|
|
| Строка 1: |
Строка 1: |
| | '''Лемма о разрастании'''<ref>Лемму также часто называют ''леммой о накачке''.</ref>(Pumping lemma) — лемма, позволяющая во многих случаях проверить, является ли данный язык [[Регулярные языки: два определения и их эквивалентность|регулярным]]. | | '''Лемма о разрастании'''<ref>Лемму также часто называют ''леммой о накачке''.</ref>(Pumping lemma) — лемма, позволяющая во многих случаях проверить, является ли данный язык [[Регулярные языки: два определения и их эквивалентность|регулярным]]. |
| | + | == Лемма о разрастании == |
| | __TOC__ | | __TOC__ |
| | {{Лемма | | {{Лемма |
| Строка 11: |
Строка 12: |
| | Наконец, поскольку <tex>u_i</tex> и <tex>u_j</tex> — первое совпадение, среди состояний <tex>s, u_1, \ldots, u_i, \ldots, u_{j-1}</tex> нет повторяющихся. Значит, выполняется требование <tex>|xy| \le n</tex>. | | Наконец, поскольку <tex>u_i</tex> и <tex>u_j</tex> — первое совпадение, среди состояний <tex>s, u_1, \ldots, u_i, \ldots, u_{j-1}</tex> нет повторяющихся. Значит, выполняется требование <tex>|xy| \le n</tex>. |
| | }} | | }} |
| − | '''Замечание.''' Условие леммы не является достаточным для регулярности языка. ''(См. [[#Пример доказательства без использования леммы|пример 2]])'' | + | '''Замечание.''' Условие леммы не является достаточным для регулярности языка. ''(См. [[#Пример нерегулярного языка, для которого выполняется лемма о разрастании|пример]])'' |
| | | | |
| − | == Доказательства нерегулярности языков == | + | == Использование леммы для доказательства нерегулярности языков == |
| − | Для доказательства нерегулярности языка можно использовать свойства регулярных и автоматных языков.
| |
| | | | |
| − | Часто удобно использовать отрицание леммы о разрастании. Пусть <tex>L</tex> — язык над алфавитом <tex>\Sigma</tex>. Если для любого натурального <tex>n</tex> найдётся такое слово <tex>\omega</tex> из данного языка, что его длина будет не меньше <tex> n</tex> и при любом разбиении на три слова <tex>x,y,z</tex> такие, что <tex>y</tex> непустое и длина <tex>xy</tex> не больше <tex>n</tex>, существует такое <tex>k</tex>, что <tex>xy^kz \notin L</tex>, то язык <tex>L</tex> нерегулярный.
| + | Для доказательства нерегулярности языка часто удобно использовать отрицание леммы о разрастании. Пусть <tex>L</tex> — язык над алфавитом <tex>\Sigma</tex>. Если для любого натурального <tex>n</tex> найдётся такое слово <tex>\omega</tex> из данного языка, что его длина будет не меньше <tex> n</tex> и при любом разбиении на три слова <tex>x,y,z</tex> такие, что <tex>y</tex> непустое и длина <tex>xy</tex> не больше <tex>n</tex>, существует такое <tex>k</tex>, что <tex>xy^kz \notin L</tex>, то язык <tex>L</tex> нерегулярный. |
| − | === Пример доказательства с использованием леммы ===
| |
| − | Рассмотрим язык правильных скобочных последовательностей. Для фиксированного <tex>n</tex> предъявляем слово <tex>\omega=(^n)^n</tex>. Пусть <tex>\omega</tex> как-то разбили на <tex>x, y, z</tex>. Так как <tex>|xy|\leqslant n</tex>, то <tex>y=(^b</tex>, где <tex>b > 0</tex>. Для любого такого разбиения берём <tex>k=2</tex> и получаем <tex>xy^kz=(^{n+b})^n</tex>, что не является правильной скобочной последовательностью. Значит, язык правильных скобочных последовательностей нерегулярен.
| |
| | | | |
| − | === Пример доказательства без использования леммы ===
| + | Рассмотрим такой подход на примере языка правильных скобочных последовательностей. Для фиксированного <tex>n</tex> предъявляем слово <tex>\omega=(^n)^n</tex>. Пусть <tex>\omega</tex> как-то разбили на <tex>x, y, z</tex>. Так как <tex>|xy|\leqslant n</tex>, то <tex>y=(^b</tex>, где <tex>b > 0</tex>. Для любого такого разбиения берём <tex>k=2</tex> и получаем <tex>xy^kz=(^{n+b})^n</tex>, что не является правильной скобочной последовательностью. Значит, язык правильных скобочных последовательностей нерегулярен. |
| − | Докажем нерегулярность языка <tex>0^a 1^b 2^b, a \geqslant 1, b \geqslant 0</tex>. Заметим, что здесь условие леммы о накачке выполнено <tex>(n = 1, x = \varepsilon, y = 0)</tex>. {{TODO|t=предыдущее утверждение — неправда, возьмем <tex>k=0</tex>, получим <tex>1^b2^b</tex> не в языке}}
| + | |
| | + | == Пример нерегулярного языка, для которого выполняется лемма о разрастании== |
| | | | |
| − | Докажем нерегулярность языка с помощью свойств ДКА. Пусть для языка существует автомат <tex>A</tex> c <tex>k</tex> состояниями. Пусть после <tex>a</tex> нулей на вход поступило <tex>k</tex> единиц. При помощи рассуждений, аналогичных приведенным в доказательстве леммы, получаем, что с момента завершения считывания нулей до последнего считывания единицы автомат посетит <tex>k + 1</tex> состояние, т. е. хотя бы в одном из них он окажется дважды. Пусть при первом посещении этого состояния автомат считал <tex>i</tex> единиц, при втором — <tex>j</tex>. Поскольку <tex>0^a 1^i 2^i</tex> принимается автоматом, а <tex>0^a 1^j 2^i</tex> — не принимается, то при подаче автомату, находящемуся в этом состоянии, <tex>i</tex> двоек, автомат, с одной стороны, должен оказаться в допускающем состоянии, с другой — в недопускающем.
