Шпаргалка по теории автоматов (ТА). Автоматов теория Теория автоматов научная тема

Вычислительные машины, представленные в виде математических моделей - и задачи, которые они могут решать.

Теория автоматов наиболее тесно связана с теорией алгоритмов : автомат преобразует дискретную информацию по шагам в дискретные моменты времени и формирует результат по шагам заданного алгоритма .

Энциклопедичный YouTube

1 / 3

✪ Урок 12. Основы теории автоматов. Математическая логика. Уроки по информатике

✪ Как управлять миром, изучив всего одну простую модель!

✪ Урок 15. Решение прикладных задач по теории автоматов. Математическая логика. Уроки по информатике

Субтитры

Терминология

Символ - любой атомарный блок данных, который может производить эффект на машину. Чаще всего символ - это буква обычного языка, но может быть, к примеру, графическим элементом диаграммы.

Слово - строка символов, создаваемая через конкатенацию (соединение).
Алфавит - конечный набор различных символов (множество символов)
Язык - множество слов, формируемых символами данного алфавита. Может быть конечным или бесконечным .

Автоматы Детерминированный конечный автомат (ДКА) - последовательность (кортеж) из пяти элементов (Q , Σ , δ , S 0 , F) {\displaystyle (Q,\Sigma ,\delta ,S_{0},F)} , где: Недетерминированный конечный автомат (НКА) - последовательность (кортеж) из пяти элементов (Q , Σ , Δ , S , F) {\displaystyle (Q,\Sigma ,\Delta ,S,F)} , где: Слово Автомат читает конечную строку символов a 1 ,a 2 ,…., a n , где a i ∈ Σ, которая называется входным словом .Набор всех слов записывается как Σ*. Принимаемое слово Слово w ∈ Σ* принимается автоматом, если q n ∈ F.

Говорят, что язык L читается (принимается) автоматом M, если он состоит из слов w на базе алфавита Σ {\displaystyle \Sigma } таких, что если эти слова вводятся в M, по окончанию обработки он приходит в одно из принимающих состояний F:

L = { w ∈ Σ ⋆ | δ ^ (S 0 , w) ∈ F } {\displaystyle L=\{w\in \Sigma ^{\star }|{\hat {\delta }}(S_{0},w)\in F\}}

Обычно автомат переходит из состояния в состояние с помощью функции перехода δ {\displaystyle \delta } , читая при этом один символ из ввода. Есть автоматы, которые могут перейти в новое состояние без чтения символа. Функция перехода без чтения символа называется ϵ {\displaystyle \epsilon } -переход (эпсилон-переход).сложности задач.

Типовые задачи

Построение и минимизация автоматов - построение абстрактного автомата из заданного класса, решающего заданную задачу (принимающего заданный язык), возможно, с последующей минимизацией по числу состояний или числу переходов.
Синтез автоматов - построение системы из заданных «элементарных автоматов», эквивалентной заданному автомату. Такой автомат называется структурным . Применяется, например, при синтезе цифровых электрических схем на заданной элементной базе.

Теория автоматов

Теория автоматов - раздел дискретной математики , изучающий абстрактные автоматы - вычислительные машины, представленные в виде математических моделей - и задачи, которые они могут решать.

Терминология

Слово - строка символов, создаваемая через конкатенацию (соединение).
Алфавит - конечный набор различных символов (множество символов)
Язык - множество слов, формируемых символами данного алфавита. Может быть конечным или бесконечным.

Автомат Автомат - последовательность (кортеж) из пяти элементов , где: Слово Автомат читает конечную строку символов a 1 ,a 2 ,…., a n , где a i ∈ Σ, и называется словом .Набор всех слов записывается как Σ*. Принимаемое слово Слово w ∈ Σ* принимается автоматом, если q n ∈ F.

Говорят, что язык L читается (принимается) автоматом M, если он состоит из слов w на базе алфавита таких, что если эти слова вводятся в M, по окончанию обработки он приходит в одно из принимающих состояний F:

Обычно автомат переходит из состояния в состояние с помощью функции перехода , читая при этом один символ из ввода. Есть также автоматы, которые могут перейти в новое состояния без чтения символа. Функция перехода без чтения символа называется -переход (эпсилон-переход).

Применение

Практически теория автоматов применяется при разработке лексеров и парсеров для формальных языков (в том числе языков программирования), а также при построении компиляторов и разработке самих языков программирования.

