Лекція 4. Машини Тьюринга.
Питання
Машина з натуральнозначними регістрами (МНР)
Команди МНР бувають 4-х типiв.
Основні форми запису МНР-команд
Приклад 1.
Приклад 2.
Приклад 3.
Теза Тьюринга
Такт роботи машини Тьюринга
Програма для машини Тьюринга
Правила виконання програми
Такт зупинки
Угоди для скорочення запису програми МТ
Приклади на складання програм МТ
Детермінована однострічкова машина Тьюринга.
Детермінована однострічкова машина Тьюринга.
Багатострічкова машини Тьюринга
Часова та ємнісна складність багатострічкової машини Тьюринга
1.70M
Категория: ИнформатикаИнформатика

Машини Тьюринга. Лекція 4

1. Лекція 4. Машини Тьюринга.

2. Питання

1.
2.
3.
Машини з натуральнозначними
регістрами.
Детермінована однострічкова
машина Тьюринга.
Багатострічкова машина Тьюринга.

3. Машина з натуральнозначними регістрами (МНР)

МНР складається із необмеженої послідовності регістрів,
вмістом яких є натуральні числа.
• Регістри нумеруємо натуральними числами, починаючи з 0,
позначаємо їх R0, R1, ..., Rn, ...
• Вмiст регiстру Rn позначаємо rn .
• Послiдовнiсть (r0, r1,..., rn, ...) вмiстiв регiстрiв МНР
називається конфiгурацiєю МНР.
Скiнченний список команд утворює програму МНР.
Команди програми послідовно нумеруємо натуральними
числами, починаючи з 1. Номер команди в програмі
називаються адресою команди.
МНР-програму містить команди, що позначаються I1, I2,..., Ik.
Довжину МНР-програми P позначимо |P|.

4. Команди МНР бувають 4-х типiв.

Тип 1. Обнуління n-го регістру Z(n): rn : 0.
Тип 2. Збільшення вмісту n-го регістру на 1
S(n): rn : rn+1 – інкремент регістру (n=n+1).
Тип 3. Копіювання вмісту регістру T(m, n):
rn : rm (при цьому rm не змінюється).
Тип 4. Умовний перехід J(m, n, q): якщо rn = rm.
Число q в команді J(m, n, q) називається
адресою переходу.

5.

Виконання однієї команди МНР назвемо кроком
МНР.
Результат виконання МНР програми зчитується
з регістра R0 !!!
Обчислення МНР програми завершується,
коли:
1. виконана остання арифметична команда
програми;
2. при виконанні J(m, n, q) виявилось, що rn r m,
але q більше за число команд в програмі;
3. при виконанні J(m, n, q) виявилось, що rn≠r m,
але це була остання команда в програмі.

6.

Якщо МНР-програма P нiколи не зупиняється при
роботi над початковою конфiгурацiєю (a0, a1, ...), це
позначаємо P(a0, a1, ...) , якщо коли-небудь
зупиниться, це позначаємо P(a0, a1,...) .
Якщо МНР-програма P при роботi над початковою
конфiгурацiєю (a0, a1, ...) зупиняється iз фiнальною
конфiгурацiєю (b0, b1, ...), це позначаємо:
P(a0, a1, ...) (b0, b1, ...)
МНР-програма P стандартна, якщо в P для кожної
команди вигляду J(m, n, q) виконується умова
q |P| + 1.

7.


Конкатенацією стандартних МНР-програм P=І1I2...Ik та
Q=I1I2...Im
назвемо
стандартну
МНР-програму
I1...IkIk+1...Ik+m, де команди Ik+1,..., Ik+m є командами
програми Q, у яких кожна команда вигляду J(m, n, q)
замінена командою J(m, n, q + k).
МНР-програми P та Q еквiвалентнi, якщо при роботi
над однаковими початковими конфiгурацiями вони або
обидві зупиняються з однаковими фiнальними
конфiгурацiями, або обидвi не зупиняються.
МНР-програма P обчислює часткову n-арну функцiю
f : Nn→N, якщо
f(a1, a2, ..., aп) = b P(a1, a2, ..., aп) (b, ...).
Функцiя f : Nп→N МНР-обчислювана, якщо iснує МНРпрограма, що обчислює цю функцiю.

