Машина Тьюринга

Эта статья находится в разработке!

Введение

Машина Тьюринга (Turing machine) — абстрактный вычислитель, предложенный британским математиком Аланом Тьюрингом в 1936 году для формализации понятия алгоритма.

Неформально машина Тьюринга определяется как устройство, состоящее из двух частей:

• бесконечной одномерной ленты, разделённой на ячейки,
• головкой, которая представляет из себя детерминированный конечный автомат.

При запуске машины Тьюринга на ленте написано входное слово, причём на первом символе этого слова находится головка, а слева и справа от него записаны пустые символы. Каждый шаг головка может перезаписать символ под лентой и сместиться на одну ячейку, если автомат приходит в допускающее или отвергающее состояние, то работа машины Тьюринга завершается.

Определение

Определение машины

Формально машина Тьюринга определяется как кортеж из восьми элементов [math]\langle \Sigma, \Pi, B, Q, Y, N, S, \delta \rangle[/math], где

• [math]\Sigma[/math] — алфавит, из букв которого могут состоять входные слова
• [math]\Pi \supseteq \Sigma[/math] — символы, которые могут быть записаны на ленту в процессе работы машины
• [math]B \in \Pi \setminus \Sigma[/math] ­— пробельный символ (от слова blank)
• [math]Q[/math] — множество состояний управляющего автомата
• [math]Y \in Q[/math] — допускающее состояние автомата
• [math]N \in Q[/math] — отвергающее состояние автомата
• [math]S \in Q[/math] — стартовое состояние автомата
• [math]\delta : Q \times \Pi \to Q \times \Pi \times \{ \leftarrow, \rightarrow, \downarrow \}[/math] — всюду определённая функция перехода автомата

Отметим, что существуют различные вариации данного выше определения (например, без отвергающего состояния или с множеством допускающих состояний), которые не влияют на вычислительные способности машины Тьюринга. В дальнейшем мы будем для простоты предполагать, что головка в процессе работы не записывает на ленту символ [math]B[/math]. Это не ограничивает вычислительной мощности машин Тьюринга, поскольку для каждой машины можно сопоставить аналогичную ей, но не пищущую [math]B[/math] на ленту.

Определение процесса работы

Кроме формального определения самой машины требуется также формально описать процесс её работы. Назовём конфигурацией машины Тьюринга тройку [math]\langle w, q, v \rangle[/math], где [math]q \in Q[/math] — текущее состояние автомата, а [math]w, v \in (\Pi \setminus \{B\})^*[/math] — строки слева и справа от головки до первого пробельного символа соответственно. В данной записи головка находится над ячейкой, на которой написана первая буква [math]v[/math] (или [math]B[/math], если [math]w = \varepsilon[/math]).

В дальнейшем используются следующие обозначения: [math]x, y, z \in \Pi[/math], [math]w, v \in \Pi^*[/math]

Определим на конфигурациях отношение перехода [math]\langle w_1, q_1, v_1 \rangle \vdash \langle w_2, q_2, v_2 \rangle[/math]:

• если [math]\delta(q, x) = \langle p, y, \leftarrow \rangle[/math], то [math]\langle wz, q, xv \rangle \vdash \langle w, p, zyv \rangle[/math]
• если [math]\delta(q, x) = \langle p, y, \rightarrow \rangle[/math], то [math]\langle w, q, xv \rangle \vdash \langle wy, p, v \rangle[/math]
• если [math]\delta(q, x) = \langle p, y, \downarrow \rangle[/math], то [math]\langle w, q, xv \rangle \vdash \langle w, p, yv \rangle[/math]

Особо следует рассмотреть случай переходов по пробельному символу:

• если [math]\delta(q, B) = \langle p, y, \leftarrow \rangle[/math], то [math]\langle wz, q, \varepsilon \rangle \vdash \langle w, p, zy \rangle[/math]
• если [math]\delta(q, B) = \langle p, y, \rightarrow \rangle[/math], то [math]\langle w, q, \varepsilon \rangle \vdash \langle wy, p, \varepsilon \rangle[/math]
• если [math]\delta(q, B) = \langle p, y, \downarrow \rangle[/math], то [math]\langle w, q, \varepsilon \rangle \vdash \langle w, p, y \rangle[/math]

Очевидно, что определённое отоношение является функциональным: для каждой конфигурации [math]C[/math] существует не более одной конфигурации [math]C'[/math], для которой [math]C \vdash C'[/math].

Результат работы

Машину Тьюринга можно рассматривать как распознаватель слов языка. Пусть [math]M[/math] — машина Тьюринга, распознаваемый ей язык определяется как [math]\mathcal L(M) = \{ x \in \Sigma^* \mid \exists y, z \in \Pi^*: \langle \varepsilon, S, x \rangle \vdash^* \langle y, Y, z \rangle \}[/math].

Также можно рассматривать машины Тьюринга как преобразователь входных данных в выходные. Машина [math]M[/math] задаёт вычислимую функцию [math]f[/math], причём [math]f(x) = y \Leftrightarrow \exists z \in \Pi^* : \langle \varepsilon, S, x \rangle \vdash^* \langle z, Y, y \rangle[/math]. Примеры машин-распознавателей и машин-преобразователей будут даны ниже.