Теория автоматов
Теория автоматов — раздел дискретной математики, изучающий абстрактные автоматы — вычислительные машины, представленные в виде математических моделей — и задачи, которые они могут решать.
Теория автоматов наиболее тесно связана с теорией алгоритмов: автомат преобразует дискретную информацию по шагам в дискретные моменты времени и формирует результат по шагам заданного алгоритма.
Терминология
Символ — любой атомарный блок данных, который может производить эффект на машину. Чаще всего символ — это буква обычного языка, но может быть, к примеру, графическим элементом диаграммы.
- Слово — строка символов, создаваемая через конкатенацию (соединение).
- Алфавит — конечный набор различных символов (множество символов)
- Язык — множество слов, формируемых символами данного алфавита. Может быть конечным или бесконечным.
- Автомат
- Автомат — последовательность (кортеж) из пяти элементов , где:
- — множество состояний автомата
- — алфавит языка, который понимает автомат
- — функция перехода, такая что
- — начальное состояние
- — множество состояний, называемых «принимающие состояния».
- Слово
- Автомат читает конечную строку символов a1,a2,...., an , где ai ∈ Σ, и называется словом.Набор всех слов записывается как Σ*.
- Принимаемое слово
- Слово w ∈ Σ* принимается автоматом, если qn ∈ F.
Говорят, что язык L читается (принимается) автоматом M, если он состоит из слов w на базе алфавита таких, что если эти слова вводятся в M, по окончанию обработки он приходит в одно из принимающих состояний F:
Обычно автомат переходит из состояния в состояние с помощью функции перехода , читая при этом один символ из ввода. Есть также автоматы, которые могут перейти в новое состояния без чтения символа. Функция перехода без чтения символа называется -переход (эпсилон-переход).
Применение
Практически теория автоматов применяется при разработке лексеров и парсеров для формальных языков (в том числе языков программирования), а также при построении компиляторов и разработке самих языков программирования.
Другое важнейшее применение теории автоматов — математически строгое нахождение разрешимости и сложности задач.
Типовые задачи
- Построение и минимизация автоматов — построение абстрактного автомата из заданного класса, решающего заданную задачу (принимающего заданный язык), возможно, с последующей минимизацией по числу состояний или числу переходов.
- Синтез автоматов — построение системы из заданных «элементарных автоматов», эквивалентную заданному автомату. Такой автомат называется структурным. Применяется, например, при синтезе цифровых электрических схем на заданной элементной базе.
См. также
Литература
- Джон Хопкрофт, Раджив Мотвани, Джеффри Ульман. Введение в теорию автоматов, языков и вычислений = Introduction to Automata Theory, Languages, and Computation. — М.: «Вильямс», 2002. — С. 528. — ISBN 0-201-44124-1.
- Касьянов В. Н. Лекции по теории формальных языков, автоматов и сложности вычислений. — Новосибирск: НГУ, 1995. — C. 112.