Dowód lematu pompowania dla języków bezkontekstowych za pomocą automatów pushdown


21

Lemat o pompowaniu dla języków regularnych może być udowodnione przez rozważa automat skończony, który rozpoznaje stan języka badanego, zbierając ciąg o długości większej niż jego liczby stanów i stosując zasadę zaszufladkować. Jednak pompowanie lematu dla języków bezkontekstowych (a także lematu Ogdena, który jest nieco bardziej ogólny), zostało udowodnione poprzez rozważenie bezkontekstowej gramatyki badanego języka, wybranie odpowiednio długiego łańcucha i spojrzenie na drzewo analizy.

Biorąc pod uwagę podobieństwo dwóch pompujących lematów, można oczekiwać, że bezkontekstowy można również udowodnić w podobny sposób do zwykłego, biorąc pod uwagę automat pushdown, który rozpoznaje język, a nie gramatykę. Nie udało mi się jednak znaleźć żadnego odniesienia do takiego dowodu.

Stąd moje pytanie: czy istnieje dowód na pompowanie lematu dla języków bezkontekstowych, które obejmuje tylko automaty wypychające, a nie gramatykę?

Odpowiedzi:


16

Znów pomyślałem o tym problemie i wydaje mi się, że mam pełny dowód. Jest to nieco trudniejsze niż się spodziewałem. Komentarze są bardzo mile widziane! Aktualizacja: przesłałem ten dowód na arXiv, na wypadek, gdyby był on przydatny dla kogoś: http://arxiv.org/abs/1207.2819

Niech będzie językiem bezkontekstowym nad alfabetem . Niech będzie automatem przesuwającym rozpoznającym , z alfabetem stosu . Oznaczamy przezliczba stanów . Bez utraty ogólności możemy założyć, że przejścia przesuwają najwyższy symbol stosu i albo nie pchają żadnego symbolu na stosie, albo wciskają na stosie poprzedni najwyższy symbol i jakiś inny symbol.Σ A L Γ | A | A ALΣALΓ|A|AA

Definiujemyi długość pompowania, i pokaże, że wszystkie takie, że mają rozkład postaci taki, że , i .p = | A | ( | Γ | + 1 ) p ′ w ∈ L | w | > p w = u vp′=|A|2|Γ|p=|A|(|Γ|+1)p′w∈L|w|>p| v x y | ≤ p | v y | ≥ 1 ∀ n ≥ 0 , u v n xw=uvxyz|vxy|≤p|vy|≥1∀n≥0,uvnxynz∈L

Niech taki, że . Niech będzie ścieżką akceptującą o minimalnej długości dla (reprezentowaną jako sekwencja przejść ), oznaczamy jej długość przez. Możemy zdefiniować dla, rozmiar stosu w pozycji ścieżki akceptującej. Dla wszystkich , możemy zdefiniować -level nad jako zestaw trzech indeksów z takie, że:| w | > p π w A | π | 0 ≤ i < | π | s ja iw∈L|w|>pπwA|π|0≤i<|π|siiN π i , j , k 0 ≤ i < j < k ≤ pN>0Nπi,j,k0≤i<j<k≤p

  1. si=sk,sj=si+N
  2. dla wszystkich takich, że ,i ≤ n ≤ j s i ≤ s n ≤ s jni≤n≤jsi≤sn≤sj
  3. dla wszystkich takich, że , .j ≤ n ≤ k s k ≤ s n ≤ s knj≤n≤ksk≤sn≤sk

(Na przykład, patrz zdjęcie dla przypadku 2 poniżej, które ilustruje poziom ).N

Określamy poziomu o jako maksymalna w taki sposób, ma -level. Definicja ta jest motywowana następującą właściwością: jeśli rozmiar stosu na ścieżce się większy niż jego poziom , wówczas symbole stosu o głębokości większej niż poziomów nigdy nie zostaną usunięte. Rozróżnimy teraz dwa przypadki: albo , w którym to przypadku wiemy, że ta sama konfiguracja dla stanu automatu i najwyższe symboli stosu występują dwa razy w pierwszych krokach , lubπ N π N π l l l < p ′ l p + 1 π l ≥ p ′ v ylπNπNπlll<p′lp+1πl≥p′, i musi istnieć pozycja stosu i rozpakowywania, którą można powtórzyć dowolną liczbę razy, z których budujemy i .vy

