Сложность состояния - Википедия - State complexity

Сложность состояния это область теоретическая информатика имея дело с размером абстрактных автоматов, таких как различные виды конечные автоматы Классический результат в этой области - это имитация -государственныйнедетерминированный конечный автомат детерминированный конечный автомат требует ровно состояния в худшем случае.

Преобразование между вариантами конечных автоматов

Конечные автоматы могут бытьдетерминированный инедетерминированный, в одну сторону (DFA, NFA) и двусторонний (2DFA, 2NFA) .Другие родственные классыоднозначный (УФА),самопроверяющийся (SVFA) и чередование (AFA) конечные автоматы. Эти автоматы также могут быть двусторонними (2UFA, 2SVFA, 2AFA).

Все эти машины могут принять именно обычные языки Однако размер различных типов автоматов, необходимых для восприятия одного и того же языка (измеряемый числом их состояний), может быть различным. Для любых двух типов конечных автоматов величина компромисс сложности состояния между ними - целочисленная функция куда - наименьшее количество состояний в автоматах второго типа, достаточное для распознавания каждого языка, распознаваемого -состояние первого типа. Известны следующие результаты.

  • UFA в DFA: государства, см. Leung,[3] Ранняя нижняя оценка Шмидта[4] был меньше.
  • НФА в УФА: состояния, см. Leung.[3] Шмидт ранее использовал меньшую нижнюю границу.[4]
  • SVFA в DFA: заявляет, см. Jirásková и Пигиццини[5]
  • 2DFA в DFA: государства, см. Капуцис.[6] Ранее строительство Шепердсон[7] использовали больше состояний, а более раннюю нижнюю границу Мура[8] был меньше.
  • 2DFA в NFA: , см. Капуцис.[6] Ранее строительство Биргет [9] использовал больше состояний.
  • 2NFA в NFA: , см. Капуцис.[6]
    • 2NFA в NFA, принимая дополнение: государства, см. Варди.[10]
  • AFA в DFA: государства, см. Чандра, Козен и Stockmeyer.[11]
  • AFA в NFA: заявляет, см. Fellah, Jürgensen and Yu.[12]
  • 2AFA в DFA: , видеть Ladner, Lipton и Stockmeyer.[13]
  • 2AFA в NFA: , видеть Гефферт и Охотин.[14]

Проблема 2DFA против 2NFA и логарифмическое пространство

Вопрос, Web Fundamentals.svgНерешенная проблема в информатике:
Каждый -состояние 2NFA имеет эквивалент -состояние 2DFA?
(больше нерешенных проблем в информатике)

Остается открытым вопрос, можно ли все 2NFA преобразовать в 2DFA с полиномиальным числом состояний, т.е. существует ли многочлен так что для каждого -состояние 2NFA существует -state 2DFA. Проблема была поднята Сакода и Sipser,[15]кто сравнил это с P против NP проблема в теория сложности вычислений.Berman и Лингас[16] обнаружил формальную связь между этой проблемой и L против. NL открытая проблема. Капуцис.[17]

Состояние сложности операций для конечных автоматов

Учитывая двоичную операцию сохранения регулярности на языках и семейства автоматов X (DFA, NFA и др.), сложность состояний целочисленная функция такой, что

  • для каждого X-автомата A с m состояниями и X-автомата B с n состояниями существует -состояние X-автомата для , и
  • для всех целых m, n существует X-автомат A с m состояниями и X-автомат B с n состояниями такие, что любой X-автомат для должен иметь как минимум состояния.

Аналогичное определение применяется для операций с любым количеством аргументов.

Первые результаты о сложности операций для ДКА опубликовал Маслов.[18]и Ю, Чжуан и Саломаа.[19]Хольцер и Кутриб[20]впервые исследовал сложность состояний операций над NFA. Известные результаты для основных операций перечислены ниже.

Союз

Если язык требует m состояний и языка требуется n состояний, сколько состояний требует?

  • DFA: заявляет, см. Маслов[18] и Ю, Чжуан и Саломаа.[19]
  • NFA: состояния, см. Хольцер и Кутриб.[20]
  • УФА: между и говорится, что см. Йирасек, Йираскова и Шебей.[21]
  • SVFA: государства, см. Йирасек, Йираскова и Сабари.[22]
  • 2DFA: между и заявляет, см. Кунч и Охотин.[23]
  • 2NFA: заявляет, см. Кунч и Охотин.[24]

Пересечение

Сколько штатов требует?

  • DFA: заявляет, см. Маслов[18] и Ю, Чжуан и Саломаа.[19]
  • NFA: состояния, см. Хольцер и Кутриб.[20]
  • УФА: говорится, что см. Йирасек, Йираскова и Шебей.[21]
  • SVFA: государства, см. Йирасек, Йираскова и Сабари.[22]
  • 2DFA: между и заявляет, см. Кунч и Охотин.[23]
  • 2NFA: между и заявляет, см. Кунч и Охотин.[24]

Дополнение

Если язык L требует n состояний, то сколько состояний его дополнять требует?

