Государственная сложность
Сложность состояния - область теоретической информатики. имея дело с размером абстрактных автоматов, например, различные виды конечных автоматов . Классический результат в этой области состоит в том, что имитирующий -состояние недетерминированный конечный автомат детерминированным конечным автоматом требуется именно государства в худшем случае.
Преобразование между вариантами конечных автоматов
[ редактировать ]Конечные автоматы могут быть детерминированный и недетерминированный , в одну сторону (DFA, NFA) и двусторонний (2ДФА, 2НФА). Другие связанные классы: однозначный (УФА), самопроверка (SVFA) и альтернирующие (AFA) конечные автоматы. Эти автоматы могут быть и двусторонними (2УФА, 2СВФА, 2АФА).
Все эти машины могут принимать именно обычные языки . Однако размеры автоматов разных типов необходимо принять тот же язык (измеряется в количестве их состояний) может быть разным. Для любых двух типов конечных автоматов между компромисс между сложностью состояния ними целочисленная функция где – наименьшее число состояний в автоматах второго типа достаточно, чтобы распознавать каждый язык признан -автомат первого типа. Известны следующие результаты.
- NFA в DFA: государства. Это конструкция Рабина , и Скотта подмножества [1] оказался оптимальным Лупановым . [2]
- УФА – ДФА: говорится, см. Люнг , [3] Более ранняя нижняя оценка Шмидта [4] был меньше.
- НФА в УФА: штаты, см. Люнг. [3] Ранее Шмидт предложил меньшую нижнюю оценку. [4]
- SVFA в DFA: штаты, см. Йираскова и Пигиццини. [5]
- 2DFA в DFA: говорится, см. Капуцис . [6] Ранее постройка Шепердсона [7] использовал больше штатов и более раннюю нижнюю границу Мура [8] был меньше.
- 2DFA в NFA: , см. Капуцис. [6] Ранее постройка Биргета [9] использовал больше штатов.
- 2NFA в NFA: , см. Капуцис. [6]
- От AFA до DFA: говорится, см. Чандра , Козен и Стокмейер . [11]
- От АФА до НФА: государства, см. Fellah, Jürgensen and Yu. [12]
- 2AFA в DFA: см. Ладнер , Липтон и Стокмейер . [13]
- 2AFA в NFA: , see Geffert and Okhotin. [14]
Проблема 2DFA против 2NFA и логарифмическое пространство
[ редактировать ]Вопрос о том, можно ли преобразовать все 2NFA в 2DFA, остается открытым. с полиномиальным числом состояний, т.е. существует ли полином такой, что для каждого -состояние 2NFA существует -состояние 2DFA. Проблему подняли Сакода и Сипсер . [15] кто сравнил это с P против NP проблемой в теории сложности вычислений . Берман и Лингас [16] обнаружил формальную связь между этой проблемой и открытая проблема L против NL . Это соотношение было далее развито Капуцисом . [17]
Состояние сложности операций для конечных автоматов
[ редактировать ]Дана бинарная операция, сохраняющая регулярность на языках. и семейство автоматов X (DFA, NFA и т. д.), государственная сложность целочисленная функция такой, что
- для каждого X-автомата A с m-состояниями и X-автомата B с n-состояниями существует -state X-автомат для , и
- для всех целых m, n существует X-автомат A с m состояниями и X-автомат B с n состояниями такие, что каждый X-автомат для должен иметь по крайней мере государства.
Аналогичное определение применимо для операций с любым количеством аргументов.
Первые результаты по состоянию сложности операций для DFA были опубликованы Масловым [18] and by Yu, Zhuang and Salomaa . [19] Хольцер и Кутриб [20] впервые установил государственную сложность операций по NFA. Ниже приведены известные результаты для основных операций.
Союз
[ редактировать ]Если язык требует m состояний и язык требует n состояний, сколько штатов имеет требовать?
- ДФА: states, see Maslov [18] и Ю, Чжуан и Саломаа. [19]
- ДЕЛА: говорится, см. Хольцер и Кутриб. [20]
- УФА: минимум ; [21] между и штаты, см. Йирасек, Йираскова и Шебей. [22]
- СВФА: государства см. Йирасек, Йираскова и Сабари. [23]
- 2DFA: между и states, see Kunc and Okhotin. [24]
- 2НФА: states, see Kunc and Okhotin. [25]
Пересечение
[ редактировать ]Сколько штатов имеет требовать?
