• [ Pobierz caÅ‚ość w formacie PDF ]

    wych, które zawierają conajmniej dwa wystąpienia tego samego symbolu.
    Zadanie 4.32 Zdefiniuj maszynę Turinga, która startując z pustą taśmą wejściową gene-
    ruje na taśmie wyjściowej kolejne leksykograficznie słowa nad alfabetem {0, 1} pooddzie-
    lane symbolem *, tj. *0*1*00*01*10*11*000*001 itd.
    Zadanie 4.33 Niech M oznacza deterministycznÄ… maszynÄ™ Turinga; y, z dowolne konfi-
    guracje tej maszyny oraz y -’!M z oznacza, że konfiguracja z jest bezpoÅ›rednim nastÄ™p-
    nikiem konfiguracji y w maszynie M. Pokaż, że
    L = {y#zR : y -’!M z} jest jÄ™zykiem bezkontekstowym.
    Uwaga. Język L jest bezkontekstowy także wtedy, gdy M jest niedeterministyczna.
    Zadanie 4.34 Podaj maszynę Turinga M, która dla danej maszyny Turinga N wypisuje
    wszystkie jej konfiguracje (M pracuje w nieskończoność).
    Zadanie 4.35 Podaj maszynę Turinga M, która startując od konfiguracji q0w, gdzie w "
    {a, b}" zatrzymuje się w konfiguracji qf bn, jeśli w = anbn oraz pętli się w nieskończoność
    dla pozostałych słów w.
    Zadanie 4.36 Podaj maszynę Turinga M, która wylicza konkatenację słów nad alfabetem
    {a, b}, to znaczy startujÄ…c od konfiguracji q0w1#w2 gdzie w1, w2 " {a, b}" zatrzymuje siÄ™
    w konfiguracji qf w1w2.
    Zadanie 4.37 Podaj maszynę Turinga M, która startując od konfiguracji q0w gdzie w
    oznacza zapis binarny liczby n zatrzymuje siÄ™ w konfiguracji qf v, gdzie v jest zapisem
    binarnym liczby n + 1 .
    Zadanie 4.38 Podaj maszynę Turinga M, która znajduje następnik leksykograficzny sło-
    wa nad alfabetem {a, b}, to znaczy startujÄ…c od konfiguracji q0w dochodzi do konfiguracji
    qf v, gdzie v jest słowem występującym bezpośrednio po słowie w w uporządkowaniu lek-
    sykograficznym, np. dla w = aab, v = aba.
    106 Rozdział 4. Maszyny Turinga
    Zadanie 4.39 Funkcja Ackermanna jest zdefiniowana następująco :
    ñø
    y + 1 jeżeli x = 0
    òø
    A(x, y) = A(x - 1, 1) jeżeli x = 0 i y = 0
    óø
    A(x - 1, A(x, y - 1)) w pozostałych przypadkach
    Oblicz A(4,1). Pokaż, że
    y
    Podaj maszynę Turinga, która oblicza funkcję Ackermanna.
    4.6 Problemy grafowe
    Czasami zamiast mówić, że maszyna Turinga akceptuje język będziemy mówili, że ma-
    szyna rozpoznaje problem. W takim przypadku, na początku obliczenia na taśmie maszyny
    znajduje się tak zwana instancja problemu (zwana też wejściem problemu). Zakładamy, że
    obliczenie zatrzymuje się dla każdej instancji i po zatrzymaniu zwraca odpowiedz, która
    najczęściej jest typu TAK lub NIE. Mówiąc dokładniej, instancje są słowami wejściowymi
    maszyny i maszyna akceptuje zbiór instancji dla których odpowiedz jest TAK.
    Dla przykładu pokażemy jak maszyna Turinga może rozpoznawać problemy grafowe;
    na przykład jak może rozpoznować, czy dany graf jest spójny.
    Definicja 4.40 Graf skierowany (zorientowany) to dowolna para G = (V, E), ze skoń-
    czonym zbiorem wierzchoÅ‚ków V i zbiorem krawÄ™dzi E †" V × V .
    Rysunek 4.2: Graf skierowany
    1 2 3
    4 5
    W grafie skierowanym krawędz e = (u, v) jest skierowana od wierzchołka u do wierz-
    chołka v. Wierzchołek u nazywamy początkiem krawędzi, a wierzchołek v  końcem. Na
    4.6. Problemy grafowe 107
    rysunkach krawędzie skierowane będziemy przedstawiać jako strzałki. Zcieżka (lub dro-
    ga) w grafie skierowanym jest to ciąg wierzchołków v0, v1, . . . , vk, taki że dla każdego
    i, 1 d" i d" k, wierzchołki vi-1, vi są połączone krawędzią, czyli (vi-1, vi) " E. Wierz-
    chołki grafu o n wierzchołach będziemy zwykle oznaczać przez liczby od 1 do n. Jest
    kilka sposobów reprezentowania grafu.
    Jeżeli maszyna Turinga ma rozpoznawać problemy grafowe, to graf musi być w pewien
    sposób zakodowany na jej taśmie wejściowej.