  • DFA: состояний путем обмена состояниями принятия и отклонения.
  • NFA: состояния, см. Биргет.[25]
  • УФА: минимум и самое большее заявляет, см. Охотин[26] для нижней границы и Йирасек, Йираскова и Шебей[21] для верхней границы. Раскин[27] недавно доказал суперполиномиальную нижнюю оценку.
  • SVFA: состояний путем обмена состояниями принятия и отклонения.
  • 2DFA: не менее и самое большее государства, см. Geffert, Mereghetti и Pighizzini.[28]

Конкатенация

Сколько штатов требует?

  • DFA: заявляет, см. Маслов [18] и Ю, Чжуан и Саломаа.[19]
  • NFA: состояния, см. Хольцер и Кутриб.[20]
  • УФА: говорится, что см. Йирасек, Йираскова и Шебей.[21]
  • SVFA: государства, см. Йирасек, Йираскова и Сабари.[22]
  • 2DFA: не менее и самое большее заявляет, см. Жираскова и Охотин.[29]

Клини звезда

  • DFA: заявляет, см. Маслов[18] и Ю, Чжуан и Саломаа.[19]
  • NFA: состояния, см. Хольцер и Кутриб.[20]
  • УФА: государства, см. Йирасек, Йираскова и Шебей.[21]
  • SVFA: государства, см. Йирасек, Йираскова и Сабари.[22]
  • 2DFA: не менее и самое большее заявляет, см. Жираскова и Охотин.[29]

Разворот

  • DFA: заявляет, см. Миркин,[30] Лейсс,[31] и Ю, Чжуан и Саломаа.[19]
  • NFA: состояния, см. Хольцер и Кутриб.[20]
  • УФА: состояния.
  • SVFA: государства, см. Йирасек, Йираскова и Сабари.[22]
  • 2DFA: между и заявляет, см. Жираскова и Охотин.[29]

Конечные автоматы над унарным алфавитом

Сложность состояний конечных автоматов с одной буквой (унарный) алфавит, изобретенный Чробак,[32] отличается от многобуквенного регистра.

Позволять быть Функция Ландау.

Преобразование между моделями

Для однобуквенного алфавита преобразования между разными типами конечных автоматов иногда более эффективны, чем в общем случае.

  • NFA в DFA: состояния, см. Хробак.[32]
  • 2DFA в DFA: государства, см. Хробак[32] и Кунч и Охотин.[33]
  • 2NFA в DFA: государства, см. Мегетти и Пигиццини.[34] и Гефферт, Мегетти и Пигиццини.[35]
  • NFA в 2DFA: не более состояния, см. Хробак.[32]
  • 2NFA в 2DFA: не более состояний, доказанных реализацией метода Теорема савича см. Гефферт, Мегетти и Пигиццини.[35]
  • UFA в DFA: , см. Охотин.[26]
  • НФА в УФА: , см. Охотин.[26]

Союз

  • DFA: государства, см. Ю, Чжуан и Саломаа.[19]
  • NFA: состояния, см. Хольцер и Кутриб.[20]
  • 2DFA: между и заявляет, см. Кунч и Охотин.[23]
  • 2NFA: заявляет, см. Кунч и Охотин.[24]

Пересечение

  • DFA: государства, см. Ю, Чжуан и Саломаа.[19]
  • NFA: состояния, см. Хольцер и Кутриб.[20]
  • 2DFA: между и заявляет, см. Кунч и Охотин.[23]
  • 2NFA: между и заявляет, см. Кунч и Охотин.[24]

Дополнение

  • DFA: состояния.
  • NFA: государства, Хольцер и Кутриб.[20]
  • УФА: минимум и самое большее говорится, см. Охотин.[26]
  • 2DFA: не менее и самое большее заявляет, см. Кунч и Охотин.[23]
  • 2NFA: не менее и самое большее состояния. Верхняя граница осуществляется путем реализации метода Теорема Иммермана – Селепсеньи см. Гефферт, Мегетти и Пигиццини.[28]

Конкатенация

  • DFA: государства, см. Ю, Чжуан и Саломаа.[19]
  • NFA: между и состояния, см. Хольцер и Кутриб.[20]
  • 2DFA: заявляет, см. Кунч и Охотин.[23]
  • 2NFA: заявляет, см. Кунч и Охотин.[23]

Клини звезда

  • DFA: государства, см. Ю, Чжуан и Саломаа.[19]
  • NFA: состояния, см. Хольцер и Кутриб.[20]
  • УФА: говорится, см. Охотин.[26]
  • 2DFA: заявляет, см. Кунч и Охотин.[23]
  • 2NFA: состояния, см. Кунч и Охотин.[23]

дальнейшее чтение

Обзоры государственной сложности написали Хольцер и Кутриб.[36][37]и Gao et al.[38]

Новые исследования сложности состояний обычно представляются на ежегодных семинарах поОписание сложности формальных систем (DCFS), в Конференция по внедрению и применению автоматов (CIAA) и на различных конференциях по теоретическая информатика в целом.