Другое важнейшее применение теории автоматов - математически строгое нахождение разрешимости и сложности задач.

Типовые задачи

Построение и минимизация автоматов - построение абстрактного автомата из заданного класса, решающего заданную задачу (принимающего заданный язык), возможно, с последующей минимизацией по числу состояний или числу переходов.
Синтез автоматов - построение системы из заданных «элементарных автоматов», эквивалентную заданному автомату. Такой автомат называется структурным . Применяется, например, при синтезе цифровых электрических схем на заданной элементной базе.

См. также

Литература

Джон Хопкрофт, Раджив Мотвани, Джеффри Ульман Введение в теорию автоматов, языков и вычислений = Introduction to Automata Theory, Languages, and Computation. - М .: Вильямс, 2002. - С. 528. - ISBN 0-201-44124-1
Касьянов В. Н. Лекции по теории формальных языков, автоматов и сложности вычислений. - Новосибирск: НГУ, 1995. - C. 112.

Ссылки

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Теория автоматов" в других словарях:

Теория автоматов

Теория автоматов - раздел теоретической кибернетики, который изучает математические модели (называемые здесь автоматами или машинами) реальных или возможных устройств, перерабатывающих дискретную информацию дискретными же тактами. Основными… … Экономико-математический словарь

теория автоматов - Раздел теоретической кибернетики, который изучает математические модели (называемые здесь автоматами или машинами) реальных или возможных устройств, перерабатывающих дискретную информацию дискретными же тактами. Основными понятиями этой теории… … Справочник технического переводчика

Сущ., кол во синонимов: 1 тавт (1) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

теория автоматов - automatų teorija statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. automata theory vok. Automatentheorie, f rus. теория автоматов, f pranc. théorie des automates, f … Automatikos terminų žodynas

У этого термина существуют и другие значения, см. Диаграмма состояний. Диаграмма состояний ориентированный граф для конечного автомата, в котором вершины обозначают состояния дуги показывают переходы между двумя состояниями На практике… … Википедия

Теория машин и механизмов (ТММ) это научная дисциплина об общих методах исследования, построения, кинематики и динамики механизмов и машин и о научных основах их проектирования. Содержание 1 История развития дисциплины 2 Основные понятия … Википедия

ТЕОРИЯ - (1) система научных идей и принципов, обобщающих практический опыт, отражающих объективные природные закономерности и положения, которые образуют (см.) или раздел какой либо науки, а также совокупность правил в области какого либо знания млн.… … Большая политехническая энциклопедия

Теория алгоритмов Экономико-математический словарь

Теория алгоритмов - раздел математики, изучающий общие свойства алгоритмов. Проблема построения алгоритма с теми или иными свойствами называется алгоритмической проблемой, ее неразрешимость означает отсутствие соответствующего алгоритма; если… … Экономико-математический словарь

Книги

Теория автоматов. Учебник для бакалавриата и магистратуры , Кудрявцев В.Б.. Учебник содержит обширный материал по теории автоматов. В нем вводится понятие автомата, даны теории…

А.А. Ожиганов Теория автоматов. Учебное пособие - Санкт-Петербург: НИУ ИТМО, 2013. - 84 с. - экз.

Аннотация:

Целью данного учебного пособия является ознакомление студентов с методами синтеза цифровых автоматов. Приводятся сведения об абстрактных автоматах Мили и Мура. Рассматриваются табличный и графовый способы представления автоматов, вводится понятие реакции автомата на входное слово и определение эквивалентных автоматов. Представлены методы взаимного эквивалентного преобразования автоматов. Приводятся общие сведения о микропрограммном управлении, понятия микрокоманды, микрооперации, микропрограммы, способы представления микропрограмм в виде граф-схем алгоритмов (ГСА), формул переходов, матричных и логических схем алгоритмов. Приводятся методы разметки ГСА и правила построения по ним автоматов Мили и Мура. Рассматриваются методы канонического синтеза структурных автоматов. Приводятся примеры синтеза памяти структурного автомата на базе D -, Т -, RS - и JK триггеров.

Описание:

Пособие предназначено для студентов, специализирующихся в области информационных технологий и может быть использовано при подготовке бакалавров и магистров по направлениям 230100 «Информатика и вычислительная техника», 231000 «Программная инженерия» и инженеров по специальности 230101 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети».