    4.6.1 Listy sÄ…siedztwa
    Najczęściej używanym sposobem kodowania grafów używanym w tej książce są tak zwa-
    ne listy sÄ…siedztwa. Lista sÄ…siedztwa jest postaci
    L1; L2; . . . ; Ln
    i zawiera zestawione po kolei i poodzielane średnikami listy Lk. Lista Lk jest postaci
    k : ik, . . . , ik
    1 jk
    zaczyna się od k z dwukropkiem, a za nim stoi lista wierzchołków połączonych krawę-
    dziami z k. Na przykład lista sąsiedztwa grafu z rysunku 4.2 jest postaci:
    1 : 2, 4; 2 : 3, 5; 3 :; 4 : 1; 5 : 4
    4.6.2 Macierz sÄ…siedztwa
    Inny sposób reprezentacji grafu skierowanego to macierz sąsiedztwa. Dla grafu z n wierz-
    choÅ‚kami macierz sÄ…siedztwa A jest wymiaru n × n. Wyraz
    1 jeżeli (i, j) " E
    ai,j =
    0 jeżeli (i, j) " E.
    /
    Na przykład macierz sąsiedztwa dla grafu z rysunku 4.2 ma następującą postyać:
    ëø öø
    0 1 0 1 0
    ìø ÷ø
    0 0 1 0 1
    ìø ÷ø
    ìø ÷ø
    0 0 0 0 0
    ìø ÷ø
    íø øø
    1 0 0 0 0
    0 0 0 1 0
    108 Rozdział 4. Maszyny Turinga
    Rysunek 4.3: Przykład grafu
    1 2
    3 4
    Definicja 4.41 Graf (nieskierowany) G = (V, E) jest to para składająca się ze skończo-
    nego zbioru wierzchołków V oraz ze zbioru krawędzi E, gdzie krawędzie to pary wierz-
    choÅ‚ków E †" {{u, v} | u, v " V, u = v}.
    Graf nieskierowane będziemy traktowali jako skierowane, w których dla każdej nieskiero-
    wanej krawędzi {u, v} mamu dwie skierowane krawędzie (u, v) oraz (v, u). Na przykład
    lista sÄ…siedztwa grafu z rysunku 2 jest postaci:
    1 : 2, 3, 4; 2 : 1, 3; 3 : 1, 2; 4 : 1
    A macierz sąsiedztwa następująca:
    ëø öø
    0 1 1 1
    ìø ÷ø
    1 0 1 0
    ìø ÷ø
    íø øø
    1 1 0 0
    1 0 0 0
    4.6.3 Osiągalność w grafie
    Jesteśmy teraz gotowi do dokładnego omówienia problemu osiągalności w grafie skiero-
    wanym. problem przedstawiamy w następujący sposób.
    Problem osiągalności
    Wejście: lista sąsiedztwa grafu skierowanego G = (V, E) oraz dwa wierzchołki u i v
    Pytanie: czy w G istnieje ścieżka od u do v.
    Instancjami problemu są listy sąsiedztwa grafów skierowanych wraz z parami wierz-
    chołków. Maszyna Turinga, która rozpoznaje ten problem powinna akceptować te instan-
    cje, które kodują grafy z odpowiednią ścieżką. Najpierw przedstawimy deterministycz-
    ną maszynę Turinga M1 rozwiązującą ten problem. Maszyna M1 posiada trzy taśmy. Na
    pierwszej znajduje się graf G oraz wierzchołki u i v. Na drugiej wypisuje wierzchołki osią-
    galne z wierzchołka u. Zaczyna od wypisania u. Następnie pracuje w cyklach. W każdym
    kolejnym cyklu:
    4.6. Problemy grafowe 109
    " zanacza kolejny (niezaznaczony jeszcze) wierzchołek w na drugiej taśmie,
    " wypisuje na trzeciej taśmie wszytkie wierzchołki połączone krawędzią z w,
    " dla każdego wierzchołka z trzeciej taśmy sprawdza, czy jest on na drugiej taśmie;
    jeżeli go nie ma, to jest dopisywany na końcu,
    " czyści trzecią taśmę.
    Maszyna kończy pracę, albo jeżeli wierzchołek v znajdzie się na trzeciej taśmie (wte-
    dy akceptuje), albo gdy zaznaczy wszystkie wierzchołki na drugiej taśmie i nie znajdzie
    v (wtedy kończy obliczenie w stanie odrzucającym). Teraz przedstawimy niedetermini-
    styczną maszynę M2, która akceptuje ten sam język. Maszyna M2 odgaduje wierzchołek
    po wierzchołku ścieżkę prowadzącą od u do v. Posiada dwie taśmy, na pierwszej znajduje
    się lista sąsiedztwa grafu G. Na początku wpisuje na drugą taśmę numer wierzchołka u.
    Następnie wyszukuje na pierwszej taśmie listę wierzchołków połączonych krawędzią z u.
    Wybiera niedeterministycznie jeden z nich i wpisuje jego numer na miejsce numeru wierz-
    chołka u. Podobnie odgaduje kolejne wierzchołki ścieżki, aż do odnalezienia wierzchołka
    v. Gdy go odnajdzie akceptuje.
    Jeżeli w grafie G istnieje ścieżka od u do v, to istnieje obliczenie (ciąg odgadnięć)
    prowadzące do konfiguracji akceptującej. Ale i na odwrót, jeżeli istnieje obliczenie akcep-
    tujące maszyny, to znaczy, że maszyna odgadła ścieżkę od u do v. Więc maszyna akceptuje
    instancje problemu osiągalności.
    Zadanie 4.42 Zaprojektuj deterministycznÄ… lub niedeterministycznÄ… maszynÄ™ rozpoznajÄ…-
    cą, czy graf skierowany jest silnie spójny. Graf jest silnie spójny, jeżeli dla każdych dwóch
    wierzchołków u, v istnieje ścieżka od u do v. [ Pobierz całość w formacie PDF ]

  • zanotowane.pl
  • doc.pisz.pl
  • pdf.pisz.pl
  • zambezia2013.opx.pl