- ДФА: states, see Maslov [18] и Ю, Чжуан и Саломаа. [19]
- ДЕЛА: говорится, см. Хольцер и Кутриб. [20]
- УМИРАТЬ: штаты, см. Йирасек, Йираскова и Шебей. [22]
- СВФА: государства см. Йирасек, Йираскова и Сабари. [23]
- 2DFA: между и states, see Kunc and Okhotin. [24]
- 2NFA: между и states, see Kunc and Okhotin. [25]
Дополнение
[ редактировать ]Если язык L требует n состояний тогда сколько штатов требуется для его дополнения ?
- ДФА: состояний путем обмена принимающими и отвергающими состояниями.
- ДЕЛА: говорится, см. Биргет. [26] или Йираскова [27]
- УФА: минимум государства, см. Гёэса, Кифера и Юаня, [21] (это следует за более ранней оценкой Раскина [28] ); и самое большее государства см. Инджев и Кифер. [29]
- СВФА: состояний путем обмена принимающими и отвергающими состояниями.
- 2DFA: как минимум и самое большее штаты, см. Гефферт, Мерегетти и Пигиццини. [30]
Конкатенация
[ редактировать ]Сколько штатов имеет требовать?
- ДФА: states, see Maslov [18] и Ю, Чжуан и Саломаа. [19]
- ДЕЛА: говорится, см. Хольцер и Кутриб. [20]
- УМИРАТЬ: штаты, см. Йирасек, Йираскова и Шебей. [22]
- СВФА: государства см. Йирасек, Йираскова и Сабари. [23]
- 2DFA: как минимум и самое большее государства, см. Йираскова и Охотин. [31]
Клини звезда
[ редактировать ]- ДФА: states, see Maslov [18] и Ю, Чжуан и Саломаа. [19]
- ДЕЛА: говорится, см. Хольцер и Кутриб. [20]
- УМИРАТЬ: штаты, см. Йирасек, Йираскова и Шебей. [22]
- СВФА: государства см. Йирасек, Йираскова и Сабари. [23]
- 2DFA: как минимум и самое большее государства, см. Йираскова и Охотин. [31]
Разворот
[ редактировать ]- ДФА: говорится, см. Миркин, [32] Лейсс, [33] и Ю, Чжуан и Саломаа. [19]
- ДЕЛА: говорится, см. Хольцер и Кутриб. [20]
- УМИРАТЬ: государства.
- СВФА: государства см. Йирасек, Йираскова и Сабари. [23]
- 2DFA: между и государства, см. Йираскова и Охотин. [31]
Конечные автоматы над унарным алфавитом
[ редактировать ]Государственная сложность конечных автоматов с однобуквенным ( унарным ) алфавитом, впервые предложенным Хробаком , [34] отличается от многобуквенного регистра.
Позволять быть функцией Ландау .
Трансформация между моделями
[ редактировать ]Для однобуквенного алфавита преобразования между разными типами конечных автоматов иногда оказываются более эффективными, чем в общем случае.
- NFA в DFA: говорится, см. Хробак. [34]
- 2DFA в DFA: государства, см. Хробака [34] and Kunc and Okhotin. [35]
- 2NFA в DFA: штатах, см. Мерегетти и Пигиццини . [36] и Гефферт , Мерегетти и Пигиццини. [37]
- от NFA до 2DFA: максимум говорится, см. Хробак. [34]
- от 2NFA до 2DFA: максимум состояния, доказанные с помощью метода теоремы Савича , см. Гефферта, Мерегетти и Пигиццини. [37]
- УФА – ДФА: , see Okhotin. [38]
- НФА в УФА: , see Okhotin. [38]
Союз
[ редактировать ]- ДФА: государства см. Ю, Чжуан и Соломон. [19]
- ДЕЛА: говорится, см. Хольцер и Кутриб. [20]
- 2DFA: между и states, see Kunc and Okhotin. [24]
- 2НФА: states, see Kunc and Okhotin. [25]
Пересечение
[ редактировать ]- ДФА: государства см. Ю, Чжуан и Соломон. [19]
- ДЕЛА: говорится, см. Хольцер и Кутриб. [20]
- 2DFA: между и states, see Kunc and Okhotin. [24]
- 2NFA: между и states, see Kunc and Okhotin. [25]
Дополнение
[ редактировать ]- ДФА: государства.
