
(
)
2 1
2
,
h
q w
=
,
(
)
3 2
1
,
h
q w
=
,
(
)
4 2
2
,
h
q w
=
,
(
)
5 3
1
,
h
q w
=
,
(
)
6 3
2
,
h
q w
=
Найдем отображение
Rh
1
по входной букве
x
1
, т.е. функцию перехода
(
)
1 1
,
M
h x
δ
. Поскольку состояние
h
1
есть пара
(
)
1 1
,
q w , а входная буква принадлежит алфавиту
X автомата А, то в формуле (2.4.23) останется только первый член объединения, и
(
) (
)
1 1
2 1
3
,
,
M
q x
q w
h
δ
=
= . Функция выхода будет равна
(
)
1 1
1
,
M
q x
y
λ
= .
Отображение
Rh
1
по входной букве
x
2
(функция перехода
(
)
1 2
,
M
h x
δ
) будет равно
(
) (
)
1 2
3 1
5
,
,
M
q x
q w
h
δ
=
= , а функция выхода –
(
)
1 2
2
,
M
q x
y
λ
=
Отображение
Rh
1
по входной букве
u
1
(функция
(
)
1 1
,
M
h u
δ
) будет представлено только вторым членом объединения в формуле (2.4.23), т.е.
(
) (
)
1 1
1 2
2
,
,
M
q u
q w
h
δ
=
=
, а функция выхода будет равна
(
)
1 1
2
,
M
q u
v
λ
=
Функции перехода и выхода автомата
В по входной букве u
2
не опре- делены, поэтому не определено, конечно, и отображение
Rh
1
по букве
u
2
Окончательно будет
(
) (
) (
)
{
}
1 3
1 1
5 2
2 2
1 2
,
,
,
,
,
Rh
h x y h x y
h u v
=
Аналогичным образом определяем и отображения оставшихся состо- яний:
(
) (
) (
) (
)
{
}
2 4
1 1
6 2
2 2
1 1
1 2
1
,
,
,
,
,
,
,
Rh
h x y h x y
h u v h u v
=
;
(
) (
)
{
}
3 5
1 2
4 1
2
,
,
,
Rh
h x y
h u v
=
;

92
(
) (
) (
)
{
}
4 6
1 2
4 1
1 3
2 1
,
,
,
,
,
Rh
h x y
h u v h u v
=
;
(
) (
)
{
}
5 3
2 1
6 1
1
,
,
,
Rh
h x y h u v
=
;
(
) (
) (
)
{
}
6 4
2 1
6 1
1 5
2 1
,
,
,
,
,
Rh
h x y h u v h u v
=
По полученным отображениям составляем автоматную таблицу и матрицу соединений
R
M
:
М
x
1
x
2
u
1
u
2
h
1 3
1
,
h y
5 2
,
h y
2 2
,
h v
-
h
2 4
1
,
h y
6 2
,
h y
2 1
,
h v
1 1
,
h v
h
3 5
2
,
h y
-
4 2
,
h v
-
h
4 6
2
,
h y
-
4 1
,
h v
3 1
,
h v
h
5
-
3 1
,
h y
6 1
,
h v
-
h
6
-
4 1
,
h y
6 1
,
h v
5 1
,
h v
R
M
h
1
h
2
h
3
h
4
h
5
h
6
h
1 0
1 2
,
u v
1 1
,
x y
0 2
2
,
x y
0
h
2 2
1
,
u v
1 1
,
u v
0 1
1
,
x y
0 2
2
,
x y
h
3 0
0 0
1 2
,
u v
1 2
,
x y
0
h
4 0
0 2
1
,
u v
1 1
,
u v
0 1
2
,
x y
h
5 0
0 2
1
,
x y
0 0
1 1
,
u v
h
6 0
0 0
2 1
,
x y
2 1
,
u v
1 1
,
u v
Операцию суммирования и соответствующие формулы (2.4.20) –
(2.4.25) легко обобщить на случай
n автоматов и можно использовать для автоматов Мура.
Матрица соединений
R
M
автомата
М=А+В определяется по формуле
R
M
=
R
A
×
E
B
∪
E
A
×
R
B
, где
Е
А
и
Е
В
– единичные матрицы порядков
R
A
и
R
B
соответственно.
Автомат
М=А+В соответствует параллельной неодновременной рабо- те двух автоматов
А и В (рис. 2.17).

93
Рис. 2.17. Сумма двух автоматов
Любое входное слово в алфавите
Z автомата М образуется чередова- нием букв
х и u, принадлежащих алфавитам Х и U. Аналогично и выход- ное слово автомата
М – это последовательность чередующихся букв y∈Y и
v∈V. Если в очередной момент времени t на вход автомата М поступит буква
х∈Х, то в момент времени t+1 на входе обязательно появится буква
u∈U. Выходная буква в момент времени t является буквой алфавита Y, а в момент времени
t+1 – буквой из алфавита V. На уровне автоматов А и В это означает, что в момент времени
t на входе автомата А имеется буква
х∈Х, а на входе автомата В в это же время – пустая букве e. В следующий
t+1-й момент времени на вход автомата В поступает буква u∈U, а на вход автомата
А – пустая буква е.
Пусть