Примеры неразрешимых задач: проблема соответствий Поста

Определение:

Дана упорядоченная пара конечных последовательностей [math](( a_1 , \ldots , a_n ) , ( b_1 , \ldots , b_n ))[/math], где [math]a_i \in \Sigma ^*[/math] и [math]b_i \in \Sigma ^*[/math] для всех [math]i[/math]. Вопрос существования непустой последовательности индексов [math]( i_1 , \ldots , i_k )[/math], удовлетворяющей условию [math]a_{i_1} \ldots a_{i_k} = b_{i_1} \ldots b_{i_k}[/math], где [math] 1 \leq i_j \leq n[/math] для каждого j, называется проблемой соответствий Поста (ПСП).

Теорема:

Проблема соответствий Поста неразрешима.

Определение:

Модифицированной проблемой соответствий Поста (МПСП) называется вопрос существования последовательности индексов [math]( 1 , i_1, \ldots , i_k )[/math], удовлетворяющих условию [math]a_1 a_{i_1} \ldots a_{i_k} = b_1 b_{i_1} \ldots b_{i_k}, [/math] при [math] 1 \leq i_j \leq n[/math] [math]\forall j[/math] для упорядоченной пары конечных последовательностей [math](( a_1 , \ldots , a_n ) , ( b_1 , \ldots , b_n ))[/math], где [math]a_i \in \Sigma ^*[/math] и [math]b_i \in \Sigma ^*[/math] [math]\forall i[/math].

Теорема:

Язык имеющих решение проблем соответствий поста перечислим, но не разрешим.

Доказательство:

[math]\triangleright[/math]

Полуразрешимость: возможно взять по возрастанию все возможные наборы индексов, применить конкатенацию и сравнить полученные строки. При совпадении задача будет решена, иначе - программа зависнет. Докажем неразрешимость: Сначала приведём доказательства для случая, когда [math]i_1 = 1[/math], т.е. для МПСП. Считаем, что Машина Тьюринга ([math]MT[/math]) никогда не приходит в [math]N[/math] - недопуск. [math]MT: (m, \omega)[/math]. Задача [math]m(\omega) = Y[/math] не разрешима. Предположим, что мы умеем решать МПСП. [math]a_1 = \$ \#_s \omega \$[/math], [math]b_1 = \$[/math]. Таким образом выводятся следующие последовательности: [math]\$ A_0 \$ \ldots \$ A_k \$[/math] и [math]\$ A_i \ldots[/math] - мгновенное описание. Если [math]MT[/math] остановится, нужно добиться того, чтобы строка закончилась. Иначе строки будут расти до бесконечности, но никогда не закончатся. [math]\forall c \in \Pi[/math] построим следующую пару [math](a_i=c, b_i = c), (a_i = \$, b = \$)[/math]. [math]b[/math] должно сойтись с соответствующей [math]a[/math] в предыдущем мгновенном описании. Соответственно [math]a_i = d \#_p[/math], [math]b_i = \#_q c[/math] и [math]\delta(q, c) = \langle p, d, \rightarrow \rangle[/math], а также [math]a_i = \#_p a d[/math], [math]b_i a \#_q e[/math] и [math]\delta (a, c) = \langle p, d, \leftarrow \rangle [/math]. Аналогично следует поступить и с переходом на месте, или считаем, что такого не бывает. Как может быть устроен префикс решения МПСП: [math]a[/math]: [math]| \$ | \#_s \omega_1 \$ | d \#_p | w_2 \ldots | \$ | \#_y \$ | \$ |[/math] [math]b[/math]: [math]| \$ | \omega_1 | \omega_2 \ldots | \$ | \#_y \$ \$ |[/math] Требуется добиться остановки. Для этого добавляется далее: [math]a = \#_y[/math], [math]b = \#_y c[/math] или [math]a = \#_y[/math], [math]b = c \#_y[/math] или [math]a = \$[/math], [math]b = \#_y \$ \$[/math] Теперь остаётся избавиться от требования фиксированного первого индекса, т.е. перейти от МПСП к ПСП: Известно: Существует решение МПСП [math]\Rightarrow[/math] существует решение ПСП Не существует решения МПСП [math]\Leftarrow[/math]не существует решения ПСП Необходимо: Не существует решения МПСП [math]\Rightarrow[/math] не существует решения ПСП Возьмём экземпляр задачи МПСП: [math](( a_1 , \ldots , a_n ) , ( b_1 , \ldots , b_n ))[/math]. Вставим между каждой парой символов во всех строках символ [math]*[/math]. [math]i = 1[/math] [math]a_1 = * c_1 * c_2 \ldots c_l *[/math] [math]b_1 = * c_1 * c_2 \ldots c_l[/math] [math]i = 2 \ldots n [/math]: [math]a_i = c_1 c_2 \ldots c_l \rightarrow a_i = c_1 * c_2 * \ldots * c_l *[/math] [math]b_i = c_1 c_2 \ldots c_l \rightarrow b_i = c_1 * c_2 * \ldots * c_l[/math] [math]i = n + 1[/math] [math]a_{n+1} = \$[/math] [math]b_{n+1} = *\$[/math] Теперь необходимо начать с [math](a_1, b_1)[/math], т.к. все остальные пары начинаются с различных символов. Возникающее однозначное соответствие может быть решением этой системы и решением исходной задачи, в которой всё начиналось с пары [math](a_1, b_1)[/math].

[math]\triangleleft[/math]

Литература

• Джон Хопкрофт, Раджив Мотвани, Джеффри Ульман. Введение в теорию автоматов, языков и вычислений.