- ДЕЛА: говорится, см. Хольцер и Кутриб. [20]
- УФА: минимум говорится, см. Раскин, [39] и самое большее states, see Okhotin. [38]
- 2DFA: как минимум и самое большее states, see Kunc and Okhotin. [24]
- 2НФА: как минимум и самое большее государства. Верхняя граница достигается путем реализации метода теоремы Иммермана – Селепшени , см. Гефферта, Мерегетти и Пигиццини. [30]
Конкатенация
[ редактировать ]- ДФА: государства см. Ю, Чжуан и Соломон. [19]
- НФА: между и говорится, см. Хольцер и Кутриб. [20]
- 2ДФА: states, see Kunc and Okhotin. [24]
- 2НФА: states, see Kunc and Okhotin. [24]
Клини звезда
[ редактировать ]- ДФА: государства см. Ю, Чжуан и Соломон. [19]
- ДЕЛА: говорится, см. Хольцер и Кутриб. [20]
- УМИРАТЬ: states, see Okhotin. [38]
- 2ДФА: states, see Kunc and Okhotin. [24]
- 2НФА: states, see Kunc and Okhotin. [24]
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]Обследования государственной сложности были написаны Хольцером и Кутрибом [40] [41] и Гао и др. [42]
Новое исследование сложности состояний обычно представляется на ежегодных семинарах по Описательная сложность формальных систем (DCFS), в Конференция по внедрению и применению автоматов (CIAA), и на различных конференциях по теоретической информатике в целом.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Рабин, Миссури; Скотт, Д. (1959). «Конечные автоматы и проблемы их решения». Журнал исследований и разработок IBM . 3 (2): 114–125. дои : 10.1147/рд.32.0114 . ISSN 0018-8646 .
- ^ Лупанов, Олег Борисович (1963). «Сравнение двух типов конечных источников». Проблемы Кибернетики . 9 : 321–326.
- ^ Jump up to: а б Люнг, Хинг (2005). «Описательная сложность НКА различной неоднозначности». Международный журнал основ компьютерных наук . 16 (5): 975–984. дои : 10.1142/S0129054105003418 . ISSN 0129-0541 .
- ^ Jump up to: а б Шмидт, Эрик М. (1978). Краткость описания контекстно-свободных, регулярных и однозначных языков (доктор философии). Корнелльский университет.
- ^ Йираскова, Галина; Пигиццини, Джованни (2011). «Оптимальное моделирование самопроверяющихся автоматов детерминированными автоматами». Информация и вычисления . 209 (3): 528–535. дои : 10.1016/j.ic.2010.11.017 . ISSN 0890-5401 .
- ^ Jump up to: а б с Капуцис, Христос (2005). «Удаление двунаправленности из недетерминированных конечных автоматов». Математические основы информатики 2005 . Конспекты лекций по информатике. Том. 3618. стр. 544–555. дои : 10.1007/11549345_47 . ISBN 978-3-540-28702-5 . ISSN 0302-9743 .
- ^ Шепердсон, Дж. К. (1959). «Сведение двусторонних автоматов к односторонним автоматам». Журнал исследований и разработок IBM . 3 (2): 198–200. дои : 10.1147/рд.32.0198 . ISSN 0018-8646 .
- ^ Мур, Франция (1971). «О границах размера набора состояний в доказательствах эквивалентности детерминированных, недетерминированных и двусторонних конечных автоматов». Транзакции IEEE на компьютерах . С-20 (10): 1211–1214. дои : 10.1109/TC.1971.223108 . ISSN 0018-9340 . S2CID 206618275 .
- ^ Бирже, Жан-Камиль (1993). «Сложность состояний конечных устройств, сжимаемость и несжимаемость состояний». Теория математических систем . 26 (3): 237–269. дои : 10.1007/BF01371727 . ISSN 0025-5661 . S2CID 20375279 .
- ^ Варди, Моше Ю. (1989). «Заметка о приведении двусторонних автоматов к односторонним». Письма об обработке информации . 30 (5): 261–264. CiteSeerX 10.1.1.60.464 . дои : 10.1016/0020-0190(89)90205-6 . ISSN 0020-0190 .
- ^ Чандра, Ашок К.; Козен, Декстер К.; Стокмейер, Ларри Дж. (1981). «Чередование» . Журнал АКМ . 28 (1): 114–133. дои : 10.1145/322234.322243 . ISSN 0004-5411 . S2CID 238863413 .
