Минимизация ДКА, алгоритм Хопкрофта (сложность O(n log n))

Пусть дан автомат, распознающий определенный язык. Требуется найти эквивалентный автомат с наименьшим количеством состояний.

Минимизация ДКА

Если в ДКА существуют два эквивалентных состояния, то при их объединении мы получим эквивалентный ДКА, так как распознаваемый язык не изменится. Основная идея минимизации состоит в разбиении множества состояний на классы эквивалентности, полученные классы и будут состояниями минимизированного ДКА.

Простой алгоритм

Определение:

Класс [math]C[/math] разбивает класс [math]R[/math] по символу [math]a[/math] на [math]R_1[/math] и [math]R_2[/math], если [math]\forall r \in R_1 \,\,\, \delta(r, a) \in C[/math] [math]\forall r \in R_2 \,\,\, \delta(r, a) \notin C[/math]

Если класс [math]R[/math] может быть разбит по символу [math]a[/math], то он содержит хотя бы одну пару неэквивалентных состояний (так как существует строка которая их различает). Если класс нельзя разбить, то он состоит из эквивалентных состояний. Поэтому самый простой алгоритм состоит в том, чтобы разбивать классы текущего разбиения до тех пор пока это возможно.

Итеративно строим разбиение множества состояний следующим образом.

1. Первоначальное разбиение множества состояний — класс допускающих состояний [math]F[/math] и класс недопускающих состояний ([math]\mathtt{P} \leftarrow \{ F, \ Q \setminus F \}[/math]).
2. Перебираются символы алфавита [math]c \in \Sigma[/math], все пары [math]\langle F,\ c \rangle[/math] и [math]\langle Q \setminus F, c \rangle[/math] помещаются в очередь.
3. Из очереди извлекается пара [math]\langle C,\ a \rangle[/math], [math]C[/math] далее именуется как сплиттер.
4. Каждый класс [math]R[/math] текущего разбиения разбиваются на 2 подкласса (один из которых может быть пустым). Первый состоит из состояний, которые по символу [math]a[/math] переходят в сплиттер ([math]R_1[/math]), а второй из всех оставшихся ([math]R_2[/math]).
5. Если [math]R[/math] разбился на два непустых подкласса (т.е. [math] R_1 \ne \emptyset \ \land \ R_2 \ne \emptyset [/math]).
   1. В разбиении [math]P[/math] класс [math]R[/math] заменяется на свои подклассы [math]R_1[/math] и [math]R_2[/math].
   2. Перебираются символы алфавита [math]c \in \Sigma[/math], все пары [math]\langle R_1, c \rangle[/math] и [math]\langle R_2, c \rangle[/math] помещаются в очередь.
6. Пока очередь не пуста, выполняем п.3 – п.5.

Псевдокод

• [math]\mathtt{Q}[/math] — множество состояний ДКА,
• [math]\mathtt{F}[/math] — множество терминальных состояний,
• [math]\mathtt{\delta}[/math] — функция перехода ([math]\delta (r,\ a)[/math] — состояние, в которое можно совершить переход из [math]r[/math] по символу [math]a[/math]),
• [math]\mathtt{S}[/math] — очередь пар [math]\langle C,\ a \rangle[/math],
• [math]\mathtt{P}[/math] — разбиение множества состояний ДКА,
• [math]\mathtt{R}[/math] — класс состояний ДКА.