| |
| | | | |
| | == См. также == | | == См. также == |
Лемма о разрастании[1](Pumping lemma) — лемма, позволяющая во многих случаях проверить, является ли данный язык регулярным.
Лемма о разрастании
| Лемма (о разрастании, о накачке): |
Пусть [math]L[/math] — регулярный язык над алфавитом [math]\Sigma[/math], тогда существует такое [math]n[/math], что для любого слова [math] \omega \in L[/math] длины не меньше [math]n[/math] найдутся слова [math] x,y,z \in \Sigma^*[/math], для которых верно: [math]xyz=\omega, y\neq \varepsilon, |xy|\leqslant n[/math] и [math]\forall k \geqslant 0~xy^{k}z\in L[/math]. |
| Доказательство: |
| [math]\triangleright[/math] |
|
Пусть [math]L[/math] — регулярный язык над алфавитом [math]\Sigma[/math]. Поскольку регулярный язык является автоматным, то найдётся автомат [math]A[/math], допускающий язык [math]L[/math]. Пусть [math]n[/math] — размер автомата. Докажем, что [math]n[/math] удовлетворяет условию леммы.
Возьмём произвольное слово [math]\omega[/math] длины не меньше [math]n[/math] из языка [math]L[/math]. Рассмотрим переходы в автомате [math]\langle s,\omega\rangle \vdash\langle u_1, \omega[0]^{-1}\omega\rangle\vdash\dots\vdash\langle u_{l},\varepsilon\rangle, \: l\geqslant n[/math]. Так как [math]l[/math] не меньше количества состояний в автомате [math]n[/math], то в переходах будет совпадение. Пусть [math]u_i[/math] и [math]u_j[/math] — первое совпадение. Тогда, повторяя участок слова [math]\omega[/math], который отвечает за переход от [math]u_i[/math] к [math]u_j[/math], получаем слово, допускаемое автоматом. То есть, если верно [math]\langle s, xyz\rangle \vdash^*\langle u_i, yz\rangle\vdash^*\langle u_j, z\rangle\vdash^*\langle u_l, \varepsilon\rangle[/math], то тогда верно [math]\langle s, xy^kz\rangle \vdash^*\langle u_i, y^kz\rangle\vdash^*\langle u_j, y^{k-1}z\rangle\vdash^*\langle u_j, z\rangle\vdash^*\langle u_l, \varepsilon\rangle[/math]. Тогда автомат [math]A[/math] допускает слово [math]xy^kz[/math], следовательно [math]xy^kz[/math] принадлежит регулярному языку [math]L[/math].
Наконец, поскольку [math]u_i[/math] и [math]u_j[/math] — первое совпадение, среди состояний [math]s, u_1, \ldots, u_i, \ldots, u_{j-1}[/math] нет повторяющихся. Значит, выполняется требование [math]|xy| \le n[/math]. |
| [math]\triangleleft[/math] |
Замечание. Условие леммы не является достаточным для регулярности языка. (См. пример)
Использование леммы для доказательства нерегулярности языков
Для доказательства нерегулярности языка часто удобно использовать отрицание леммы о разрастании. Пусть [math]L[/math] — язык над алфавитом [math]\Sigma[/math]. Если для любого натурального [math]n[/math] найдётся такое слово [math]\omega[/math] из данного языка, что его длина будет не меньше [math] n[/math] и при любом разбиении на три слова [math]x,y,z[/math] такие, что [math]y[/math] непустое и длина [math]xy[/math] не больше [math]n[/math], существует такое [math]k[/math], что [math]xy^kz \notin L[/math], то язык [math]L[/math] нерегулярный.
Рассмотрим такой подход на примере языка правильных скобочных последовательностей. Для фиксированного [math]n[/math] предъявляем слово [math]\omega=(^n)^n[/math]. Пусть [math]\omega[/math] как-то разбили на [math]x, y, z[/math]. Так как [math]|xy|\leqslant n[/math], то [math]y=(^b[/math], где [math]b \gt 0[/math]. Для любого такого разбиения берём [math]k=2[/math] и получаем [math]xy^kz=(^{n+b})^n[/math], что не является правильной скобочной последовательностью. Значит, язык правильных скобочных последовательностей нерегулярен.
Пример нерегулярного языка, для которого выполняется лемма о разрастании
См. также
Примечания
- ↑ Лемму также часто называют леммой о накачке.
Литература
- 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. 144. — ISBN 5-8459-0261-4
