自動機與形式語言-第五章-泵引理

2023/2/51第五章

正則語言的性質2023/2/52正則語言的描述RGDFANFAε-NFARERegularLanguage2023/2/53語言的性質語言的兩種重要性質判定性質(DecisionProperties)封閉性質(ClosureProperties)RL性質判定性質：泵引理及其應用封閉性質：并、乘積、閉包、補、交、正則代換、同態(tài)、逆同態(tài)的封閉性

DFA的極小化

2023/2/54判定性質DecisionProperties語言的判定性質：以語言的形式化描述(例如：DFA)作為輸入，判定某些性質是否成立的算法。例子：DFA對應的語言L是否為空？2023/2/55判定性質DecisionProperties其他判定性質：成員關系：“w是否在正則語言L里？”空否：“DFA對應語言是否為空？”有窮否：“DFA對應語言是否有窮？”“語言L是否為正則語言？”→泵引理兩個DFA等價否：“兩個DFA對應語言是否等價？”2023/2/56判定性質DecisionProperties為什么要討論語言的判定性質？例子：當我們用DFA來描述協(xié)議(protocol)，該協(xié)議的重要性質跟DFA對應的語言相關。如：“該協(xié)議是否會終結？”=“該語言是否是有窮的？”“該協(xié)議是否會失效？”=“該語言是否為非空的？”2023/2/57判定性質DecisionProperties為什么要討論語言的判定性質？例子：我們經常想要一個“極小的”語言表示，比如一個擁有最少狀態(tài)數(shù)量的DFA或者一個最短的RE如果我們不能判定“兩個語言是否等價？”或者，“兩個DFA是否對應相同的語言？”我們就無法找到“極小”2023/2/58成員判定MembershipQuestion第一個判定性質的問題：“字符串w是否在正則語言L里面？”假定L用DFAM來描述模擬字符串w輸入時，M的狀態(tài)轉移Example:TestingMembershipStart10ACB100,101011NextsymbolCurrentstate92023/2/5Example:TestingMembershipStart10ACB100,101011NextsymbolCurrentstate102023/2/5Example:TestingMembershipStart10ACB100,101011NextsymbolCurrentstate112023/2/5Example:TestingMembershipStart10ACB100,101011NextsymbolCurrentstate122023/2/5Example:TestingMembershipStart10ACB100,101011NextsymbolCurrentstate132023/2/5Example:TestingMembershipStart10ACB100,101011NextsymbolCurrentstate142023/2/52023/2/515成員判定MembershipQuestion如果正則語言RL不是用DFA來描述的怎么辦？RGDFANFAε-NFARE定理5-13

設L是字母表∑上的

RL，對任意x∈∑*，存在判定x是不是L的句子的算法。從一定的意義上講，接受L的DFAM就是判定x是否L的一個句子的“算法”。

2023/2/516成員判定MembershipQuestion2023/2/517空否判定EmptinessQuestion給定一個正則語言L,問：該語言是否包含任何字符串？即L是否為空？假定語言描述為DFA：構建狀態(tài)轉移圖；計算從開始狀態(tài)q0出發(fā)，所有可達到狀態(tài)的集合；若任何接受狀態(tài)是可到達的，則該語言非空，否則該語言為空。2023/2/518空否判定EmptinessQuestion給定一個正則語言L,問：該語言是否包含任何字符串？即L是否為空？判斷下列DFA對應語言是否為空：定理5-10

設DFAM=(Q，∑，δ，q0，F(xiàn))，L=L(M)非空的充分必要條件是：存在x∈∑*，|x|<|Q|，δ(q0，x)∈F。

證明：充分性顯然。必要性：M的狀態(tài)轉移圖中必存在一條從q0到某一個終止狀態(tài)qf且無重復狀態(tài)的路，此路中的狀態(tài)數(shù)n≤|Q|。此路的標記x滿足|x|≤n-1。而δ(q0，x)∈F。即x是L=L(M)的長度小于|Q|的句子。

2023/2/519空否判定EmptinessQuestion2023/2/520無窮判定InfinitenessQuestion給定一個正則語言L,問：該語言是否無窮？給定L對應的DFA：若該DFA有n個狀態(tài),

L包含長度大于等于n的字符串，則該語言無窮。否則，該語言L一定是有窮的。有窮無窮2023/2/521無窮判定InfinitenessQuestion證明：若該DFA有n個狀態(tài),

L包含長度大于等于n的字符串，則該語言無窮。如果一個DFA有n個狀態(tài)，并接受長度大于等于n的字符串w，那么在w的路徑上，一定包含一個狀態(tài)出現(xiàn)了至少兩次。原因：長度大于等于n的字符串w的路徑上經過的狀態(tài)數(shù)量至少為n+122w=xyzxyzThenxyizisinthelanguageforalli>0.Sinceyisnotε,weseeaninfinitenumberofstringsinL.無窮判定InfinitenessQuestion2023/2/523無窮判定InfinitenessQuestion我們尚無一個有效算法有無窮個字符串長度大于等于n，我們無法窮舉測試Second

idea：如果L包含長度大于等于n的字符串，那么一定包含長度介于n跟2n-1的句子。2023/2/524無窮判定InfinitenessQuestion證明：如果L包含長度大于等于n的字符串，那么一定包含長度介于n跟2n-1的句子。w=xyz，y為路徑上的第一個環(huán)那么：x<n;1<

|y|<n；z<n

|xz|<2n若|xz|≥n，則為所求否則|xz|<n，增加句子xyiz長度至[n,2n-1]xyz2023/2/525無窮判定InfinitenessQuestion算法：檢驗所有長度[n,2n-1]的句子，如果有句子被接受，則該語言無窮。糟糕的算法改進：從開始狀態(tài)到接受狀態(tài)找環(huán)xyz26在無窮判定中,我們無意中提供了一個證明一個語言是否正則語言的重要結論。Calledthepumpinglemmaforregularlanguages