 [math]\mathtt{findEquivalenceClasses}(Q,\ F,\ \delta)[/math]:
   [math]\mathtt{P} \leftarrow \{ F,\ Q \setminus F \}[/math]
   [math]\mathtt{S} \leftarrow \varnothing [/math]
   for [math]c \in \Sigma[/math]
     push [math]\langle F,\ c \rangle[/math], [math]\langle Q \setminus F,\ c \rangle[/math] into [math] \mathtt{S}[/math]
   while [math]\mathtt{S} \ne \varnothing[/math]
     [math]\langle C,\ a \rangle[/math] [math]\leftarrow[/math] pop from [math]\mathtt{S}[/math]
     for [math]R[/math] in [math]\mathtt{P}[/math] 
       [math] R_1, R_2 \leftarrow [/math] [math]\mathtt{split}(R,\ C,\ a)[/math]
       if [math] R_1 \ne \varnothing [/math] and [math] R_2 \ne \varnothing [/math]
        replace [math]R[/math] in [math]\mathtt{P}[/math] with [math]R_1[/math] and [math]R_2[/math]
        for [math]c \in \Sigma[/math]
         insert [math]\langle R_1,\ c \rangle[/math] in [math]\mathtt{S}[/math]
         insert [math]\langle R_2,\ c \rangle[/math] in [math]\mathtt{S}[/math]
   return [math]\mathtt{P}[/math]

Когда очередь [math]S[/math] станет пустой, будет получено разбиение на классы эквивалентности, так как больше ни один класс невозможно разбить.

Время работы

Время работы алгоритма оценивается как [math]O(|\Sigma| \cdot n^2)[/math], где [math] n [/math] — количество состояний ДКА, а [math] \Sigma [/math] — алфавит. Это следует из того, что если пара [math]\langle C,\ a \rangle[/math] попала в очередь, и класс [math]C[/math] использовался в качестве сплиттера, то при последующем разбиении этого класса в очередь добавляется два класса [math]C_1[/math] и [math]C_2[/math], причем можно гарантировать лишь следующее уменьшение размера: [math]|C| \geqslant |C_i| + 1[/math]. Каждое состояние изначально принадлежит лишь одному классу в очереди, поэтому каждый переход в автомате будет просмотрен не более, чем [math]O(n)[/math] раз. Учитывая, что ребер всего [math]O(|\Sigma| \cdot n)[/math], получаем указанную оценку.

Алгоритм Хопкрофта

Рассмотрим алгоритм, позволяющий решить задачу быстрее, чем за [math] O(n^2) [/math].

Лемма:

Класс [math]R = R_1 \cup R_2[/math] и [math]R_1 \cap R_2 = \varnothing[/math], тогда разбиение всех классов (текущее разбиение) по символу [math]a[/math] любыми двумя классами из [math]R, R_1, R_2[/math] эквивалентно разбиению всех классов с помощью [math]R, R_1, R_2[/math] по символу [math]a[/math].

Доказательство:

[math]\triangleright[/math]

Разобьем все классы с помощью [math]R [/math] и [math] R_1[/math] по символу [math]a[/math], тогда для любого класса [math]B[/math] из текущего разбиения выполняется [math]\forall r \in B \,\,\, \delta(r, a) \in R \ \land \ \delta(r, a) \in R_1 \ \lor[/math] [math]\forall r \in B \,\,\, \delta(r, a) \in R \ \land \ \delta(r, a) \notin R_1 \ \lor[/math] [math]\forall r \in B \,\,\, \delta(r, a) \notin R \ \land \ \delta(r, a) \notin R_1[/math] А так как [math]R = R_1 \cup R_2[/math] и [math]R_1 \cap R_2 = \varnothing[/math] то выполняется [math]\forall r \in B \,\,\, \delta(r, a) \in R_2 \ \lor[/math] [math] \forall r \in B \,\,\, \delta(r, a) \notin R_2[/math] Из этого следует, что разбиение всех классов с помощью [math]R_2[/math] никак не повлияет на текущее разбиение. Аналогично доказывается и для разбиения с помощью [math]R [/math] и [math] R_2[/math] по символу [math]a[/math]. Разобьем все классы с помощью [math]R_1[/math] и [math] R_2[/math] по символу [math]a[/math], тогда для любого класса [math]B[/math] из текущего разбиения выполняется [math]\forall r \in B \,\,\, \delta(r, a) \in R_1 \ \land \ \delta(r, a) \notin R_2 \ \lor[/math] [math]\forall r \in B \,\,\, \delta(r, a) \notin R_1 \ \land \ \delta(r, a) \in R_2 \ \lor[/math] [math]\forall r \in B \,\,\, \delta(r, a) \notin R_1 \ \land \ \delta(r, a) \notin R_2[/math] А так как [math]R = R_1 \cup R_2[/math] и [math]R_1 \cap R_2 = \varnothing[/math] то выполняется [math]\forall r \in B \,\,\, \delta(r, a) \in R \ \lor[/math] [math]\forall r \in B \,\,\, \delta(r, a) \notin R[/math] Из этого следует, что разбиение всех классов с помощью [math]R[/math] никак не повлияет на текущее разбиение.