ТЕОРИЯ АВТОМАТОВ.

ВВОДНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

Теория автоматов – раздел дискретной математики, изучающий математические модели реальных (технических, биологических, экономических) или возможных устройств, перерабатывающих дискретную информацию дискретными временными тактами.

В этой теории достаточно четко выявляются ее направления, обусловленные:

выбором изучаемых типов автоматов (конечные, бесконечные, детерминированные, вероятностные, автономные, комбинационные, без выхода)

принятым уровнем абстракции (абстрактные и структурные автоматы)

спецификой применяемых математических (алгебраическая теория автоматов)

При этом в дискретных моделях рассматриваемых объектов учитывается лишь логика происходящих процессов изменений автомата без учета количественных характеристик.

Центральными проблемами читаемой теории являются проблемы синтаксиса и анализа (т.е. разработка функциональной схемы автомата по заданному его поведению и описание поведения автомата по известной его структуре). С этими проблемами тесно связаны задачи полноты, эквивалентности, минимизации числа состояний автоматов.

Далее автомат, как устройство, предназначенное для выполнения целенаправленных действий без участия человека, рассматривается либо как реализующий ту или иную формальную грамматику (абстрактный автомат), либо как множество элементов и схема их соединения (структурный автомат).

Основные понятия теории автоматов

Абстрактный конечный автомат U - модель , представляющая устройство, которое преобразует информацию по правилам R в виде «черного ящика», имеющего входной А и выходной В алфавиты, а также некоторое множество внутренних состояний Q.

a i  A , b j  B, q k  Q

Когда на вход подается сигнал a i , то в зависимости от него и текущего состояния q k  Q автомат переходит в следующее состояние q l  Q и выдает сигнал на выход b j  B. Это – один такт действия автомата q k a i  q l b j . Затем подается следующий сигнал, наступает следующий такт и т.д. Изменение сигнала на входе меняет состояние автомата и его выходной сигнал означает элементарное преобразование поступающей в виде сигналов информации.

Бесконечный автомат – абстрактный автомат, хотя бы одно из определяющих множеств A, B, Q которого бесконечно.

Ситохастический (вероятностный) автомат - абстрактный автомат, правила преобразования информации, которого R являются вероятностными.

Конечный автомат – дискретный автомат, в котором переход из одного состояния в любое другое может быть совершено за конечное число шагов (таким автоматом, например, является процессор).

Структурный автомат - конечный автомат, внутреннее устройство которого известно.

Формальная грамматика = - система правил построения P в заданном алфавите TH(T – терминальный алфавит, Н – нетерминальный алфавит, ТН=) конечных знаковых последовательностей, множество которых образует некоторый формальный язык () (JH, Н - аксиома).

Формальный язык - язык, построенный по правилам некоторого логического исчисления (иначе – язык, синтаксис которого определен формальной грамматикой ).

Слово – цепочка символов в некотором алфавите (принято цепочки в алфавите (TH) обозначать греческими буквами; так, например,  (TH)*).

Предложение – слово в терминальном алфавите.

Продукция (синтаксическое правило) – способ преобразования цепочки вида  (, ,  (TH)*) в цепочку вида  ((TH)*).

Дерево вывода (разбора) – форма наглядного представления вывода предложения в заданной грамматике.

АВТОМАТЫ И ФОРМАЛЬНЫЕ ЯЗЫКИ.

Описание формальных языков (как конечных или бесконечных множеств слов) конечными средствами осуществляют как автоматами, так и формальными грамматиками.

Тип языка () по Хомскому	Тип формальной грамматики Хомского	Автоматная модель языка
	Произвольная (алгоритмическая) грамматика типа 0 	Машина Тьюринга
	Грамматика типа 1 (контекстная грамматика, Н.С. грамматика, грамматика непосредственно составляющих) В	Автомат с линейно-ограниченной памятью
	Грамматика типа 2(контекстно-свободная грамматика, К.С. грамматика, бесконтекстная грамматика) В	Магазинный автомат
	Грамматика типа 3(автоматная, регулярная, конечная) ВаС, Ва	Конечный автомат

Классы языков по Хомскому являются иерархией, т.е. язык типа 3 является подклассом языка типа 2, т.е. ( 3) ( 2) ( 1)  ( 0). Следуя приведенной таблице, можно говорить, что