- ^ Феллах, А.; Юргенсен, Х.; Ю, С. (1990). «Конструкции попеременных конечных автоматов∗». Международный журнал компьютерной математики . 35 (1–4): 117–132. дои : 10.1080/00207169008803893 . ISSN 0020-7160 .
- ^ Ладнер, Ричард Э.; Липтон, Ричард Дж.; Стокмейер, Ларри Дж. (1984). «Попеременные автоматы с выталкиванием и стекированием». SIAM Journal по вычислительной технике . 13 (1): 135–155. дои : 10.1137/0213010 . ISSN 0097-5397 .
- ^ Гефферт, Вильям; Охотин, Александр (2014). Преобразование двусторонних попеременных конечных автоматов в односторонние недетерминированные автоматы . Конспекты лекций по информатике. Том. 8634. стр. 291–302. дои : 10.1007/978-3-662-44522-8_25 . ISBN 978-3-662-44521-1 . ISSN 0302-9743 .
- ^ Сакода, Уильям Дж.; Сипсер, Майкл (1978). «Недетерминизм и размер двусторонних конечных автоматов». Материалы десятого ежегодного симпозиума ACM по теории вычислений - STOC '78 . СТОК 1978. ACM. стр. 275–286. дои : 10.1145/800133.804357 .
- ^ Берман, Петр; Лингас, Анджей (1977). О сложности регулярных языков в терминах конечных автоматов . Том. Отчет 304. Польская академия наук.
- ^ Капуцис, Христос А. (2014). «Двусторонние автоматы против логарифмического пространства». Теория вычислительных систем . 55 (2): 421–447. дои : 10.1007/s00224-013-9465-0 . S2CID 14808151 .
- ^ Jump up to: а б с д и Маслов А.Н. (1970). «Оценки числа состояний конечных автоматов». Советская математика — Доклады . 11 : 1373–1375.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж Ю, Шэн; Чжуан, Цинъюй; Саломаа, Кай (1994). «Состояние сложностей некоторых основных операций на обычных языках». Теоретическая информатика . 125 (2): 315–328. дои : 10.1016/0304-3975(92)00011-F . ISSN 0304-3975 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к Хольцер, Маркус; Кутриб, Мартин (2003). «Недетерминированная описательная сложность регулярных языков» . Международный журнал основ компьютерных наук (представлена рукопись). 14 (6): 1087–1102. дои : 10.1142/S0129054103002199 . ISSN 0129-0541 .
- ^ Jump up to: а б Гёос, Мика; Кифер, Стефан; Юань, Вэйцян (12 февраля 2022 г.). «Нижние границы однозначных автоматов через сложность связи». arXiv : 2109.09155 [ cs.FL ].
- ^ Jump up to: а б с д Йирасек, Йозеф; Йираскова, Галина; Шебей, Юрай (2016). Операции над однозначными конечными автоматами . Конспекты лекций по информатике. Том. 9840. стр. 243–255. дои : 10.1007/978-3-662-53132-7_20 . ISBN 978-3-662-53131-0 . ISSN 0302-9743 .
- ^ Jump up to: а б с д и Йирасек, Йозеф Штефан; Жираскова Галина; Сабари, Александр (2015). Информатика – теория и приложения . Конспекты лекций по информатике. Том. 9139.стр. 231–261. дои : 10.1007/978-3-319-20297-6_16 . ISBN 978-3-319-20296-9 . ISSN 0302-9743 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я Кунц, Михал; Охотин, Александр (2012). «Состояние сложности операций над двусторонними конечными автоматами над унарным алфавитом» . Теоретическая информатика . 449 : 106–118. дои : 10.1016/j.tcs.2012.04.010 . ISSN 0304-3975 .
- ^ Jump up to: а б с д Кунц, Михал; Охотин, Александр (2011). «Состояние сложности объединения и пересечения двусторонних недетерминированных конечных автоматов». Фундамента информатики . 110 (1–4): 231–239. дои : 10.3233/FI-2011-540 .
- ^ Бирже, Жан-Камиль (1993). «Частичный порядок слов, минимальные элементы обычных языков и сложность состояний». Теоретическая информатика . 119 (2): 267–291. дои : 10.1016/0304-3975(93)90160-У . ISSN 0304-3975 .