[math]\triangleleft[/math]

Алгоритм Хопкрофта отличается от простого тем, что иначе добавляет пары в очередь. После замены класса [math]R[/math] в разбиении [math]P[/math] на его подклассы [math]R_1[/math] и [math]R_2[/math], как и раньше перебираем символы алфавита [math]c \in \Sigma[/math].

Если пара [math]\langle R,\ c \rangle[/math] уже есть в очереди, то согласно лемме можно просто заменить её на пары [math]\langle R_1, c \rangle[/math] и [math]\langle R_2, c \rangle[/math].

Если пары [math]\langle R,\ c \rangle[/math] нет в очереди, то достаточно добавить любую из пар [math]\langle R_1, c \rangle[/math] и [math]\langle R_2, c \rangle[/math]. Это следует из следующих соображений: [math]R[/math] может быть в разбиении только если в очередь были положены пары [math]\langle R,\ a \rangle[/math] для [math]\forall a \in \Sigma[/math], а поскольку в очереди пары [math]\langle R,\ c \rangle[/math] нет, то мы её уже успели рассмотреть, следовательно классы из разбиения [math]P[/math] уже были разбиты по [math]\langle R,\ c \rangle[/math].

Реализация

[math]\mathtt{pushSetsToQueue}(S,\ R_1,\ R_2)[/math] — функция, которая добавляет пары [math]\langle R_1, \forall c \in \Sigma \rangle[/math], [math]\langle R_2, \forall c \in \Sigma \rangle[/math] в очередь S.

• [math]\mathtt{Q}[/math] — множество состояний ДКА,
• [math]\mathtt{F}[/math] — множество терминальных состояний,
• [math]\mathtt{\delta}[/math] — функция перехода ([math]\delta (r,\ a)[/math] — состояние, в которое можно совершить переход из [math]r[/math] по символу [math]a[/math]),
• [math]\mathtt{S}[/math] — очередь пар [math]\langle C,\ a \rangle[/math],
• [math]\mathtt{P}[/math] — разбиение множества состояний ДКА,
• [math]\mathtt{R}[/math] — класс состояний ДКА.

 [math]\mathtt{findEquivalenceClasses}(Q,\ F,\ \delta)[/math]:
   [math]\mathtt{P} \leftarrow \{ F, \ Q \setminus F \}[/math]
   [math]\mathtt{S} \leftarrow \varnothing [/math]
   for [math]c \in \Sigma[/math]
     push [math]\langle F,\ c \rangle[/math], [math]\langle Q \setminus F,\ c \rangle[/math] into [math] \mathtt{S}[/math]
   while [math]\mathtt{S} \ne \varnothing[/math]
     [math]\langle C,\ a \rangle[/math] [math]\leftarrow[/math] pop from [math]\mathtt{S}[/math]
     for [math]R[/math] in [math]\mathtt{P}[/math] 
       [math] R_1, R_2 \leftarrow [/math] [math]\mathtt{split}(R,\ C,\ a)[/math]
       if [math] R_1 \ne \varnothing [/math] and [math] R_2 \ne \varnothing [/math]
        replace [math]R[/math] in [math]\mathtt{P}[/math] with [math]R_1[/math] and [math]R_2[/math]
        [math]\mathtt{pushSetsToQueue}(S,\ R_1,\ R_2)[/math]
   return [math]\mathtt{P}[/math]

Понятно, что нам нет никакой необходимости просматривать все классы в разбиении. Вполне достаточно рассмотреть лишь те классы, из состояний которых есть хотя бы одно ребро в состояния сплиттера. Обозначим множество таких классов за [math]T'[/math] (его нужно будет эффективно находить для каждой пары [math]\langle C,\ a \rangle[/math]).