регулярный язык (т.е. язык, порождаемый грамматикой типа 3) распознается конечным автоматом и в этом плане является самым простым в математическом плане

бесконтекстный язык (т.е. язык ( 2)) распознается магазинным автоматом – бесконечным автоматом, внутренняя структура которого представляет собой стековую память

контекстный язык ( 1) распознается автоматом с линейно-ограниченной памятью, т.е. автоматом, которому для распознавания последовательности длины nN необходима память объемом не более k*n, где k – число, независящее от входного слова

произвольный формальный язык, т.е. ( 0), распознается машиной Тьюринга – математического понятия для формального уточнения интуитивного понятия «алгоритм»

Замечание : В синтаксическом правиле В являются контекстами (левый и правый), которые могут быть пустыми цепочками; ВН, а,, ,   (ТН).

ФОРМАЛЬНЫЕ ГРАММАТИКИ.

Формальные грамматики = как процедуры могут быть порождающими и распознающими. Порождающая грамматика по существу является частным случаем формальной системы FS / =<, D>-=. В этом случае A=TH, F(TH) * , JH, P= i  j  i , j  N ,  i ,  j (TH) * , т.е. правила вывода P позволяют получать слова в терминальном алфавите Т из единственной аксиомы J путем замещения нетерминальных символов цепочек в алфавите (TH).

Распознающая грамматика – алгоритм, распознающий по любой цепочке, является ли оно словом языка  T * .

Автомат для распознавания и порождения слов можно рассматривать как устройство обработки входных цепочек символов с целью:

определения их принадлежности формальному языку ()

порождений выходных цепочек символов

Выводом в грамматике  называется последовательность цепочек, в которой каждая из цепочек, кроме первой, получается из предыдущей применением какого-либо правила вывода (последняя цепочка в выводе – предложение, т.е. слово В в алфавите Т).

Пример 1 : Т=a, b, c, H=B, C, J=B, P=BaBС, BCc, Cb

Возможным выводом в этой грамматике может быть последовательность слов:

В, аВС, аСсС, аbсС, аbсbТ *

Эта грамматика порождает язык b, bc, abcb.

Пример 2 : множество нечетных чисел в унарном представлении – это множество терминальных слов вида а, ааа, ааааа….., т.е. язык =хТ * : ха 2 n -1 , nN. Этот язык порождается автоматной грамматикой  3 =<a, J, J, Ja, JaB, BaJ>.

Пример 3 : Язык =хТ * : х=a n b n  n  N порождается К.С. грамматикой, т.е.  2 =<a, b, J, J, JaJb, Jab>.

Пример 4 : Язык булевых формул с переменными x, y, z порождается К.С. грамматикой  2 =<x, y, z, , , , (,), J, J, J(JJ), J(JJ), JJ, Jx, Jy, JZ>.

ДЕРЕВЬЯ ВЫВОДА ПРЕДЛОЖЕНИЙ.

На практике вывод слов языка () в виде последовательности цепочек часто оказывается громоздким. Кроме того, такой способ не позволяет получить в удобном виде информацию о синтаксических конструкциях. Наилучшим способом компактного представления вывода слов в таком случае является дерево вывода (дерево синтаксического анализа, дерево грамматического разбора). Говорят, что задано стандартное дерево вывода, если правилу r i:  1 A 2  1  2 (здесь  1 ,  2 – контекст,  1 ,  2 (TH) *), АН, (TH) *) поставлено в соответствие элементарное поддерево t(r i) с вершиной А и кроной  1  2.

Пример 1 : Пусть 1=<a, b, c, A, B, C, D, J, J, JAAB, ABDBB, aBBabB, Aa, Da, BC, Cc>.

Вывод J, AAB, aAB, aDBB, aaBB, aabB, aaaBC, aabc представим деревом:

ЗдесьJ – корень дерева, J A , A a - поддеревья.

АВТОМАТОВ ТЕОРИЯ, раздел дискретной математики, изучающий математические модели преобразователей дискретной информации, называемых автоматами. Примерами таких преобразователей являются как реальные системы (вычислительные машины, технические автоматы, живые организмы), так и абстрактные системы (абстрактные вычислительные машины, аксиоматические теории). Автоматов теория возникла в середине 20 века в связи с изучением автоматов как математических моделей биологических систем и вычислительных машин. В дальнейшем проблематика автоматов теории существенно расширилась.