Przypadek 1. . Możemy zdefiniować konfiguracje jak par stanie i sekwencji symboli stos (gdzie stosy wielkości mniejszej niż ze reprezentowany przez dopełnienie ich do ze specjalnym symbolem pustym, dlatego używamy przy definiowaniu ). Z definicji są takich konfiguracji, czyli mniej niż . Dlatego w pierwszych krokach ta sama konfiguracja występuje dwa razy w dwóch różnych pozycjach, powiedzmy . Oznacz przez A A l l l | Γ | + 1 p | A | ( | Tt | + 1 ), l s s + 1 π I < J i J W I j π i ≤ J W = U v x y oo r oo = ε U = wl<p′AAlll|Γ|+1p|A|(|Γ|+1)lpp+1πi<ji^ (odpowiednio. ) pozycja ostatniej litery przeczytanej w kroku (odpowiednio. ) z . Mamy . Dlatego możemy uwzględnić z , , , . (W w oznaczamy litery od włącznie do wyłączne.) Według budowy, .j^wijπi^≤j^w=uvxyzyz=ϵ v= w I ⋯ j x= w j ⋯ | w | w x ⋯ y wxy | vxy | ≤pu=w0⋯i^v=wi^⋯j^x=wj^⋯|w|wx⋯ywxy|vxy|≤p

Musimy również wykazać, że , ale wynika to z naszej powyższej obserwacji: symbole stosu głębsze niż nigdy nie są wyskakiwane, więc nie ma możliwości rozróżnienia konfiguracje, które są równe zgodnie z naszą definicją, a ścieżka akceptowania dla jest budowana na podstawie , powtarzając kroki od do , razy.L U v n X w ı j n∀n≥0,uvnxynz=uvnx∈Lluvnxwijn

Wreszcie mamy też , ponieważ jeśli , to dlatego, że mamy taką samą konfigurację w krokach i w , byłoby ścieżką akceptującą dla , sprzeczną z minimalnością .v = ϵ i j π π ′ = π 0 ⋯ i π j ⋯ | π | w π|v|>0v=ϵijππ′=π0⋯iπj⋯|π|wπ

(Zauważ, że ten przypadek polega na zastosowaniu lematu pompującego dla zwykłych języków poprzez zakodowanie na stałe najwyższych symboli stosu w stanie automatu, co jest wystarczające, ponieważ jest wystarczająco małe, aby zapewnić, że jest większy niż liczba stanów tego automatu Główną sztuczką jest to, że musimy dostosować się do -transitions).l | w | ϵll|w|ϵ

Przypadek 2. . Niech będą poziomem . Do dowolnego rozmiaru stosu , , kojarzymy ostatnie push i pierwszy pop . Z definicji oraz . Oto ilustracja tej konstrukcji. Aby uprościć rysunek, pomijam rozróżnienie między pozycjami ścieżki i pozycjami słów, które będziemy musieli zrobić później. i , j , k p ′ h s i ≤ h ≤ s j lp ( h ) = max ( { y ≤ j | s y = h } ) fp ( h ) = min ( { y ≥ j | s y = h } ) i ≤ lp ( hl≥p′i,j,kp′hsi≤h≤sj lp⁡(h)=max({y≤j|sy=h}) fp⁡(h)=min({y≥j|sy=h})j ≤ fp ( h ) ≤ ki≤lp⁡(h)≤jj≤fp⁡(h)≤k

Ilustracja budowy przypadku 2. Aby uprościć rysunek, rozróżnia się pozycje ścieżki i pozycji słów.

Mówimy, że pełny stan stosu o wielkości jest potrójny utworzony przez:h

  1. stan automatu w pozycjilp⁡(h)
  2. symbol najwyższego stosu w pozycjilp⁡(h)
  3. stan automatu w pozycjifp⁡(h)

Istnieją możliwe pełne stany, a rozmiary stosu między i , więc zgodnie z zasadą pidgeonhole istnieją dwa rozmiary stosu z takie, że pełne stany w i są takie same. Podobnie jak w przypadku 1, definiujemy za pomocą , , i pozycje ostatnich liter odczytanych na odpowiednich pozycjach w . Współczynnik gdziep ′ + 1 s i s j g , h s i ≤ g < h ≤ s j g h ^ lp ( g ) ^ lp ( h ) ^ fp ( h ) ^ fp ( g ) w π g ) v = w ^ lp ( g ) ⋯ ^ lp ( )p′p′+1sisjg,hsi≤g<h≤sjghlp⁡(^g)lp⁡(^h)fp⁡(^h)fp⁡(^g)wπu = w 0 ⋯ ^ lp (w=uvxyzu=w0⋯lp⁡(^g), , , oraz .v=wlp⁡(^g)⋯lp⁡(^h) y = w ^ fp ( h ) ⋯ ^ fp ( g ) z = w ^ fp ( g ) ⋯ | w |x=wlp⁡(^h)⋯fp⁡(^h)y=wfp⁡(^h)⋯fp⁡(^g)z=wfp⁡(^g)⋯|w|

Faktoryzacja zapewnia, że (ponieważ według naszej definicji poziomów).k ≤ p|vxy|≤pk≤p