 [math]\mathtt{findEquivalenceClasses}(Q,\ F,\ \delta)[/math]:
   [math]\mathtt{P} \leftarrow \{ F, \ Q \setminus F \}[/math]
   [math]\mathtt{S} \leftarrow \varnothing [/math]
   for [math]c \in \Sigma[/math]
     push [math]\langle F,\ c \rangle[/math], [math]\langle Q \setminus F,\ c \rangle[/math] into [math] \mathtt{S}[/math]
   while [math]\mathtt{S} \ne \varnothing[/math]
     [math]\langle C,\ a \rangle[/math] [math]\leftarrow[/math] pop from [math]\mathtt{S}[/math]
     [math]\mathtt{Inverse} \leftarrow \{r \ | \ r \in Q, \ \delta(r, a) \in C\}[/math]
     [math]T' \leftarrow \{R \ | \ R \in \mathtt{P}, \ R \cap \mathtt{Inverse} \neq \varnothing\}[/math]
     for [math]R[/math] in [math]T'[/math] 
       [math] R_1, R_2 \leftarrow [/math] [math]\mathtt{split}(R,\ C,\ a)[/math]
       if [math] R_1 \ne \varnothing [/math] and [math] R_2 \ne \varnothing [/math]
        replace [math]R[/math] in [math]\mathtt{P}[/math] with [math]R_1[/math] and [math]R_2[/math]
        [math]\mathtt{pushSetsToQueue}(S,\ R_1,\ R_2)[/math]
   return [math]\mathtt{P}[/math]

Каждая итерация цикла [math] \mathrm{while} [/math] может быть выполнена за [math] O(|Q| + |\mathtt{Inverse}|) [/math] для текущей пары [math]\langle C,\ a \rangle[/math]. Покажем, как можно достичь этой оценки.

Классы разбиения [math]P[/math] будем поддерживать с помощью множеств на хэш-таблицах (само же разбиение — обычный вектор, индекс — номер класса). Это позволит нам эффективно переносить состояния из одного класса в другой (за [math]O(1)[/math]).

• [math]\mathtt{Class}[r][/math] — номер класса, которому принадлежит состояние [math]r[/math],
• [math]\mathtt{Queue}[/math] — очередь пар [math]\langle C,\ a \rangle[/math], где [math]C[/math] — номер класса (сплиттера),
• [math]\mathtt{Inv}[r][a][/math] — массив состояний, из которых есть ребра по символу [math]a[/math] в состояние [math]r[/math] (мы не меняем исходный автомат, потому может быть построен раз перед началом работы алгоритма),

Для обработки [math]T'[/math] за [math]O(|Q| + |\mathtt{Inverse}|)[/math] нам понадобится следующая структура:

• [math]\mathtt{Involved}[/math] — список из номеров классов, содержащихся во множестве [math]T'[/math],
• [math]\mathtt{Count}[/math] — целочисленный массив, где [math]\mathtt{Count}[i][/math] хранит количество состояний из класса [math]i[/math], которые содержатся в [math]\mathtt{Inverse}[/math],
• [math]\mathtt{Twin}[/math] — массив, хранящий в [math]\mathtt{Twin}[i][/math] номер нового класса, образовавшегося при разбиении класса [math]i[/math].

