Математическая теория систем. Математические основы теории систем
 Скачать 2.07 Mb.
|
|
Пример 2.9. Простой пример иллюстрирует вышеизложенное. Рас- смотрим автомат S, заданный табл. 2.15: Та б ли ца 2.15 q\x x 1 x 2 1 1,- 2,0 2 3,0 1,0 3 2,1 1,0 Есть два варианта его доопределения: либо ( ) 1 1, 0 x λ = , либо ( ) 1 1, 1 x λ = . Легко видеть, что ни в первом, ни во втором случае автомат не минимизируется, так как не имеет эквивалентных состояний. Это означает, что исходный автомат S не имеет нетривиальной системы за- мкнутых непересекающихся классов совместимости. Но для автомата S существует замкнутая система пересекающихся классов совместимости C 1 = { 1,2 } и C 2 = { 1,3 } и по теореме 2.2.4 имеется автомат S ′′′′ c двумя со- стояниями (табл. 2.16), включающий автомат S. Та б ли ца 2.16 1 2 1 2 1 2 1 1 ,0 , 0 ,1 , 0 x x C C C C C C 65 Перечисленные трудности заставляют искать дополнительные мето- ды построения системы классов совместимости, некоторые из них из- ложены в [8]. 2.3 Распознавание множеств автоматами 2.3.1. Понятие события и постановка задачи представления событий автоматами Пусть X = {x 1 …x m } − произвольный входной алфавит, а X * − множество всех слов в этом алфавите. Тогда любое подмножество E⊆X * назовем событием в алфавите X. Конечно, можно было бы просто говорить «множество слов», но термин «событие» прижился в теории автоматов и стал общепринятым. Для простоты изложения далее будем оперировать с автоматами без выходов. Событие E⊆X * назовем представимым в автомате S =( X , Q , δ , q 1 , F ), если δ ( q 1 ,x) ∈F тогда и только тогда, когда x ∈E . Всякому автомату при задан- ных q 1 и F однозначно соответствует представимое в нем событие: на графе автомата оно соответствует множеству путей, ведущих из q 1 в вершины, принадлежащие множеству заключительных состояний F . Со- бытие называется представимым, если существует конечный автомат, в котором оно представимо. Синонимом этого понятия является: множе- ство определимое или допустимое, или распознаваемое автоматом. Дру- гими словами представимое в автомате событие можно назвать множе- ством, разрешимым автоматом. Начальное состояние q 1 также может относиться к множеству заклю- чительных состояний q 1 ∈F . В этом случае автомат, ничего не имея на входе, уже что-то представляет. Принято считать, что это «что-то» – пу- стое слово (пустой символ е ) и оно содержится в событии, представимым этим автоматом. Для произвольного слова x выполняется равенство е x=x е =x, то есть пустое слово е играет роль единицы в свободной полу- группе слов входного алфавита, где ассоциативной бинарной операцией является конкатенация (приписывание одного слова к другому). Не нужно путать пустое слово е с пустым событием (пустым множе- ством Ø). Автомат представляет пустое событие Ø, если ни одно из его заключительных состояний не достижимо из начального состояния. До сих пор мы рассматривали конечную последовательность букв входного алфавита, то есть слова конечной длины. Но можно говорить, что 66 автомат распознает и бесконечную последовательность букв 1 2 i i x x = x , если он представляет множество { } 1 1 2 , i i i E x x x = , составленное из всех начальных отрезков бесконечного слова х . Оказывается, что не все собы- тия представимы в автоматах. Об этом говорит следующая теорема. Теорема 2.3.1. Существуют события, непредставимые в автоматах, именно: никакая непериодическая бесконечная последовательность не распознаваема конечным автоматом. Доказательство . Первая часть теоремы должна быть очевидна: во- первых, из сопоставления мощностей соответствующих множеств (множе- ство всех событий континуально, а множество конечных автоматов счет- ное), а во-вторых, потому, что существуют неразрешимые множества. Вторая часть теоремы говорит о том, что могут быть разрешимые множества, но не представимые в автоматах. Пример такой последова- тельности, скажем, а алфавите {0,1}: 010110111011110… Действительно, предположим, что некоторая непериодическая после- довательность 1 2 i i x x = x все же распознаваема автоматом S c n состоя- ниями. Тогда для любого ее начального отрезка 1 2 k i i ik x x x = x будет верным соотношение 1 ( , ) , где k i i k k q q q δ = x – заключительное состояние. В процессе переработки