Просмотр исходного текста страницы Регулярные языки: два определения и их эквивалентность

== Регулярные языки: два определения и их эквивалентность ==
{{Определение
|id = REG1
|definition =
'''Множество регулярных языков''' (англ. ''set of regular languages'') <tex>\mathrm{REG}</tex> над алфавитом <tex> \Sigma = \left\{c_1, c_2, \ldots, c_k \right\} </tex> {{---}} множество, которое может быть получено из языков, каждый из которых содержит единственное слово {{---}} <tex>c_i</tex> или <tex>\varepsilon</tex>, и пустого языка при помощи последовательных применений операций объединения, конкатенации или замыкания Клини и никаких других, то есть:
* Определим регулярные языки нулевого уровня как <tex> \mathrm{R_0}=\left\{\varnothing, \left\{\varepsilon \right\}, \left\{c_1 \right\}, \left\{c_2 \right\} , \ldots, \left\{c_k \right\} \right\} </tex>.
* Регулярные языки ненулевого уровня определим рекуррентным соотношением: <tex> \mathrm{R_{i+1}} = \mathrm{R_i} \cup \left\{L_1 \cup L_2, L_1L_2, L_1^* | L_1, L_2 \in \mathrm{R_i}\right\} </tex>.
* Тогда <tex>\mathrm{REG} = \bigcup\limits_{i=0}^{\infty}\mathrm{R_i}</tex>.
}}

{{Определение
|definition = 
'''Регулярное выражение''' (англ. ''regular expression'') над алфавитом <tex> \Sigma = \left\{c_1, c_2, \ldots ,c_k \right\} </tex> {{---}} способ порождения языка над <tex>\Sigma</tex>. Определяется рекурсивно следующим образом:

* Для любого <tex>i</tex> слово <tex>c_i</tex> является регулярным выражением, задающим язык из одного слова <tex>c_i</tex>.
* <tex>\varepsilon</tex> является регулярным выражением, задающим язык из одной пустой строки, а <tex>\varnothing</tex> {{---}} пустой язык.
* Если <tex>\alpha_1</tex> и <tex>\alpha_2</tex> являются регулярными выражениями, задающими языки <tex>L_1</tex> и <tex>L_2</tex> соответственно, то <tex>(\alpha_1)|(\alpha_2)</tex> {{---}} регулярное выражение, задающее <tex>L_1 \bigcup L_2</tex>.
* Если <tex>\alpha_1</tex> и <tex>\alpha_2</tex> являются регулярными выражениями, задающими языки <tex>L_1</tex> и <tex>L_2</tex> соответственно, то <tex>(\alpha_1)(\alpha_2)</tex> {{---}} регулярное выражение, задающее <tex>L_1L_2</tex>.
* Если <tex>\alpha_1</tex> является регулярным выражением, задающим язык <tex>L_1</tex>, то <tex>(\alpha_1)^*</tex> {{---}} регулярное выражение, задающее <tex>L_1^*</tex>.
* Операции указаны в порядке возрастания приоритета, при этом скобки повышают приоритет аналогично арифметическим выражениям.
}}

{{Утверждение
|statement = 
По построению очевидно, что множество языков, порождаемых регулярными выражениями, совпадает со множеством регулярных языков.
}}

{{Определение
|id = REG2
|definition =
Пусть задан алфавит <tex> \Sigma = \left\{c_1, c_2, \ldots ,c_k \right\} </tex>.
Множество <tex>\mathrm{R}</tex> будем называть ''надрегулярным'' множеством над алфавитом <tex> \Sigma </tex>, если:

#<tex>\mathrm{R_0} \subset \mathrm{R}</tex>, где <tex>\mathrm{R_0}=\left\{\varnothing, \left\{\varepsilon \right\}, \left\{c_1 \right\}, \left\{c_2 \right\}, \ldots, \left\{c_k \right\} \right\}</tex>,
#<tex> L_1, L_2 \in \mathrm{R} \Rightarrow L_1 \cup L_2 \in \mathrm{R}, L_1L_2 \in \mathrm{R}, L_1^* \in \mathrm{R}</tex>.

Тогда '''множеством регулярных языков''' <tex> \mathrm{REG'} </tex> над алфавитом <tex> \Sigma = \left\{c_1, c_2, \ldots ,c_k \right\} </tex> называется пересечение всех надрегулярных множеств над этим алфавитом.
}}

{{Теорема
|statement=
Классы языков [[#REG1 | <tex>\mathrm{REG}</tex>]] и [[#REG2 | <tex>\mathrm{REG'}</tex>]] над одинаковым алфавитом совпадают.
|proof=
Докажем, что <tex>\mathrm{REG} \subseteq \mathrm{REG'}</tex> и <tex>\mathrm{REG'} \subseteq \mathrm{REG}</tex>.