 [math]\mathtt{findEquivalenceClasses}(Q,\ F,\ \delta)[/math]:
    [math]\mathtt{P} \leftarrow \{ F, \ Q \setminus F \}[/math]
    for [math]c \in \Sigma[/math]
      push [math]\langle F,\ c \rangle[/math], [math]\langle Q \setminus F,\ c \rangle[/math] into [math] \mathtt{Queue}[/math]
    while [math]\mathtt{Queue} \ne \varnothing[/math]
      [math]\langle C,\ a \rangle[/math] [math]\leftarrow[/math] pop from [math]\mathtt{Queue}[/math]
      [math]\mathtt{Involved} \leftarrow \varnothing[/math]
      for [math]q \in C[/math] and [math]r \in \mathtt{Inv}[q][a][/math]
        [math]i = \mathtt{Class}[r][/math]
        if [math]\mathtt{Count}[i] == 0[/math]
          insert [math]i[/math] in [math]\mathtt{Involved}[/math]
        [math]\mathtt{Count}[i]++[/math]
      for [math] i \in \mathtt{Involved}[/math]
        if [math]\mathtt{Count}[i] \lt [/math] size of [math]\mathtt{P}[i][/math]
            insert [math]\{\}[/math] into [math]\mathtt{P}[/math] //Создадим пустой класс в разбиении [math]\mathtt{P}[/math]
            [math]\mathtt{Twin[i]} = [/math] size of [math]\mathtt{P}[/math] //Запишем в [math]\mathtt{Twin[i]}[/math] индекс нового класса
      for [math]q \in C[/math] and [math]r \in \mathtt{Inv}[q][a][/math]
        [math]i = \mathtt{Class}[r][/math]
        if [math]\mathtt{Twin}[i] \neq 0[/math]
           remove [math]r[/math] from [math]\mathtt{P}[i][/math]
           add [math]r[/math] to [math]\mathtt{P}[\mathtt{Twin}[i]][/math]
           [math]\mathtt{Class}[r] = \mathtt{Twin}[i][/math]
      for [math] j \in \mathtt{Involved}[/math]
        if [math] \mathtt{Twin}[j] \neq 0 [/math]
            [math]\mathtt{pushSetsToQueue}(\mathtt{Queue},\ j,\ \mathtt{Twin}[j])[/math]
        [math]\mathtt{Count}[j] = 0[/math]
        [math]\mathtt{Twin}[j] = 0[/math]
    return [math]\mathtt{P}[/math]

Стоит отметить, что массивы [math]\mathtt{Count}, \mathtt{Twin}[/math] аллоцируются ровно один раз при инициализации алгоритма.

Осталось только реализовать [math]\mathtt{pushSetsToQueue}[/math].

 [math]\mathtt{pushSetsToQueue}(\mathtt{Queue},\ R_1,\ R_2)[/math]:
     [math]\mathrm{cnt1}  \leftarrow [/math] size of [math]\mathtt{P}[R_1][/math] 
     [math]\mathrm{cnt2}  \leftarrow [/math] size of [math]\mathtt{P}[R_2][/math]
     if [math] \mathrm{cnt1} \leqslant \mathrm{cnt2} [/math]
        [math]\mathtt{swapClasses}(R_1,\ R_2)[/math]
     for [math]c \in \Sigma[/math]
        push [math]\langle R_2, c \rangle[/math] to [math]\mathtt{Queue}[/math]

 [math]\mathtt{swapClasses}(i,\ j)[/math]:
     [math]\mathtt{swap}(\mathtt{P}[i],\ \mathtt{P}[j])[/math] //Поменять друг с другом содержимое индексов [math]i,\ j[/math] в [math]\mathtt{P}[/math]
     for [math]r[/math] in [math]\mathtt{P}[i][/math]
        [math]\mathtt{Class}[r] = j[/math]
     for [math]r[/math] in [math]\mathtt{P}[j][/math]
        [math]\mathtt{Class}[r] = i[/math]

Стоит пояснить, зачем требуется менять содержимое множеств ([math]\mathtt{swapClasses}(R_1,\ R_2)[/math]). Почему нельзя просто проверить [math] \mathrm{cnt1} \leqslant \mathrm{cnt2} [/math], и на основе этого добавить либо первое, либо второе? Ответ кроется в том, что де-факто мы создаем только один новый класс, старый класс ([math]R_1[/math]) мы только меняем в размерах. Потому если [math]\langle R_1, c \rangle[/math] уже есть в очереди, у нас не остается иного выбора, кроме как добавить [math]\langle R_2, c \rangle[/math]. Однако, может случится, что [math]|R_2| \gt |R_1| [/math], что как раз и может потенциально дать квадратичную ассимптотику (логарифмическая достигается как раз за счет того, что добавляемый в очередь подкласс - меньший).

