Количество разных обычных языков


14

Учитывая алфавит , сколько существует различных регулярных языков, которые могут быть приняты недетерминированным конечным автоматом с n состояниями?Σ={a,b}n

В качестве примера рассмотрим . Затем у нас есть 2 18 различных конфигураций перехода и 2 3 различных конфигурации начального и конечного состояний, поэтому у нас есть верхняя граница 2 24 различных языков. Тем не менее, многие из них будут эквивалентны, и, поскольку тестирование для этого является PSPACE-Complete, возможно, невозможно проверить каждый параметр. Существуют ли другие средства или комбинаторные аргументы, которые ограничивают количество различных языков, принятых данным ресурсом?n=321823224


Существует только 3 конфигурации начального состояния, а не . 23
— FrankW

4
Краткая идея: обычные языки характеризуются конечным числом классов эквивалентности, см. Myhill-Nerode. Сколько разных наборов классов эквивалентности может поддерживать государственный автомат? N
— Рафаэль

5
Может быть полезно поискать статью «О количестве различных языков, принимаемых конечными автоматами с n состояниями», написанную Домарацким, Кисманом и Шаллитом.
— Хендрик Янв


Ответы:


11

Это краткое изложение статьи « О количестве отдельных языков, принятых конечными автоматами с n государствами» . В документе даны относительно простые, но далеко не жесткие, нижние и верхние границы количества различных языков, принятых NFA. Их обсуждение количества различных DFA очень проницательно, поэтому я также включу эту часть.

Статья начинается с довольно строгой асимптотики для числа различных языков, принятых DFA с состояниями над унарным алфавитом. Это делается путем наблюдения , при каких условиях данного п -state унарного DFA минимален. В таких случаях описание автомата может быть сопоставлено (биективно) с примитивным словом , а перечисление таких слов хорошо известно и выполняется с помощью функции Мёбиуса . Используя этот результат, границы для неунарных алфавитов, как в DFA, так и в случае NFA, доказаны.NN

Давайте углубимся в детали. Для буквенного алфавита определите f k ( n )К ЗаметимчтогК(п)=Е п я = 1 фК(я). Начнем сf1(k)иg1(k).

еК(N)знак равночисло попарно неизоморфных минимальных ДФА с N состоянияграммК(N)знак равноколичество различных языков, принятых DFA с N состоянияграммК(N)знак равноколичество различных языков, принятых NFA с N состояния
граммК(N)знак равноΣязнак равно1NеК(я)е1(К)грамм1(К)

Перечень унарных ДФА

Унарный DFA с состояниями q 0 , … , q n - 1 минимален тогда и только тогда, когдаMзнак равно(Q,{a},δ,Q0,F)q0,…,qn−1

  1. Это связано. Таким образом, после переименования диаграмма перехода состоит из петли и хвоста, т.е. и δ ( q n - 1 , a ) = q j для некоторого j ≤ n - 1 ,δ(Qя,a)знак равноQя+1δ(QN-1,a)знак равноQJJ≤N-1
  2. Цикл минимален.
  3. Если , то либо д J - 1 ∈ F и Q п - 1 ∉ F или д J - 1 ∉ F и Q п - 1 ∈ F .J≠0QJ-1∈FQN-1∉FQJ-1∉FQN-1∈F

Цикл минимален тогда и только тогда, когда слово a j ⋯ a n - 1 определено как a i = { 1QJ,...,QN-1aJ⋯aN-1 являетсяпримитивной, что означаетчто не может быть записана в видехK для некоторого словахи некоторого целого числак≥2. Числоψk(n)примитивных слов длинойnнадбуквамиk-буквы известно, см., Например, Lothaire,Combinatorics on Words. Мы имеем ψk(n)=∑d | nμ(d)kn/

aязнак равно{1если Q∈F,0если Q∉F
ИксКИксК≥2
ψК(N)NК гдеμ(n)-функция Мёбиуса. С помощью ψ k (n)в статье доказываются точные формулы для f 1 (n)и g 1 (n)и показано, что асимптотически (теорема 5 и следствие 6) g 1 ( n )
ψК(N)знак равноΣd|Nμ(d)КN/d
μ(N)ψК(N)е1(N)грамм1(N)
грамм1(N)знак равно2N(N-α+О(N2-N/2))е1(N)знак равно2N-1(N+1-α+О(N2-N/2)),

Перечень ДФА

Следующим шагом является оценка снизу для . Теорема 7 утверждает, что f k ( n ) ≥ f 1 ( n ) n ( k - 1 ) n ∼ n 2еК(N) Для множестваΔ⊂ΣавтоматаMопределим M Δ как ограничениеMнаΔ.

еК(N)≥е1(N)N(К-1)N~N2N-1N(К-1)N,
Δ⊂ΣMMΔMΔ
Доказательство работает путем рассмотрения множества M DFA над алфавитом k- буквы { 0 , 1 , … , k - 1 }, определенным какSК,NMК{0,1,...,К-1}
  1. Пусть будет одним из f 1 ( n ) различных унарных DFA на n состояний, иM{0}е1(N)N
  2. Выбор любой функции h i : Q → Q для 1 ≤К-1чася:Q→Q1≤я<Кδ(Q,я)знак равночася(Q)1≤я<КQ∈Q

Наблюдение тогда состоит в том, что содержит f 1 ( n ) n ( k - 1 ) n разных и минимальных языков.SN,Ке1(N)N(К-1)N

Перечень НФА

Для каждый имеет тривиальную нижнюю оценку 2 n , поскольку любое подмножество ϵ , a , … , a n - 1 может быть принято некоторым NFA с n состояниями. Нижняя граница немного улучшена, но доказательство довольно длинное. В статье Описательная сложность в унарном случае Померанса и др. Показано, что G 1 ( n ) ≤ ( c 1 nграмм1(N)2Nε,a,...,aN-1N
. Предложение 10 показывает, что дляk≥2имеем n2(k-1)n2≤Gk(n)≤(2n-1)2kn2+1. Доказательство довольно короткое, поэтому я включаю его дословно (более или менее). Для верхней границы обратите внимание, что любой NFA можно указать, указав для каждой пары(q,a)грамм1(N)≤(с1Nжурнал⁡N)N
К≥2

N2(К-1)N2≤граммК(N)≤(2N-1)2Кn2+1.
(Q,a)Qδ(Q,a)2КN2{1,...,К}К∈[0 ..N-1]
M=(Q,Σ,δ,q0,F)Σ={0,1,…,k−1}Q={q0,…,qn−1}δ
δ(qi,0)=q(i+1)modnfor 0≤i<nδ(qi,j)=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.
Используя наш сайт, вы подтверждаете, что прочитали и поняли нашу Политику в отношении файлов cookie и Политику конфиденциальности.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.