Автоматов теория тесно связана с теорией алгоритмов, в частности с теорией абстрактных вычислительных машин, поскольку автоматы можно рассматривать как случай их аппроксимации.

Автомат можно охарактеризовать как устройство, имеющее входной и выходной каналы и находящееся в каждый дискретный момент времени в одном из внутренних состояний. По входному каналу в такой момент поступают сигналы-воздействия. В те же моменты по выходному каналу устройство выдаёт сигналы-реакции. Состояния автомата, сигналы-воздействия и сигналы-реакции задаются буквами соответствующих алфавитов: алфавита состояний, а также алфавитов входных и выходных сигналов. Законы взаимодействия букв этих алфавитов задаются двумя функциями - функцией переходов и функцией выходов, отображающими пары (состояние - входная буква), в состояния и выходные буквы соответственно. Входной средой для автомата является множество слов во входном алфавите, а внутренней и выходной его средами являются множества слов в алфавите состояний и выходном алфавите. Автомат побуквенно перерабатывает слова из входной среды в слова двух других сред. Этот процесс называется поведением автомата. Свойства алфавитов и функций определяют различные типы автоматов. В случае, когда все алфавиты конечны, получают конечный автомат, в противном случае автомат называют бесконечным. Замена функций на отношения приводит к частичным и недетерминированным автоматам; использование случайных функций приводит к вероятностному автомату. При интерпретации входной среды термами или графами приходят к автоматам над термами и автоматам в лабиринтах.

Большинство задач автоматов теории являются общими для основных видов управляющих систем, к ним относятся задачи анализа и синтеза автоматов, задачи о полноте, минимизации, а также задачи, связанные с эквивалентными преобразованиями автоматов. Задача анализа состоит в том, чтобы по заданному автомату описать его поведение или по неполным данным об автомате и его функционированию установить те или иные его свойства. Задача синтеза состоит в построении автомата с заданным поведением, или функционированием. К этой задаче примыкают проблемы, связанные с оценкой сложности автоматов, обладающих заданным поведением, а также с построением оптимальных в определённом смысле автоматов. Задача о полноте состоит в том, чтобы выяснить, можно ли данное множество автоматов получить из меньшего множества с помощью некоторых операций над автоматами. Задача минимизации автоматов состоит в минимизации значений параметров автоматов (например, числа состояний), при которой получается автомат, эквивалентный в том или ином смысле исходному. Помимо задач, общих для основных видов управляющих систем, в автоматов теории рассматриваются специфические проблемы, характерные для автоматов. Так, в зависимости от условий задачи поведение автоматов удобно задавать на разных языках (регулярные выражения, канонические уравнения, язык логики предикатов и т.п.), в связи, с чем важными задачами являются выбор достаточно удобного адекватного языка и перевод с одного языка на другой. С задачами синтеза и эквивалентных преобразований связана задача минимизации числа состояний автомата. В связи с моделированием поведения автоматов одного класса автоматами другого класса возникают задачи минимизации моделирующих автоматов и оценки их сложности. Специальный раздел автоматов теории связан с так называемыми экспериментами с автоматами. Основная задача этого раздела состоит в том, чтобы получить определённые сведения о строении автомата путём наблюдения его реакции на те или иные внешние воздействия. При этом возникают задачи, связанные с классификацией экспериментов и с вопросами разрешимости задач определёнными видами экспериментов, а также с оценками длин минимальных экспериментов, достаточных для решения тех или иных задач. Понятие эксперимента с автоматами используется также в задачах контроля автоматов. Специальными разделами автоматов теории являются игры автоматов и поведение автоматов в случайной среде, в которых рассматриваются вопросы взаимодействия автоматов друг с другом и с определёнными внешними средами. Многие из перечисленных выше задач могут рассматриваться как массовые проблемы (смотри Алгоритмическая проблема). Для конечных автоматов большинство из них имеет положительное решение.

Автоматов теория находит применение во многих областях. Например, средствами автоматов теории доказывается разрешимость некоторых формальных исчислений. Методы и понятия автоматов теории существенно используются в математической лингвистике. Понятие автомата может служить модельным объектом в разнообразных задачах, благодаря чему возможно применение автоматов теории в различных прикладных исследованиях.

Лит.: Кудрявцев В. Б., Алешин С. В., Подколзин А. С. Введение в теорию автоматов. М., 1985.