Причем, стоит отметить, что собственно наличие/отсутствие пары в очереди можно не проверять. Если для некоторого [math]c[/math] пара [math]\langle R_1, c \rangle[/math] уже была в очереди, то мы добавим её "вторую половинку" [math]\langle R_2, c \rangle[/math]. Если её в очереди не было, то мы вольны сами выбирать, какой подкласс добавлять в очередь, и таким образом добавляем опять же [math]\langle R_2, c \rangle[/math].

Время работы

Лемма (1):

Количество классов, созданных во время выполнения алгоритма, не превышает [math]2 |Q| - 1[/math].

Доказательство:

[math]\triangleright[/math]

Представим дерево, которое соответствует операциям разделения классов на подклассы. Корнем этого дерева является все множество состояний [math]Q[/math]. Листьями являются классы эквивалентности, оставшиеся после работы алгоритма. Так как дерево бинарное — каждый класс может породить лишь два новых, а количество листьев не может быть больше [math]|Q|[/math], то количество узлов этого дерева не может быть больше [math]2 |Q| - 1[/math], что доказывает утверждение леммы.

[math]\triangleleft[/math]

Лемма (2):

Количество итераций цикла [math]\mathrm{while}[/math] не превышает [math] 2 |\Sigma| |Q| [/math].

Доказательство:

[math]\triangleright[/math]

Для доказательства этого утверждения достаточно показать, что количество пар [math]\langle C,\ a \rangle[/math] добавленных в очередь [math]S[/math] не превосходит [math] 2 |\Sigma| |Q| [/math], так как на каждой итерации мы извлекаем одну пару из очереди. По лемме(1) количество классов не превосходит [math]2 |Q| - 1[/math]. Пусть [math]C[/math] элемент текущего разбиения. Тогда количество пар [math]\langle C,\ a \rangle[/math], [math]\ a \in \Sigma[/math] не может быть больше [math]|\Sigma|[/math]. Отсюда следует, что всего различных пар, которые можно добавить в очередь, не превосходит [math] 2 |\Sigma| |Q| [/math].

[math]\triangleleft[/math]

Лемма (3):

Пусть [math]a \in \Sigma[/math] и [math]p \in Q[/math]. Тогда количество пар [math]\langle C,\ a \rangle[/math], где [math]p \in C[/math], которые мы удалим из очереди, не превосходит [math]\log_2(|Q|)[/math] для фиксированных [math]a[/math] и [math]p[/math].

Доказательство:

[math]\triangleright[/math]

Рассмотрим пару [math]\langle C,\ a \rangle[/math], где [math]p \in C[/math], которую мы удаляем из очереди. И пусть [math]\langle C',a \rangle[/math] следующая пара, где [math]p \in C'[/math] и которую мы удалим из очереди. Согласно нашему алгоритму класс [math]C'[/math] мог появиться в очереди только после операции [math]\mathtt{replace}[/math]. Но после первого же разбиения класса [math]C[/math] на подклассы мы добавим в очередь пару [math]\langle C'', a \rangle[/math], где [math]C''[/math] меньший из образовавшихся подклассов, то есть [math]|C''| \leqslant |C| \ / \ 2[/math]. Так же заметим, что [math]C' \subseteq C''[/math], а следовательно [math]|C'| \leqslant |C| \ / \ 2[/math]. Но тогда таких пар не может быть больше, чем [math]\log_2(|Q|)[/math].

[math]\triangleleft[/math]

Лемма (4):

[math]\sum |\mathtt{Inverse}|[/math] по всем итерациям цикла [math]\mathrm{while}[/math] не превосходит [math]|\Sigma| |Q| \log_2(|Q|)[/math].