- ^ Йираскова, Галина (2005). «Укажите сложность некоторых операций на бинарных регулярных языках» . Теоретическая информатика . 330 (2): 287–298. дои : 10.1016/j.tcs.2004.04.011 . , Теорема 5
- ^ Раскин, Михаил (2018). «Суперполиномиальная нижняя граница размера недетерминированного дополнения однозначного автомата» . DROPS-IDN/V2/Document/10.4230/LIPIcs.ICALP.2018.138 . Шлосс-Дагштуль - Центр информатики Лейбница. doi : 10.4230/LIPIcs.ICALP.2018.138 .
- ^ Инджев, Эмиль; Кифер, Стефан (1 августа 2022 г.). «О дополнении однозначных автоматов и графов многими кликами и кокликами» . Письма об обработке информации . 177 : 106270. arXiv : 2105.07470 . дои : 10.1016/j.ipl.2022.106270 . ISSN 0020-0190 . S2CID 234741832 . Проверено 29 мая 2022 г.
- ^ Jump up to: а б Гефферт, Вильям; Мерегетти, Карло; Пигиццини, Джованни (2007). «Дополняющие двусторонние конечные автоматы» . Информация и вычисления . 205 (8): 1173–1187. дои : 10.1016/j.ic.2007.01.008 . ISSN 0890-5401 .
- ^ Jump up to: а б с Йираскова, Галина; Охотин, Александр (2008). О государственной сложности операций над двусторонними конечными автоматами . Конспекты лекций по информатике. Том. 5257. стр. 443–454. дои : 10.1007/978-3-540-85780-8_35 . ISBN 978-3-540-85779-2 . ISSN 0302-9743 .
- ^ Миркин, Борис Георгиевич (1966). «О двойственных автоматах». Кибернетика . 2 :6–9. дои : 10.1007/bf01072247 . S2CID 123186223 .
- ^ Лейсс, Эрнст (1985). «Краткое представление регулярных языков булевыми автоматами II». Теоретическая информатика . 38 : 133–136. дои : 10.1016/0304-3975(85)90215-4 . ISSN 0304-3975 .
- ^ Jump up to: а б с д Хробак, Марек (1986). «Конечные автоматы и унарные языки». Теоретическая информатика . 47 : 149–158. дои : 10.1016/0304-3975(86)90142-8 . ISSN 0304-3975 .
- ^ Кунц, Михал; Охотин, Александр (2011). Развитие теории языка . Конспекты лекций по информатике. Том. 6795. стр. 324–336. CiteSeerX 10.1.1.616.8835 . дои : 10.1007/978-3-642-22321-1_28 . ISBN 978-3-642-22320-4 . ISSN 0302-9743 .
- ^ Мерегетти, Карло; Пигиццини, Джованни (2001). «Оптимальное моделирование унарных автоматов». SIAM Journal по вычислительной технике . 30 (6): 1976–1992. дои : 10.1137/S009753979935431X . hdl : 2434/35121 . ISSN 0097-5397 .
- ^ Jump up to: а б Гефферт, Вильям; Мерегетти, Карло; Пигиццини, Джованни (2003). «Преобразование двусторонних недетерминированных унарных автоматов в более простые автоматы». Теоретическая информатика . 295 (1–3): 189–203. дои : 10.1016/S0304-3975(02)00403-6 . ISSN 0304-3975 .
- ^ Jump up to: а б с д Охотин, Александр (2012). «Однозначные конечные автоматы над унарным алфавитом» . Информация и вычисления . 212 : 15–36. дои : 10.1016/j.ic.2012.01.003 . ISSN 0890-5401 .
- ^ Раскин, Майкл (2018). «Суперполиномиальная нижняя граница размера недетерминированного дополнения однозначного автомата». Учеб. ИКП 2018 . стр. 138:1–138:11. doi : 10.4230/LIPIcs.ICALP.2018.138 .
- ^ Хольцер, Маркус; Кутриб, Мартин (2009). «Недетерминированные конечные автоматы - последние результаты по сложности описания и вычислений». Международный журнал основ компьютерных наук . 20 (4): 563–580. дои : 10.1142/S0129054109006747 . ISSN 0129-0541 .
- ^ Хольцер, Маркус; Кутриб, Мартин (2011). «Описательная и вычислительная сложность конечных автоматов — обзор». Информация и вычисления . 209 (3): 456–470. дои : 10.1016/j.ic.2010.11.013 . ISSN 0890-5401 .
- ^ Гао, Юань; Морейра, Нельма; Рейс, Рожерио; Ю, Шэн (2015). «Обзор сложности оперативного состояния». arXiv : 1509.03254v1 [ cs.FL ].