To jest streszczenie artykułu O liczbie odrębnych języków akceptowanych przez skończone automaty z n stanami . Artykuł zapewnia stosunkowo łatwe, ale dalekie od ścisłych, dolnych i górnych granic liczbę różnych języków akceptowanych przez NFA. Ich dyskusja na temat liczby różnych DFA jest bardzo wnikliwa, więc uwzględnię również tę część.
Artykuł zaczyna się od dość rygorystycznej asymptotyki w odniesieniu do liczby różnych języków akceptowanych przez DFA, przy czym stanowi jednolity alfabet. Dokonuje się tego, obserwując, w jakich warunkach dany n- stanowy jednoargumentowy DFA jest minimalny. W takich przypadkach opis automatu może być odwzorowany (biotycznie) na prymitywne słowo , a wyliczenie takich słów jest dobrze znane i wykonane za pomocą funkcji Möbiusa . Korzystając z tego wyniku, udowodniono granice dla jednych alfabetów, zarówno w przypadku DFA, jak i przypadku NFA.nn
Przejdźmy bardziej szczegółowo. Dla alfabetu -liter zdefiniuj
f k ( n )k
Zwróć uwagę, żegk(n)=∑ n i = 1 fk(i). Rozpoczynamy odf1(k)ig1(k).
fk(n)gk(n)Gk(n)=the number of pairwise non-isomorphic minimal DFA's with n states=the number of distinct languages accepted by DFA's with n states=the number of distinct languages accepted by NFA's with n states
gk(n)=∑ni=1fk(i)f1(k)g1(k)
Wyliczenie Unary DFA
Jednostkowy DFA ze stanami q 0 , … , q n - 1 jest minimalny iffM=(Q,{a},δ,q0,F)q0,…,qn−1
- Jest podłączony. Tak więc, po zmianie nazwy, schemat przejściowy składa się z pętli i ogona, tj. i δ ( q n - 1 , a ) = q j dla niektórych j ≤ n - 1 .δ(qi,a)=qi+1δ(qn−1,a)=qjj≤n−1
- Pętla jest minimalna.
- Jeśli , wówczas q j - 1 ∈ F i q n - 1 ∉ F i q j - 1 ∉ F i q n - 1 ∈ F .j≠0qj−1∈Fqn−1∉Fqj−1∉Fqn−1∈F
Pętla jest minimalne IFF słowa j ⋯ n - 1 określa
się I = { 1qj,…,qn−1aj⋯an−1
jestprymitywne, co oznacza, że nie można go zapisać w formiexk
dla jakiegoś słowaxi jakiejś liczby całkowitejk≥2. Znana jest
liczbaψk(n)prymitywnych słów o długościnpowyżejk-liter alfabetu, patrz np. Lothaire,Combinatorics on Words. Mamy
ψk(n)=∑d | nμ(d)kn/
ai={1if q∈F,0if q∉F
xkxk≥2ψk(n)nk
gdzie
μ(n)jest
funkcją Möbiusa. Dzięki
* F k (n),papier dowodzi dokładnie formuły
f 1 (n)i
g 1 (n)i pokazuje, że asymptotycznie (twierdzenie 5, wynikiem czego 6)
g 1 ( n )ψk(n)=∑d|nμ(d)kn/d
μ(n)ψk(n)f1(n)sol1( n )sol1( n )fa1( n )= 2n( n - α + O ( n 2- n / 2) )= 2n - 1( n + 1 - α + O ( n 2- n / 2) ) .
Wyliczenie DFA
Następnym krokiem jest dolna granica dla . Twierdzenie 7 stwierdza, że
f k ( n ) ≥ f 1 ( n ) n ( k - 1 ) n ∼ n 2 n - 1 n ( k - 1 ) n .
Dla zestawu Æ ⊂ Ď z automatem M zdefiniować M Æ jako ograniczenie M do hemibursztynianu .fak( n )
fak( n ) ≥ f1( n ) n( k - 1 ) n~ N 2n - 1n( k - 1 ) n.
Δ ⊂ ΣM.M.ΔM.ΔS.k , nM.k{0,1,…,k−1}
- M{0}f1(n)n
- k−1hi:Q→Q1≤i<kδ(q,i)=hi(q)1≤i<k and q∈Q.
The observation is then that Sn,k contains f1(n)n(k−1)n different and minimal languages.
Enumeration of NFA's
For G1(n) one has the trivial lower bound 2n, since every subset ϵ,a,…,an−1 can be accepted by some NFA with n states. The lower bound is improved slightly, yet the proof is rather lengthy.
The paper Descriptional Complexity in the unary case by Pomerance et al shows that G1(n)≤(c1nlogn)n.
Proposition 10 shows that, for k≥2 we have
n2(k−1)n2≤Gk(n)≤(2n−1)2kn2+1.
The proof is quite short, hence I include it verbatim (more or less). For the upper bound, note that any NFA can be specified by specifying, for each pair
(q,a) of state and symbol, which subset of
Q equals
δ(q,a) (hence the factor
2kn2. We may assign the final states as follows: either the initial state is final or not, and since the names of the states are unimportant, we may assume the remaining final states are
{1,…,k} for
k∈[0..n−1]. Finally, if we choose no final states, we obtain the empty language.
For the lower bound the authors proceed in a similar way as in the proof for the DFA case: Define an NFA
M=(Q,Σ,δ,q0,F) with
Σ={0,1,…,k−1},
Q={q0,…,qn−1} and
δ:
δ(qi,0)δ(qi,j)=q(i+1)modnfor 0≤i<n=hj(i)for 0≤i<n,1≤j<k
where
hj:{1,…,n−1}→2Q is any set-valued function. Finally, let
F={qi} for any
i∈[0..n−1]. There are
2(k−1)n2 such functions and
n ways to choose the set of final states. One can then show that no two such NFA's accept the same language.