Również wykazać, że . Aby to zrobić, zauważ, że za każdym razem, gdy powtarzamy , zaczynamy od tego samego stanu i tego samego stosu i nie spadamy poniżej naszej aktualnej pozycji na stosie (w przeciwnym razie musielibyśmy pchać ponownie w bieżącej pozycji, naruszając maksimum ), więc możemy podążać tą samą ścieżką w i wcisnąć tę samą sekwencję symboli na stos. Dzięki maksymalnemu i minimalnemu , podczas odczytu , nie spadamy poniżej naszej aktualnej pozycji na stosie, więc ścieżka podążająca w automacie jest taka sama bez względu na liczbę razy powtarzaliśmyv lp ( g ) A lp ( h ) fp ( h ) x v w v v v fp ( g ) A u v n x y n z w∀n≥0,uvnxynz∈Lvlp⁡(g)Alp⁡(h)fp⁡(h)xv. Teraz, jeśli powtarzamy tyle razy, ile powtarzamy , ponieważ zaczynamy od tego samego stanu, ponieważ wypchnęliśmy tę samą sekwencję symboli na stosie z naszymi powtórzeniami , i ponieważ nie wyskakujemy więcej niż to, co ma ułożone w stos za pomocą minimalnej liczby , możemy podążać tą samą ścieżką w i wyrzucić tę samą sekwencję symboli ze stosu. Stąd, ścieżka akceptowania z może być zbudowana ze ścieżki akceptacji dla .wvvvfp⁡(g)Auvnxynzw

Wreszcie mamy też , ponieważ podobnie jak w przypadku 1, jeśli i , możemy zbudować krótszą ścieżkę akceptującą dla , usuwając i .v = ϵ y = ϵ w π lp ( g ) ⋯ lp ( h ) π fp ( h ) ⋯ fp ( g )|vy|>1v=ϵy=ϵwπlp⁡(g)⋯lp⁡(h)πfp⁡(h)⋯fp⁡(g)

Dlatego w obu przypadkach mamy odpowiednią faktoryzację, a wynik został udowodniony.

(Podziękowania należą się Marcowi Jeanmouginowi za pomoc w uzyskaniu tego dowodu).


7

Tak to mozliwe. Przydałoby się pojęcie konfiguracji powierzchni; zostały wprowadzone przez Cooka dawno temu. Dzięki temu powinno być dość łatwo uzyskać wersję pompowania lematu.

Jeśli chodzi o konfiguracje powierzchni, prawie każdy papier w LogCFL powinien mieć swoją definicję. Oto ostatnia praca i tutaj jest teza

Może ktoś bardziej energiczny może przeliterować szczegóły!


Dzięki za odpowiedź! Tak, całkiem naturalne jest spojrzenie na kombinację stanu automatu i najwyższego symbolu stosu. Nadal jednak myślę o tym problemie i nie jestem w stanie zrozumieć szczegółów ... Pomoc jest doceniana. :-)
— a3nm

3

Dla kompletności odniesienie do dowodu w tym kierunku.

A.Ehrenfeucht, HJHoogeboom, G.Rozenberg: Skoordynowane systemy par. I: Dyck słowa i klasyczne pompowanie RAIRO, Inf. Théor. Appl. 20, 405–424 (1986)

Abstrakcyjny. Pojęcie skoordynowanego układu par [...] bardzo ściśle odpowiada (jest innym sformułowaniem) pojęciu automatu odpychającego. W tym artykule [...] badamy możliwość uzyskania właściwości pompowania języków bezkontekstowych poprzez analizę obliczeń w systemach CP. W tym celu analizujemy kombinatoryczną strukturę słów Dyck. Właściwości badanych słów Dycka wynikają z kombinatorycznej analizy obliczeń w układach cp. Pokazujemy, jak tę korespondencję można wykorzystać do udowodnienia klasycznego lematu pompowania.


1

Omawiając ten problem z Géraudem Sénizerguesem, wskazał mi ten artykuł Sakarovitcha, który już potwierdza ten wynik. Wydaje się, że dowód pochodzi z tego artykułu Ogdena.

Referencje:

  • Sakarovitch, Jacques. Sur une propriété d'itération des langages algébriques déterministes. (Francuski. Streszczenie w języku angielskim). Matematyka Systems Theory 14 (1981), no. 3, 247–288.
  • William F. Ogden. 1969. Twierdzenia o interkalacji dla języków stosu. W materiałach z pierwszego dorocznego sympozjum ACM na temat teorii obliczeń (STOC '69).
Korzystając z naszej strony potwierdzasz, że przeczytałeś(-aś) i rozumiesz nasze zasady używania plików cookie i zasady ochrony prywatności.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.