形式语言与自动机——第四章 图灵机

文章目录

  • 图灵机
    • 1 定义:
    • 2 动作
    • 3 瞬时描述
    • 4 转移符号
    • 5 图灵机的语言
    • 6 图灵机的变形
      • 6.1 状态中存储
      • 6.2 多道
      • 6.3 半无穷带图灵机
      • 6.4 多带图灵机
      • 6.5 非确定图灵机(NTM)
  • 图灵机构造技术
    • 1 带有存储功能的图灵机
    • 2 多道机
    • 3 核对符(带有核对功能的图灵机)
  • 不可判定性
    • 1 定义

图灵机

1 定义:

形式语言与自动机——第四章 图灵机_第1张图片

2 动作

形式语言与自动机——第四章 图灵机_第2张图片

解释一下:当前状态为q,读头符合为X,现将读头符号从X替换为Y,向左移动一格,状态转换为p。下面来看一个例子:
形式语言与自动机——第四章 图灵机_第3张图片

上面是状态转移图的形式,下面用七元组和状态转移表来等价展示例一:

形式语言与自动机——第四章 图灵机_第4张图片

3 瞬时描述

背景

为了描述图灵机的总体的格局,我们需要先给出瞬时描述的概念和定义。

定义

图灵机虽有无穷长的带, 但经过有限步, 带上非空内容总是有限的.。因此用全部非空符号、当前状态及带头位置,定义图灵机的瞬时描述(ID) 为

X1 X2···Xi−1 q Xi Xi+1···Xn

  1. 图灵机的当前状态 q;
  2. 带头在左起第 i 个非空格符 Xi 上;
  3. X1X2···Xn 是最左到最右非空格内容.

4 转移符号

形式语言与自动机——第四章 图灵机_第5张图片

稍微解释一下(q,Xi) = (p,Y,L),ID初始为X1X2…Xi-1 q Xi… 经过(q,Xi)(p,Y,L)的转移后,将Xi 替换为Y,往左移动一格,且从状态q变为状态p。

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5 图灵机的语言

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图灵机可接收的语言成为递归可接收语言

因此,我们无法判断是因为时间不够还没有算到结尾而不停机,还是说陷入了死循环而不停机。因此我们给出下面的定义。

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一个例子

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6 图灵机的变形

6.1 状态中存储

6.2 多道

6.3 半无穷带图灵机

半无穷带图灵机与图灵机等价

6.4 多带图灵机

图灵机的运行时间
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6.5 非确定图灵机(NTM)

如果L被非确定图灵机接受,那么也可被图灵机接受

图灵机构造技术

其实纯粹的图灵机并不实用,它更多偏向理论指导,接下来我们看几个变形的实用的图灵机

1 带有存储功能的图灵机

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我们来看一个例子:
形式语言与自动机——第四章 图灵机_第12张图片
解释一下,所有的状态从原来的单例q,改为了一个元组[q0, B]。

(1) 表示当前状态是[q0, B],表示纯状态是q0,下一个输入不期望是B,否则不能接受。且如果遇到0,将状态从q0转换为q1,且下一个接受的字符不能是0,用0替换0,向右移动一格。 

(3) 接着,状态来到了[q1, 0],因为遇到的第一个字符是0,所以接下来都不期望遇到0,当遇到1时,用1替换1,继续向右移动一格。

(5) 最后,读头一直遇到1,一直向右移动,现在遇到了一个B,表示结束,进入接受态[q1, B],**至于为什么用0替换B,还要向左移动一格,我就不太明白了**。

2 多道机

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形式语言与自动机——第四章 图灵机_第14张图片
形式语言与自动机——第四章 图灵机_第15张图片

3 核对符(带有核对功能的图灵机)

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不可判定性

1 定义

如果一个问题的语言是递归的,称为可判定问题,否则称为不可判定问题

  • 递归可枚举语言——图灵机所识别的语言
  • 递归语言——保证停机的图灵机所识别的语言
    判定问题:图灵机M接受输入Ω吗?

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