Рекомендации

  1. ^ Рабин, М. О .; Скотт, Д. (1959). «Конечные автоматы и проблемы их решения». Журнал исследований и разработок IBM. 3 (2): 114–125. Дои:10.1147 / rd.32.0114. ISSN  0018-8646.
  2. ^ Лупанов, Олег Б. (1963). «Сравнение двух типов конечных источников». Проблемы Кибернетики. 9: 321–326.
  3. ^ а б Люнг, Хинг (2005). «Описательная сложность NFA разной неоднозначности». Международный журнал основ информатики. 16 (5): 975–984. Дои:10.1142 / S0129054105003418. ISSN  0129-0541.
  4. ^ а б Шмидт, Эрик М. (1978). Краткость описания контекстно-свободных, регулярных и однозначных языков (Кандидат наук.). Корнелл Университет.
  5. ^ 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.
  6. ^ а б c Капуцис, Христос (2005). «Удаление двунаправленности из недетерминированных конечных автоматов». Математические основы компьютерных наук 2005. Конспект лекций по информатике. 3618. С. 544–555. Дои:10.1007/11549345_47. ISBN  978-3-540-28702-5. ISSN  0302-9743.
  7. ^ Шепердсон, Дж. К. (1959). «Сведение двусторонних автоматов к односторонним». Журнал исследований и разработок IBM. 3 (2): 198–200. Дои:10.1147 / rd.32.0198. ISSN  0018-8646.
  8. ^ Мур, Ф. (1971). «На границах для размера набора состояний в доказательствах эквивалентности между детерминированными, недетерминированными и двусторонними конечными автоматами». Транзакции IEEE на компьютерах. С-20 (10): 1211–1214. Дои:10.1109 / T-C.1971.223108. ISSN  0018-9340.
  9. ^ Бирже, Жан-Камиль (1993). «Сложность состояний конечных устройств, сжимаемость и несжимаемость состояний». Математическая теория систем. 26 (3): 237–269. Дои:10.1007 / BF01371727. ISSN  0025-5661.
  10. ^ Варди, Моше Ю. (1989). «Замечание о сведении 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.
  11. ^ Chandra, Ashok K .; Kozen, Dexter C .; Стокмейер, Ларри Дж. (1981). «Чередование». Журнал ACM. 28 (1): 114–133. Дои:10.1145/322234.322243. ISSN  0004-5411.
  12. ^ Fellah, A .; Jürgensen, H .; Ю. С. (1990). «Конструкции для знакопеременных конечных автоматов ∗». Международный журнал компьютерной математики. 35 (1–4): 117–132. Дои:10.1080/00207169008803893. ISSN  0020-7160.
  13. ^ Ladner, Ричард Э .; Липтон, Ричард Дж .; Стокмейер, Ларри Дж. (1984). «Чередование автоматов выталкивания и стека». SIAM Журнал по вычислениям. 13 (1): 135–155. Дои:10.1137/0213010. ISSN  0097-5397.
  14. ^ Гефферт, Вильям; Охотин, Александр (2014). Преобразование двусторонних чередующихся конечных автоматов в односторонние недетерминированные автоматы. Конспект лекций по информатике. 8634. С. 291–302. Дои:10.1007/978-3-662-44522-8_25. ISBN  978-3-662-44521-1. ISSN  0302-9743.
  15. ^ Сакода, Уильям Дж .; Сипсер, Майкл (1978). Недетерминизм и размер двусторонних конечных автоматов. STOC 1978. ACM. С. 275–286. Дои:10.1145/800133.804357.
  16. ^ Берман, Петр; Лингас, Анджей (1977). О сложности регулярных языков в терминах конечных автоматов. Отчет 304. Польская академия наук.
  17. ^ Капуцис, Христос А. (2014). «Двусторонние автоматы против логарифмического пространства». Теория вычислительных систем. 55 (2): 421–447. Дои:10.1007 / s00224-013-9465-0.
  18. ^ а б c d е Маслов, А. Н. (1970). «Оценки числа состояний конечных автоматов». Советская математика - Доклады. 11: 1373–1375.
  19. ^ а б c d е ж грамм час я j Ю, Шэн; Чжуан, Цинъюй; Саломаа, Кай (1994). «Состояние сложности некоторых основных операций на регулярных языках». Теоретическая информатика. 125 (2): 315–328. Дои:10.1016 / 0304-3975 (92) 00011-Ф. ISSN  0304-3975.