последовательности х автомат проходит по- следовательность заключительных состояний 1 ,... ... i ik q q , а так как множе- ство Q S конечно, то какое-то состояние ik q встретится дважды: ik q = ik n q + = Таким образом, выполняется соотношение 1 2 ( , ) i i i i k k k k n q x x x + + + δ = = ik q (все состояния, проходимые автоматом, за- ключительные). Поэтому, если на вход автомата в состоянии q 1 подать периодическую бесконечную последовательность 1 1 2 ( ) i i i i i k k k k n x x x x x + + + = 1 x , где в скобках − период такой последователь- ности, то автомат будет проходить последовательность заключительных состояний. Это означает, что все начальные отрезки слова х 1 входят в событие, представимое в автомате и, следовательно, автомат не отличает х 1 от х , то есть не распознает х вопреки предположению. Что и требова- лось доказать. Из теоремы 2.3.1 следует, что класс множеств, распознаваемых авто- матом, есть лишь часть (собственное подмножество) класса разрешимых 67 множеств. Отсюда и из теоремы Райса 1 вытекает, что свойство множества «быть представимым в конечном автомате» алгоритмически неразреши- мо. Поэтому не имеет смысла описывать эти множества в терминах про- извольных разрешимых множеств, и требуются какие-то другие, более слабые, средства такого описания. 2.3.2. Регулярные события и алгебра Клини Зададим три операции над событиями R и S в алфавите Х. 1 . Объединением (дизъюнкцией) событий R и S называется событие Р, обозначаемое R ∪ S=P, которое образуется обычным теоретико-множест- венным объединением множеств R и S. 2. Конкатенацией (умножением) событий R и S будет событие U=R⋅S, состоящее из слов вида u=r⋅ ⋅⋅⋅s , где u∈ U, r∈ R, s∈ S, то есть слова события U образуются приписыванием справа любого слова события S к любому слову события R (но не наоборот!). 3. Итерацией события R называется событие * 0 i i i R e R RR RRR R R ∞ = = ∪ ∪ ∪ ∪ ∪ ∪ = ∪ Одноэлементные события, т.е. события { х i } , где х i ∈ Х, будем называть элементарными и обозначать буквами х i . Событие е, образованное пу- стым словом е, состоит из одного слова нулевой длины и также относит- ся к элементарным событиям. Событие назовем регулярным, если оно может быть получено из элементарных событий путем конечного приме- нения перечисленных операций: объединения, умножения и итерации, которые также назовем регулярными. Таким образом, мы определили алгебру регулярных событий ( ) ; , ;* R ∪ i , несущим множеством которой является множество регуляр- ных событий, а сигнатурой − две бинарные (конкатенация и дизъюнкция) и одна унарная (итерация) операции. Образующие этой алгебры (называ- емой еще алгеброй Клини) являются элементарные события. Каждый элемент этой алгебры (регулярное событие) может быть описан регуляр- 1 Теорема Райса гласит, что никакое нетривиальное свойство вычислимых функций (или разрешимых множеств) не является алгоритмически разрешимым, т.е. по описанию алго- ритма, вычисляющего некоторую функцию (формирующему некоторое множество) невоз- можно установить ее (функции) свойства. 68 ным выражением в алфавите Х= { x 1 , x 2 ,…, x m } , которое определяется ре- курсивно следующим образом: 1) символы x 1 , x 2 ,…, x m , е и Ø являются регулярными выражениями; 2) если R и S – регулярные выражения, то таковыми являются R ∪ S, R S ⋅ и R * ; 3) никакое другое выражение не является регулярным, если оно не получено путем конечного числа применения правил 1 и 2. Таким образом, регулярное выражение − это формула в алгебре собы- тий. Регулярные выражения эквивалентны, если они описывают одно и то же регулярное событие. Эквивалентные соотношения в алгебре регулярных событий вытекают из свойств операций ∪ , ⋅⋅⋅⋅ , *. Если P, R, и S − регулярные события, то имеют место соотношения: ; P P P ∪ ∅ = ∅ ∪ = ; P P ⋅∅ = ∅ ⋅ = ∅ ; P e e P ⋅ = ⋅ = ∅ * ; e ∅ = * ; e e = * * , P R R P P P P P ∪ = ∪ ⋅ = ⋅ − коммутативность объединения и итерации; ( ) ( ) , ( ) ( ) P R S P R S P R S P R S ∪ ∪ = ∪ ∪ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ – ассоциативность объединения и умно- жения; ( ) , ( ) P R S P R P S P R S P S P S ⋅ ∪ = ⋅ ∪ ⋅ ∪ ⋅ = ⋅ ∪ ⋅ − левая и правая дистрибутивность умно- жения относительно объединения; * * P e P P = ∪ ⋅ – развертывание итерации; * * * , ( ) P