課程學(xué)習(xí)——有限自動機理論

一捏萍、Chomsky對文法和語言對分類

??Chomsky的分類依據(jù)是產(chǎn)生該語言的文法。

0型文法

??所有一般的PSG(短語結(jié)構(gòu)文法)及PSL(短語結(jié)構(gòu)語言)读整。似乎對文法和語言沒有特別的要求宾舅,這一類包含了以下介紹的1型在验、2型糊识、3型文法绩社。

1型文法

??文法的任意產(chǎn)生式 α -> β ,均有 | α | ≤ | β |赂苗。1型文法也叫上下文相關(guān)文法(CSG)愉耙,其產(chǎn)生的語言稱上下文相關(guān)語言(CSL)。簡單理解:產(chǎn)生式左邊的終結(jié)符和非終結(jié)符數(shù)目之和不大于產(chǎn)生式右邊拌滋。

2型文法

??文法的任意產(chǎn)生式 α -> β 朴沿,均有 | α | ≤ | β |,且α是非終結(jié)符败砂。2型文法也叫上下文無關(guān)文法(CFG)悯仙,其產(chǎn)生的語言稱上下文無關(guān)語言(CFL)。在1型文法基礎(chǔ)上吠卷,還要求產(chǎn)生式左邊只能有非終結(jié)符(大量作業(yè)證明,還只有一個非終結(jié)符)沦零。

3型文法

??文法的任意產(chǎn)生式 α -> β 祭隔,只有形如A -> w或A -> wB的形式(一個非終結(jié)符推導(dǎo)出終結(jié)符或終結(jié)符+一個非終結(jié)符)。3型文法也叫右線型文法(RLG)或正則文法(RG)路操。
??簡單理解:產(chǎn)生式左邊只有一個非終結(jié)符疾渴,產(chǎn)生式右邊最多一個非終結(jié)符,且在最右邊屯仗。
例題

文法分類構(gòu)造

二搞坝、語言間的基本運算

1. 聯(lián)合運算

??L = L1∪L2 = {w | w∈L1或w∈L2}
??兩個語言L1、L2聯(lián)合得到的語言L魁袜,其句子是原來兩個語言所有句子桩撮。

2. 連接運算

??L = L1L2 = {w | w=w1w2, w∈L1, w∈L2}
??兩個語言經(jīng)連接運算得到的語言L,其句子是兩個語言L1峰弹、L2句子前后相連店量。

3. 迭代運算

??語言之間不停推導(dǎo),替換鞠呈。

定理:上下文相關(guān)語言融师,上下文無關(guān)語言和正則語言在3種運算內(nèi)是有效封閉的。有效指仍能合法產(chǎn)生一個語言蚁吝;封閉指經(jīng)運算后旱爆,語言類型不發(fā)生改變舀射。

三、正則集和正則表達式

正則集

對于字母表∑上的語言L

  • 若L是有限的怀伦,則L是正則的(正則集)脆烟。
  • 或L能由正則語言經(jīng)3種運算產(chǎn)生。

正則語言即正則集空镜。

正則表達式

  • 若a∈∑浩淘,則a是正則表達式
  • 或正則表達式經(jīng)3種運算得到的

正則集和正則語言都是一種有窮描述。

四吴攒、有限自動機

有限自動機分類如下:

  • 有限狀態(tài)自動機(FA)张抄,包括確定的FA(DFA)和不確定的FA(NFA)
  • 下推自動機(PDA),包括單態(tài)PDA和多態(tài)PDA
  • 圖靈機(TM)

Ⅰ. FA

??有限狀態(tài)自動機是狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖洼怔,根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和接收到的字符確定應(yīng)轉(zhuǎn)換到什么狀態(tài)署惯。DFA對于每一狀態(tài)和接收字符有確定的狀態(tài)轉(zhuǎn)換,而NFA可能會轉(zhuǎn)換到不同的狀態(tài)镣隶。
例1 構(gòu)造DFA

DFA構(gòu)造

例2 構(gòu)造NFA

NFA構(gòu)造

Ⅱ. PDA

??下推自動機用來表示無窮語言极谊,棧存儲方式。

  • 單態(tài)PDA指令為<a, Z, AZ>安岂,表示棧頂元素為Z時轻猖,讀取到a字符,則將Z彈出棧域那,將AZ壓棧咙边。
  • 多態(tài)PDA的五元式為<q, a, Z, q', AZ>,表示當(dāng)前狀態(tài)是q次员,棧頂元素是Z時败许,讀取到a字符,則狀態(tài)變?yōu)閝'淑蔚,并將Z彈出棧市殷,將AZ壓棧。

例1 構(gòu)造能接收如下語言的單態(tài)PDA

單態(tài)PDA構(gòu)造

例2 構(gòu)造能接收如下語言的多態(tài)PDA

多態(tài)PDA構(gòu)造

??當(dāng)字符串掃描結(jié)束刹衫,棧為空醋寝,稱這是該PDA能夠接收的語言。

Ⅲ.TM

??圖靈機(TM)的有限狀態(tài)控制器(FSC)處于某個狀態(tài)绪妹,讀寫頭將掃描帶上的一個單元甥桂。根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和掃描到的字符,TM發(fā)生如下動作:

  • FSC狀態(tài)改變
  • 擦除掃描到的帶上符號邮旷,并印刷上新的(可能與原來相同)
  • 讀寫頭向左/右移動一個單元黄选,或不移

指令描述:<q, x, q', W, {R, L, N}>
其中,q和q'是前后狀態(tài),x是讀到的字符办陷,W是印刷上的新字符貌夕,{R, L, N}是讀寫頭動作。

圖靈機的幾種技術(shù)
  1. 存儲技術(shù)民镜。如[q, a], [q, aa]兩個狀態(tài)可以存儲讀到的1個或2個a啡专,用特殊狀態(tài)實現(xiàn)
  2. 移動技術(shù)制圈。如[q, a1], [q, a1, a2], [q, a2, a3]们童,結(jié)合存儲技術(shù)可實現(xiàn)如向右移動2個位置的功能。
  3. 多道技術(shù)鲸鹦。常用于實現(xiàn)圖靈機的計算功能慧库。
  4. 查訖技術(shù)。結(jié)合多道技術(shù)馋嗜,查詢到目標(biāo)后在另一道對應(yīng)位置標(biāo)記特殊字符齐板。

例 構(gòu)造3道圖靈機,實現(xiàn)二進制數(shù)的按位異或運算

圖靈機構(gòu)造

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