*'''<tex>\mathrm{REG} \subseteq \mathrm{REG'}</tex>'''
По определению <tex>\mathrm{REG} = \bigcup\limits_{i=0}^{\infty}\mathrm{R_i}</tex>. Покажем, что <tex>\bigcup\limits_{i=0}^{\infty}\mathrm{R_i} \subseteq \mathrm{R}</tex>,  где <tex>\mathrm{R}</tex> {{---}} любое надрегулярное множество. Для этого докажем по индукции по <tex>i</tex>, что <tex>\mathrm{R_i} \subseteq \mathrm{R}</tex> для любого <tex>i</tex>.
# База: <tex>i = 0</tex>.
#: <tex>\mathrm{R_0} \subseteq \mathrm{R}</tex> по определению надрегулярного множества.
# Переход: известно, что <tex>\mathrm{R_i} \subseteq \mathrm{R}</tex>, докажем, что <tex>\mathrm{R_{i + 1}} \subseteq \mathrm{R}</tex>.
#: По определению надрегулярного множества для любых <tex>L_1, L_2 \in \mathrm{R_i} \subseteq \mathrm{R}</tex> верны утверждения: <tex>L_1 \cup L_2 \in \mathrm{R}, L_1L_2 \in \mathrm{R}, L_1^* \in \mathrm{R}</tex>. То есть: <tex>\left\{L_1 \cup L_2, L_1L_2, L_1^* | L_1, L_2 \in \mathrm{R_i}\right\} \subseteq \mathrm{R}</tex>. Вспоминая [[#REG1 | определение]] <tex>\mathrm{R_{i + 1}}</tex> и предположение индукции (<tex>\mathrm{R_i} \subseteq \mathrm{R}</tex>), получаем, что <tex>\mathrm{R_{i + 1}} \subseteq \mathrm{R}</tex>.
Так как <tex>\mathrm{REG} \subseteq R</tex> для любого надрегулярного множества <tex>R</tex>, получаем, что <tex> \mathrm{REG} \subseteq \mathrm{REG'} </tex>.

*'''<tex> \mathrm{REG'} \subseteq \mathrm{REG} </tex>'''
Докажем, что <tex> \mathrm{REG} </tex> является надрегулярным множеством. Для этого проверим, выполняются ли свойства надрегулярного множества на нём: 
# <tex> \mathrm{R_0}\subseteq \mathrm{REG} </tex> {{---}} выполнено (по определению <tex> \mathrm{REG} </tex>).
# Рассмотрим <tex> L_1, L_2 \in \mathrm{REG} </tex>. Так как <tex> \mathrm{REG} = \bigcup\limits_{i=0}^{\infty}\mathrm{R_i}</tex>, то найдутся такие индексы <tex>i</tex> и <tex>j</tex>, что <tex>L_1 \in \mathrm{R_i}</tex> и <tex>L_2 \in \mathrm{R_j}</tex>. Тогда из определения <tex> \mathrm{REG} </tex> следует, что <tex> L_1L_2 \in \mathrm{R_{max(i, j) + 1}}, L_1 \cup L_2\in \mathrm{R_{max(i, j) + 1}}, L_1^* \in \mathrm{R_{i + 1}}</tex>. Так как <tex> \mathrm{REG} = \bigcup\limits_{i=0}^{\infty}R_i</tex>, то получаем, что <tex> L_1L_2 \in \mathrm{REG}, L_1 \cup L_2\in \mathrm{REG}, L_1^* \in \mathrm{REG} </tex>. Следовательно, второе свойство также выполнено.
Значит, <tex> \mathrm{REG} </tex> {{---}} надрегулярное множество. А так как <tex> \mathrm{REG'}</tex> является пересечением всех надрегулярных множеств, то <tex> \mathrm{REG'} \subseteq \mathrm{REG} </tex>.
}}

== См. также ==
* [[Детерминированные конечные автоматы]]

== Источники информации ==

* [http://en.wikipedia.org/wiki/Regular_language Wikipedia {{---}} Regular language]
* [http://en.wikipedia.org/wiki/Regular_expression Wikipedia {{---}} Regular expression]
* [http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B5%D0%B3%D1%83%D0%BB%D1%8F%D1%80%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D1%8F%D0%B7%D1%8B%D0%BA Википедия {{---}} Регулярный язык]
* [http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B5%D0%B3%D1%83%D0%BB%D1%8F%D1%80%D0%BD%D1%8B%D0%B5_%D0%B2%D1%8B%D1%80%D0%B0%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F#.D0.92_.D1.82.D0.B5.D0.BE.D1.80.D0.B8.D0.B8_.D1.84.D0.BE.D1.80.D0.BC.D0.B0.D0.BB.D1.8C.D0.BD.D1.8B.D1.85_.D1.8F.D0.B7.D1.8B.D0.BA.D0.BE.D0.B2 Википедия {{---}} Регулярные выражения]

[[Категория: Теория формальных языков]]
[[Категория: Автоматы и регулярные языки]]