P P P P ∪ = = – идемпотентность объединения и итерации; * * P P P ∪ = – дизъюнктивное поглощение итерации; * * * P P P ⋅ = – мультипликативное поглощение итерации. Из рассмотрения операций объединения, умножения и итерации вы- текает, что все конечные события регулярны. Это следует из того, что любое слово события выражается произведением букв, а любое конечное событие – объединением образующих его слов. 69 Бесконечное регулярное событие может появиться только благодаря итерации и наоборот, если в регулярном выражении присутствует опера- ция итерации, то оно описывает бесконечное событие (если только ите- рация не применяется к пустой букве е, так как е ∗ = е, т.е. конечно). Пример 2.10. Регулярное выражение ( ) 1 2 m U x x x ∗ = ∪ ∪ ∪ задает множество всех слов (включая пустое) в алфавите { } 1 2 , ,... m X x x x = Та- кое событие называется универсальным событием (по аналогии с универ- сальным множеством). Пример 2.11. Регулярное выражение ( ) ( ) * * E a c b a c = ∪ ∪ задает со- бытие в алфавите { a, b, c}, состоящее из всех слов, содержащих букву b только один раз. Регулярные события тесно связаны с автоматами. Эта связь дается фундаментальной теоремой Клини. Теорема 2.3.2. (Клини). Класс событий, представимых в конечных ав- томатах, совпадает с классом регулярных событий. По сути, эта теорема состоит из двух теорем. Теорема 2.3.2 а (теорема синтеза). Для любого регулярного события существует конечный автомат, представляющий это событие. Теорема 2.3.2 б (теорема анализа). Всякое событие, представимое ко- нечным автоматом, непременно регулярно. Чтобы подойти к доказательству этих теорем, введем понятие источ- ника (синонимы: переходный граф сигналов, сигнальный граф), под ко- торым будем понимать ориентированный граф, в котором выделены начальные и заключительные вершины, и на каждом ребре написана бук- ва из алфавита X либо е (пустое ребро). Каждый источник H однозначно определяет некоторое событие Е в алфавите X, порождаемое множеством путей из начальных вершин в заключительные вершины. В этом случае говорят, что источник H представляет событие Е. Источники, представ- ляющие одно и то же событие, называются эквивалентными. Частный случай источника – это автомат без выхода. Для любого источника H можно построить эквивалентный источник Н 0 с двумя полюсами (с одной начальной вершиной и одной заключи- тельной). Для такого построения нужно в Н 0 ввести новую вершину q 0 (единственная начальная вершина) и соединить ее пустыми ребрами с прежними начальными вершинами в Н, а также новую вершину q z (един- ственную заключительную) и соединить с ней все заключительные вер- шины в Н пустыми ребрами. В остальном Н 0 совпадает с Н. 70 Теорема 2.3.3. Для любого регулярного события Е существует двух- полюсный источник, представляющий Е. Доказательство . Теорема доказывается индукцией по глубине по- строения формулы регулярного события. Элементарное событие пред- ставляется сигнальным графом с двумя вершинами – начальной и заклю- чительной и ребром, соединяющим эти вершины. Это ребро взвешено буквой х i или е (рис. 2.4, а). Если построены двухполюсные источники: Н 1 , представляющий регу- лярное событие Е 1 , и Н 2 , представляющий регулярное событие Е 2 , с начальными q 01 , q 02 и заключительными q z1 и q z2 вершинами соответ- ственно, то источник Н с начальной вершиной q 0 и заключительной – q z , представляющий регулярное событие Е – результат регулярной операции над Е 1 и Е 2 , строится следующим образом: 1) объединение Е=Е 1 ∪ Е 2 будет изображено параллельным соединени- ем Н 1 и Н 2 (рис. 2.4, б). Из вершины q 0 проводятся пустые ребра в q 01 и q 02 , а из q z1 и q z2 проводятся пустые ребра в вершину q z ; 2) конкатенация Е=Е 1 Е 2 строится последовательным соединением Н 1 и Н 2 (рис. 2.4, в). Из q z1 проводится пустое ребро в q 02 ; вершина q 01 объ- является начальной у Н, вершина q z2 – заключительной; 3) итерация * 1 ( ) E E = получается зацикливанием Н 1 (рис. 2.4, г): из вершины q z1 проводится пустое ребро в q 01 , и эта же вершина q 01 объяв- ляется начальной и заключительной в Н. Рис. 2.4. Источники, представляющие регулярные операции б) в) q 0 x i q z q Н 1 q z 1 q 0 1 а) Н 1 q z1 q 01 Н 1 q z1 q 01 Н 2 q 02 q z2 Н 2 q 0 q z г) q 02 q z2 |