Доказательство:

[math]\triangleright[/math]

Пусть [math]x, y \in Q[/math], [math]a \in \Sigma[/math] и [math] \delta(x, a) = y[/math]. Зафиксируем эту тройку. Заметим, что количество раз, которое [math]x[/math] встречается в [math]\mathtt{Inverse}[/math] при условии, что [math] \delta(x, a) = y[/math], совпадает с числом удаленных из очереди пар [math]\langle C,\ a \rangle[/math], где [math]y \in C[/math]. Но по лемме(3) эта величина не превосходит [math]\log_2(|Q|)[/math]. Просуммировав по всем [math] x \in Q [/math] и по всем [math] a \in \Sigma[/math] мы получим утверждение леммы.

[math]\triangleleft[/math]

Теорема:

Время работы алгоритма Хопкрофта равно [math]O(|\Sigma| |Q| \log(|Q|)[/math].

Доказательство:

[math]\triangleright[/math]

Оценим, сколько времени занимает каждая часть алгоритма: Построение массива [math]\mathtt{Inv}[/math] занимает [math]O(|\Sigma| |Q|)[/math] времени. По второй лемме количество итераций цикла [math]\mathrm{while}[/math] не превосходит [math]O(|\Sigma| |Q|)[/math]. Операции с множеством [math]T'[/math] и разбиение классов на подклассы требуют [math]O(\sum(|\mathtt{Inverse}|))[/math] времени. Но по лемме(4) [math]\sum(|\mathtt{Inverse}|)[/math] не превосходит [math]|\Sigma| |Q| \log_2(|Q|)[/math], то есть данная часть алгоритма выполняется за [math]O(|\Sigma| |Q| \log_2(|Q|))[/math]. В лемме(1) мы показали, что в процессе работы алгоритма не может появится больше, чем [math]2 |Q| - 1[/math] классов, из чего следует, что количество операций [math]\mathtt{replace}[/math] равно [math]O(|\Sigma| |Q|)[/math]. Итого, получается, что время работы алгоритма Хопкрофта не превышает [math] O(|\Sigma| |Q|) + O(|\Sigma| |Q|) + O(|\Sigma| |Q| \log_2(|Q|)) + O(|\Sigma| |Q|) = O(|\Sigma| |Q| \log_2(|Q|))[/math].

[math]\triangleleft[/math]

Альтернативная реализация

Вообще, алгоритм можно реализовать и с меньшим количеством используемых структур (что делает код на порядок читабельнее).

Все классы разбиения будем по-прежнему хранить в векторе хэш-сетов [math]\mathtt{P}[/math].

• [math]\mathtt{Class}[r][/math] — индекс класса в [math]\mathtt{P}[/math], которому принадлежит состояние [math]r[/math],
• [math]\mathtt{Queue}[/math] — очередь из пар [math]\langle C,\ a \rangle[/math],
• [math]\mathtt{Inv}[r][a][/math] — массив состояний, из которых есть ребра по символу [math]a[/math] в состояние [math]r[/math] (мы не меняем исходный автомат, потому может быть построен раз перед началом работы алгоритма),
• [math]\mathtt{Involved}[/math] — ассоциативный массив из номеров классов в векторы из номеров вершин.