8. Основні форми запису МНР-команд

Збільшення вмісту 3-го регістру.
S(3) r3:=r3+1
Обнулення 3-го регістру.
Z(3) r3:=0
Копіювання вмісту першого регістру в
третій.
T(1,3) r3:=r1

9. Приклад 1.

1.
2.
3.
4.
Написати МНР-програму для обчислення функції
f(x,y)=x+y.
x=3, y=2
IF (r2=r1) GOTO 5 №
крок
R
R
R
Опис
r0:=r0+1
у
1
3
2
0
Початкова конфігурація
r2:=r2+1
Перевірка умови (команда
2
3
2
0
умова не виконується.
IF (r0=r0) GOTO 1 3
4
2
0
Виконання команди 2
1.
2.
3.
4.
0
J(2,1,5)
S(0)
S(2)
J(0,0,1)
1
2
4
4
2
1
5
4
2
1
6
4
2
1
7
8
5
5
2
2
1
2
9
5
2
2
10
5
2
2
1),
Виконання команди 3
Перевірка умови (команда 5),
перехід на команду 1
Перевірка умови (команда 1),
умова не виконується.
Виконання команди 2
Виконання команди 3
Перевірка умови (команда 5),
перехід на команду 1
Перевірка умови (команда 1),
умова
виконується.
Значить
повинна виконуватись команда 5,
але такої команди немає, отже,
обчислення завершено. Результат
обчислення знаходиться в регістрі
r0.

10. Приклад 2.

Написати МНР-програму для обчислення
функції f(x,y)=x-y (x=5, y=2).
МНР-програма
Привичний вигляд

крок
у
1
2
1.
2.
3.
4.
5.
J(0,1,5)
S(1)
S(2)
J(0,0,1)
Т(2,0)
1.
2.
3.
4.
5.
IF (r1=r0) GOTO 5
r1:=r1+1
r2:=r2+1
IF (r0=r0) GOTO 1
r0:=r2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
R0
R1
R2
5
5
5
5
5
5
5
5
5
5
5
5
5
5
3
2
2
3
3
3
3
4
4
4
4
5
5
5
5
5
0
0
0
1
1
1
1
2
2
2
2
3
3
3
3

11. Приклад 3.

Написати МНР-програму для обчислення
функції f(x,y)=2*x.
x=3
МНР-програма
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Т(0,1)
J(1,2,6)
S(0)
S(0)
S(2)
J(0,0,2)
Привичний вигляд
1.
2.
3.
4.
5.
6.
r1:=r0
IF (r2=r1) GOTO 7
r0:=r0+1
r0:=r0+1
r2:=r2+1
IF (r0=r0) GOTO 2

кроку
R0
R1
R2
1
3
0
0
2
0
3
1
3
0
4
2
3
0
5
2
3
1
6
3
3
1
7
4
3
1
8
4
3
2
9
5
3
2
10
6
3
2
11
6
3
3
3
0

12.

Приклад 4. МНР-програма для обчислення
максимального елемента з двох заданих.
f(x, y)=max(x, y):
1. J(0,2,5)
2. J(1,2,6)
3. S(2)
4. J(0,0,1)
5. Т(1,0)
Приклад 5. МНР-програма для функції f(x)=x/2.
1. J(0,2,6)
2. S(2)
3. S(2)
4. S(1)
5. J(0,0,1)
6. Т(1,0)

13.

Машина Тьюринга
Математик
Інформатик
Логік
Криптолог
1936 р.

14. Теза Тьюринга

Будь-який алгоритм може бути реалізований у
машині Тьюрінга.
Машина Тьюринга (МТ) складається з двох
частин – стрічка і автомат.
стрічка
автомат

15.