  20. ^ а б c d е ж грамм час я j k Хольцер, Маркус; Кутриб, Мартин (2003). «Недетерминированная описательная сложность регулярных языков». Международный журнал основ информатики (Представлена ​​рукопись). 14 (6): 1087–1102. Дои:10.1142 / S0129054103002199. ISSN  0129-0541.
  21. ^ а б c d е Йирасек, Йозеф; Йираскова, Галина; Шебей, Юрай (2016). Операции над однозначными конечными автоматами. Конспект лекций по информатике. 9840. С. 243–255. Дои:10.1007/978-3-662-53132-7_20. ISBN  978-3-662-53131-0. ISSN  0302-9743.
  22. ^ а б c d е Йирасек, Йозеф Штефан; Йираскова, Галина; Сабари, Александр (2015). Компьютерные науки - теория и приложения. Конспект лекций по информатике. 9139. С. 231–261. Дои:10.1007/978-3-319-20297-6_16. ISBN  978-3-319-20296-9. ISSN  0302-9743.
  23. ^ а б c d е ж грамм час я Кунч, Михал; Охотин, Александр (2012). «Сложность состояний операций над двусторонними конечными автоматами над унарным алфавитом». Теоретическая информатика. 449: 106–118. Дои:10.1016 / j.tcs.2012.04.010. ISSN  0304-3975.
  24. ^ а б c d Кунч, Михал; Охотин, Александр (2011). "Сложность состояний объединения и пересечения для двусторонних недетерминированных конечных автоматов". Fundamenta Informaticae. 110 (1–4): 231–239. Дои:10.3233 / FI-2011-540.
  25. ^ Бирже, Жан-Камиль (1993). «Частичные порядки слов, минимальные элементы регулярных языков и сложность состояний». Теоретическая информатика. 119 (2): 267–291. Дои:10.1016 / 0304-3975 (93) 90160-У. ISSN  0304-3975.
  26. ^ а б c d е 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.
  27. ^ Раскин, Михаил (2018). «Суперполиномиальная нижняя оценка размера недетерминированного дополнения однозначного автомата». Proc. ИКАЛП 2018. С. 138: 1–138: 11. Дои:10.4230 / LIPIcs.ICALP.2018.138.
  28. ^ а б Гефферт, Вильям; Мегетти, 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.
  29. ^ а б c Йираскова, Галина; Охотин, Александр (2008). О сложности состояний операций над двусторонними конечными автоматами. Конспект лекций по информатике. 5257. С. 443–454. Дои:10.1007/978-3-540-85780-8_35. ISBN  978-3-540-85779-2. ISSN  0302-9743.
  30. ^ Миркин, Борис Г. (1966). «О дуальных автоматах». Кибернетика. 2: 6–9. Дои:10.1007 / bf01072247.
  31. ^ Лейсс, Эрнст (1985). «Краткое представление регулярных языков логическими автоматами II». Теоретическая информатика. 38: 133–136. Дои:10.1016/0304-3975(85)90215-4. ISSN  0304-3975.
  32. ^ а б c d Чробак, Марек (1986). «Конечные автоматы и унарные языки». Теоретическая информатика. 47: 149–158. Дои:10.1016/0304-3975(86)90142-8. ISSN  0304-3975.
  33. ^ Кунч, Михал; Охотин, Александр (2011). Развитие теории языка. Конспект лекций по информатике. 6795. С. 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.
  34. ^ Мегетти, Карло; Пигиццини, Джованни (2001). «Оптимальное моделирование между унарными автоматами». SIAM Журнал по вычислениям. 30 (6): 1976–1992. Дои:10.1137 / S009753979935431X. ISSN  0097-5397.
  35. ^ а б Гефферт, Вильям; Мегетти, 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.
  36. ^ Хольцер, Маркус; Кутриб, Мартин (2009). «Недетерминированные конечные автоматы - последние результаты по описательной и вычислительной сложности». Международный журнал основ информатики. 20 (4): 563–580. Дои:10.1142 / S0129054109006747. ISSN  0129-0541.
  37. ^ Хольцер, Маркус; Кутриб, Мартин (2011). «Описание и вычислительная сложность конечных автоматов. Обзор». Информация и вычисления. 209 (3): 456–470. Дои:10.1016 / j.ic.2010.11.013. ISSN  0890-5401.
  38. ^ Гао, Юань; Морейра, Нельма; Рейс, Роджерио; Ю, Шэн (2015). «Обзор сложности эксплуатационного состояния». arXiv:1509.03254v1 [cs.FL ].