 [math]\mathtt{findEquivalenceClasses}(Q,\ F,\ \delta)[/math]:
    [math]\mathtt{P} \leftarrow \{ F, \ Q \setminus F \}[/math]
    for [math]c \in \Sigma[/math]
      insert [math]\langle F,\ c \rangle[/math], [math]\langle Q \setminus F,\ c \rangle[/math] into [math] \mathtt{Queue}[/math]
    while [math]\mathtt{Queue} \ne \varnothing[/math]
      [math]\langle C,\ a \rangle[/math] [math]\leftarrow[/math] take any from [math]\mathtt{Queue}[/math] //Взять любую пару из [math]\mathtt{Queue}[/math], не удаляя (!)
      [math]\mathtt{Involved} = \{\}[/math]
      for [math]q \in C[/math] and [math]r \in \mathtt{Inv}[q][a][/math]
        [math]i = \mathtt{Class}[r][/math]
        if [math]\mathtt{Involved}[i] == \varnothing[/math]
            [math]\mathtt{Involved}[i] = \{\}[/math]
        add [math]r[/math] to [math]\mathtt{Involved}[i][/math]
      for [math] i \in \mathtt{Involved}[/math] //Перебираем ключи [math]\mathtt{Involved}[/math]
        if (size of [math]\mathtt{Involved}[i] \lt [/math] size of [math]\mathtt{P}[i][/math])
            insert [math]\{\}[/math] into [math]\mathtt{P}[/math] //Создадим пустой класс в разбиении [math]\mathtt{P}[/math]
            [math]j = [/math] size of [math]\mathtt{P}[/math] //Запишем в [math]j[/math] индекс нового класса
            for [math]r[/math] in [math]\mathtt{Involved}[i][/math]
               remove [math]r[/math] from [math]\mathtt{P}[i][/math]
               add [math]r[/math] to [math]\mathtt{P}[j][/math]
               [math]\mathtt{Class}[r] = j[/math]
            [math]\mathtt{pushSetsToQueue}(\mathtt{Queue},\ i,\ j)[/math]
      remove [math]\langle C,\ a \rangle[/math] from [math] \mathtt{Queue}[/math]
    return [math]\mathtt{P}[/math]

Сравнение с алгоритмом из оригинальной статьи Хопкрофта

В оригинальной статье использовалась дополнительная структура, которую мы обозначим, как [math]\mathtt{ClassInv}[/math], в [math]\mathtt{ClassInv}[C][a][/math] будем хранить множество состояний, из которых есть ребро по символу [math]a[/math] в состояние [math]C[/math] (аналогично [math]Inv[/math], только для классов).

[math]\mathtt{ClassInv}[C][a] = \{ s\ |\ \mathtt{Class}[s] == C \ \land \ \delta^{-1} (s, a) \neq \emptyset \}[/math]

[math]\mathtt{pushSetsToQueue}[/math] реализуем так:

 [math]\mathtt{pushSetsToQueue}(\mathtt{Queue},\ R_1,\ R_2)[/math]:
     [math]\mathrm{cnt1}  \leftarrow  \mathtt{ClassInv}[R_1][c][/math] 
     [math]\mathrm{cnt2}  \leftarrow  \mathtt{ClassInv}[R_2][c][/math]
     if [math] \mathrm{cnt1} \leqslant \mathrm{cnt2} [/math]
        [math]\mathtt{swapClasses}(R_1,\ R_2)[/math]
     for [math]c \in \Sigma[/math]
        push [math]\langle R_2, c \rangle[/math] to [math]\mathtt{Queue}[/math]

Циклы

  for [math]q \in C[/math] and [math]r \in \mathtt{Inv}[q][a][/math]
     (...)

реализуются так:

  for [math]q \in \mathtt{ClassInv}[C][a][/math] and [math]r \in \mathtt{Inv}[q][a][/math]
     (...)

Тогда время работы внутреннего цикла можно будет оценить как [math]O(|\mathtt{ClassInv}[C][a]| + |\mathtt{Inverse}|)[/math]. А реализация [math]\mathtt{pushSetsToQueue}[/math] выбирает множество, на котором [math]O(|\mathtt{ClassInv}[C][a]|)[/math] будет меньшим.

Кроме того, вместо хэш-таблиц для хранения множеств ([math]\mathtt{ClassInv}[/math], разбиение [math]P[/math]) можно использовать комбинацию из двусвязного списка и вектора (добавление/удаление через список, поиск через вектор). Что и используется в оригинальной статье.

См. также

• Алгоритм Бржозовского

Источники информации

• Хопкрофт Д., Мотвани Р., Ульман Д. Введение в теорию автоматов, языков и вычислений, 2-е изд. : Пер. с англ. — М.: Издательский дом «Вильямс», 2002. — С. 177 — ISBN 5-8459-0261-4 (рус.)
• D. Gries. Describing an algorithm by Hopcroft. Technical Report TR-72-151, Cornell University, December 1972.
• Hang Zhou. Implementation of Hopcroft's Algorithm, 19 December 2009.
• John Hopcroft An O(nlogn) algorithm for minimizing states in a finite automation