Пару з видимого символу (S) та поточного стану
автомата (q) будемо називати конфігурацією
(S, Q).
Автомат може виконувати три елементарні дії:
1) записувати у видиму комірку новий символ
(змінювати вміст інших комірок автомат не
може);
2) здвигатися на одну комірку вліво або
вправо;
3) переходи в новий стан.

16.

Машиною Тьюринга називають упорядковану шістку
{A, Q, a0, q0, q1, P}, яка задовольняє таким умовам:
1. Множини A і Q скінчені, не перетинаються і не
містять символів →, L, R;
2. a0∈А, q0∈Q, q1∈Q. При цьому a0 називається
символом порожньої комірки, q1 – початковий стан
машини, q0 – стан, у якому машина зупиняється;
3. Р – програма із зовнішнім алфавітом А і внутрішнім
алфавітом Q, причому:
програма не містить двох різних команд з
однаковими лівими частинами;
будь-яка з команд не починається символом q0.

17. Такт роботи машини Тьюринга

Такт роботи машини Тьюринга
На кожному такті МТ виконує три дії:
1. записує деякий символ S у видиму комірку;
2. здвигатися на одну комірку вліво (L), або на одну
комірку вправо (R), або залишається нерухомим
(N).
3. переходить в деякий стан q (зокрема, може
залишатися в попередньому стані).
Формально дії одного такту буде записувати в
трійку:
S , [ L, R, N ], q
Запис
такту
командою МТ.
для
конфігурації
називають

18. Програма для машини Тьюринга

19. Правила виконання програми

МТ в початковій конфігурації, що визначена
наступним чином:
1. на стрічку записано вхідне слово (в середині без
пустих комірок, справа та зліва від слова порожні
комірки);
2. автомат встановлений у стані q1 та розміщений
під його першим (самим лівим) символом
вхідного слова;
3. виконання команд програми.

20. Такт зупинки

Такт зупинки - це такт, що нічого не змінює: автомат записує
у видиму комірку той же символ, що і був в ній раніше, не
здвигається і залишається у попередньому стані, тобто це
такт S,N,q для конфігурації (S, q).
Виходи МТ над вхідним словом:
1) Перший вихід – «хороший»: це коли в якийсь момент МТ
зупиняється (попадає на такт зупинки). В такому випадку
говорять, що МТ застосовна до заданого вхідного
слова. Це слово, що до цього моменту отримано на стрічці,
вважається вихідним словом, тобто результатом роботи
МТ.
2) Другий вихід – «поганий»: це коли МТ зациклюється,
ніколи не попадає на такт зупинки (наприклад, автомат на
кожний крок здвигається вправо і тому не може
зупинитися,
тому
що
стрічка
нескінчена).
У
цьому випадку говорять, що МТ не застосовується до
заданого вхідного слова. Ні про якийсь результат при
такому виході не може й бути мови.

21. Угоди для скорочення запису програми МТ

При конфігурації (a , q1)
а, R, q3 = , R, q3 (але ні Λ, R, q3 !!)
b, N, q2 = b, , q2
a, L, q1 = , L,
a, N, q1 = , , (це такт зупинки)
b. такт b, L , ! - запис символу b у видиму комірку
стрічки, здвиг вліво та зупинка
c.
a)

22. Приклади на складання програм МТ

Приклад 6.
Переміщення автомата, заміна символів.
А= {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}.
Нехай Р - непусте слово; значить, Р – це послідовність десяткових цифр,
тобто запис невід’ємного цілого числа в десятковій системі. Потрібно
отримати на стрічці запис числа, яке на 1 більше числа Р.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Λ
q1
,R,
,R,
,R,
,R,
,R,
,R,
,R,
,R,
,R,
,R,
,L,q2
q2
1, ,!
2, ,!
3, ,!
4, ,!
5, ,!
6, ,!
7, ,!
8, ,!
9, ,!
0,L,
1, ,!
коментар
під
останню
цифру
видима
цифра+1

23.