(泵引理).泵引理The

Pumping

Lemma5.1RL的泵引理泵引理(pumpinglemma)

設L為一個RL，則存在僅依賴于L的正整數(shù)N，對于z∈L，如果|z|≥N，則存在u、v、w，滿足⑴z=uvw；⑵|uv|≤N；⑶|v|≥1；⑷對于任意的整數(shù)i≥0，uviw∈L；⑸N不大于接受L的最小DFAM的狀態(tài)數(shù)。

2023/2/5275.1RL的泵引理證明思想2023/2/5285.1RL的泵引理證明：DFA在處理一個足夠長的句子的過程中，必定會重復地經過某一個狀態(tài)。換句話說，在DFA的狀態(tài)轉移圖中，必定存在一條含有回路的從啟動狀態(tài)到某個終止狀態(tài)的路。由于是回路，所以，DFA可以根據(jù)實際需要沿著這個回路循環(huán)運行，相當于這個回路中弧上的標記構成的非空子串可以重復任意多次。2023/2/529M=(Q，∑，δ，q0，F(xiàn))

|Q|=N

z=a1a2…am m≥N

δ(q0，a1a2…ah)=qh

狀態(tài)序列q0，q1，…，qN中，至少有兩個狀態(tài)是相同：qk=qj

2023/2/5305.1RL的泵引理δ(q0，a1a2…ak)=qkδ(qk，ak+1…aj)=qj=qkδ(qj，aj+1…am)=qm對于任意的整數(shù)i≥0

δ(qk，(ak+1…aj)i)=δ(qk，(ak+1…aj)i-1)…=δ(qk，ak+1…aj)=qk

2023/2/5315.1RL的泵引理故，δ(q0，a1a2…ak(ak+1…aj)iaj+1…am)=qm也就是說，a1a2…ak(ak+1…aj)iaj+1…am∈L(M)u=a1a2…ak，v=ak+1…aj，w=aj+1…am

uviw∈L

2023/2/5325.1RL的泵引理例5-1

證明{0n1n|n≥1}不是RL。證明：

假設L={0n1n|n≥1}是RLz=0N1N

按照泵引理所述

v=0k k≥1

此時有，

u=0N-k-j w=0j1N

2023/2/5335.1RL的泵引理從而有，

uviw=0N-k-j(0k)i0j1N=0N+(i-1)k1N

當i=2時，我們有：

uv2w=0N+(2-1)k1N=0N+k1N注意到k≥1，所以，N+k>N。這就是說，0N+k1NL這與泵引理矛盾。所以，L不是RL。2023/2/5345.1RL的泵引理例5-2證明{0n|n為素數(shù)}不是RL。

證明：假設L={0n|n為素數(shù)}是RL。取z=0N+p∈L，不妨設v=0k， k≥1從而有，

uviw=0N+p-k-j(0k)i0j

=0N+p+(i-1)k2023/2/5355.1RL的泵引理當i=N+p+1時，

N+p+(i-1)k=N+p+(N+p+1-1)k =N+p+(N+p)k =(N+p)(1+k)注意到k≥1，所以

N+p+(N+p+1-1)k=(N+p)(1+k)不是素數(shù)。故當i=N+p+1時，uvN+p+1w=0(N+p)(1+k)

L這與泵引理矛盾。所以，L不是RL。

2023/2/5365.1RL的泵引理例5-3

證明{0n1m2n+m|m，n≥1}不是RL。

證明：假設L={0n1m2n+m|m，n≥1}是RL。取z=0N1N22N

設 v=0k k≥1

從而有，

uviw=0N-k-j(0k)i0j1N22N

=0N+(i-1)k1N22N2023/2/5375.1RL的泵引理 uv0w=0N+(0-1)k1N22N

=0N-k1N22N

注意到k≥1，N-k+N=2N-k<2N0N-k1N22N

L這個結論與泵引理矛盾。所以，L不是RL。

2023/2/5385.1RL的泵引理用來證明一個語言不是RL不能用泵引理去證明一個語言是RL。

⑴由于泵引理給出的是RL的必要條件，所以，在用它證明一個語言不是RL時，我們使用反證法。

⑵泵引理說的是對RL都成立的條件，而我們是要用它證明給定語言不是RL，這就是說，相應語言的“僅僅依賴于L的正整數(shù)N”實際上是不存在的。所以，我們一定是無法給出一個具體的數(shù)的。因此，人們往往就用符號N來表示這個“假定存在”、而實際并不存在的數(shù)。

2023/2/5395.1RL的泵引理⑶由于泵引理指出，如果L是RL，則對任意的z∈L，只要|z|≥N，一定會存在u、v、w，使uviw∈L對所有的i成立。因此，我們在選擇z時，就需要注意到論證時的簡潔和方便。

⑷當一個特意被選來用作“發(fā)現(xiàn)矛盾”的z確定以后，就必須依照|uv|≤N和|v|≥1的要求，說明v不存在(對“存在u、v、w”的否定)

。2023/2/5405.1RL的泵引理⑸與選z時類似，在尋找i時，我們也僅需要找到一個表明矛盾的“具體”值就可以了(對“所有i”的否定)。⑹一般地，在證明一個語言不是RL的時候，我們并不使用泵引理的第(5)條。⑺事實上，引理所要求的|uv|≤N并不是必須的。這個限制為我們簡化相應的證明提供了良好支撐——擴