Приклад 7.
Аналіз символів.
А={a,b,c}
Перенести перший символ непустого слова Р в його
кінець.
a
b
c
Λ
q1
Λ,R,q2
Λ,R,q3
Λ,R,q4
,R,
аналіз 1-го
розгалуження
q2
q3
q4
,R,
,R,
,R,
,R,
,R,
,R,
,R,
,R,
,R,
a, ,!
b, ,!
c, ,!
запис а справа
запис b справа
запис c справа
коментар
символу, видалення
його,

24.

Приклад 8.
Видалення символу зі слова.
А = {a , b}.
Видалити зі слова Р його другий символ, якщо такий є.
a
b
Λ
коментар
q1
Λ,R,q2
Λ,R,q3
, ,!
аналіз та видалення 1-го символу,
розгалуження
q2
, ,!
а, ,!
a, ,!
заміна 2-го символу на а
q3
b, ,!
, ,!
b, ,!
заміна 2-го символу на запис b

25.

Приклад 9.
Вставка символу в слово
А = {a, b, c}
Якщо Р – не порожнє слово, то за його першим
символом вставити символ a.
a
b
c
Λ
коментар
q1
,L,q2
,L,q3
,L,q4
, ,!
аналіз 1-го символу для переносу його
вліво
q2
a,R,q5
запис а зліва
q3
b,R,q5
запис b зліва
q4
c,R,q5
запис c зліва
q5
, ,!
a, ,!
a, ,!
Замінити попередній 1-й символ на а

26. Детермінована однострічкова машина Тьюринга.

Алфавітом називається довільна не порожня злічена
множина.
Зазвичай розглядають кінцеві алфавіти.
Елементи алфавіту називаються символами або
буквами.
Словом в алфавіті A називається кінцева послідовність
літер з цього алфавіту.
Кількість букв в слові x називається довжиною слова і
позначається |x|.
A* = множина всіх слів над алфавітом A.
Ak = множина всіх слів довжини k.

27. Детермінована однострічкова машина Тьюринга.

Детермінована однострічкова машина Тьюринга (ДМТ)
– це четвірка M = (Q, A,S, Π), де:
A – «стрічковий» алфавіт (містить спеціально виділений
символ ∧ - «пробіл»),
Q = {q0, q1, ..., qm} – алфавіт станів,
S = {- 1, 0, +1} – алфавіт здвигів,
Π – програма, що представляє собою відображення Q × A
→ Q × A × S.
Часова та ємнісна складність МТ:
TМ(x) – кількість кроків, зроблених машиною M при
обробці входу x,
SМ(x) – кількість комірок на стрічці, на яких побував
автомат машини M при обробці входу x.

28.

Багатострічкова машини Тьюринга

29. Багатострічкова машини Тьюринга

Нехай k – ціле число, k ≥ 1, k-стрічкова машина
Тьюринга – це п'ятірка M = (k, A, Q,
S, Π), де Π: Q × Ak →Q × (A × S)k.
Черговий крок багатострічкової МТ визначається
символами, розташованими в поточних комірках на
всіх стрічках, тобто набором (q,a1, ..., ak)∈Q × Ak. З
цього
набору
визначаються
дії,
що
виконуються: (q', b1, s1, ..., bk, sk) ∈ Q × (A × S)k.

30. Часова та ємнісна складність багатострічкової машини Тьюринга

Часова
складність
багатострічкової
машини
визначається точно так же, як і для однострічковій.
У визначенні ємнісної складності є невелика зміна:
ємнісна складність k - стрічкової МТ M на
вході x SМ(x) визначається як максимум кількості
комірок, на яких при обробці входу x побували головки
машини M на всіх стрічках.
ТЕОРЕМА. Для будь-якої машини Тьюринга
виконується нерівність S (n) ≤ T (n), тобто ємнісна
складність не перевищує часову.
English     Русский Правила