Иерархия Хомского формальных грамматик — различия между версиями

Материал из Викиконспекты
Перейти к: навигация, поиск
м
(См. также)
 
(не показаны 24 промежуточные версии 3 участников)
Строка 1: Строка 1:
 
{{Определение
 
{{Определение
 
|definition=
 
|definition=
'''Иерархия Хомского''' классификация [[формальные грамматики|формальных грамматик]] и [[формальные грамматики|задаваемых ими языков]], согласно которой они делятся на 4 класса по их условной сложности.
+
'''Иерархия Хомского''' (англ. ''Chomsky hierarchy'') {{---}} классификация [[формальные грамматики|формальных грамматик]] и [[формальные грамматики|задаваемых ими языков]], согласно которой они делятся на 4 класса по их условной сложности.
 
}}
 
}}
 
== Класс 0 ==
 
== Класс 0 ==
К нулевому классу относятся все формальные грамматики. Элементы этого класса называются '''неограниченными грамматиками''', поскольку на них не накладывается никаких ограничений. Практического применения в силу своей сложности такие грамматики не имеют.
+
К нулевому классу относятся все [[Формальные_грамматики|формальные грамматики]]. Элементы этого класса называются '''неограниченными грамматиками''' (англ. ''unrestricted grammars''), поскольку на них не накладывается никаких ограничений. Они задают все языки, которые могут быть распознаны [[Машина_Тьюринга|машиной Тьюринга]]. Эти языки также известны как '''[[Перечислимые_языки|рекурсивно перечислимые]]''' (англ. ''recursively enumerable'').  
  
Type-0 grammars (unrestricted grammars) include all formal grammars. They generate exactly all languages that can be recognized by a Turing machine. These languages are also known as the recursively enumerable languages. Note that this is different from the recursive languages which can be decided by an always-halting Turing machine.
+
Правила можно записать в виде:
 +
 
 +
<tex>\alpha \rightarrow \beta</tex>, где <tex>\alpha</tex> — любая непустая цепочка, содержащая хотя бы один нетерминальный символ, а <tex>\beta</tex> — любая цепочка символов из алфавита.
 +
 
 +
Практического применения в силу своей сложности такие грамматики не имеют.
 +
 
 +
===Пример===
 +
Продукции:
 +
 
 +
<tex>
 +
S \rightarrow aBcc \\
 +
B \rightarrow A \\
 +
BAA \rightarrow d \\
 +
Ac \rightarrow B \\
 +
A \rightarrow AAA\ |\ dB \\
 +
</tex>
 +
 
 +
Выведем в данной грамматике строку <tex>addd</tex>:
 +
 
 +
<tex>\boldsymbol{S} \Rightarrow a\boldsymbol{B}cc \Rightarrow a\boldsymbol{Ac}c \Rightarrow a\boldsymbol{B}c \Rightarrow a\boldsymbol{Ac} \Rightarrow a\boldsymbol{B} \Rightarrow a\boldsymbol{A} \Rightarrow ad\boldsymbol{B} \Rightarrow ad\boldsymbol{A} \Rightarrow ad\boldsymbol{A}AA \Rightarrow add\boldsymbol{BAA} \Rightarrow addd</tex>
  
 
== Класс 1 ==
 
== Класс 1 ==
 
Первый класс представлен '''неукорачивающими''' и '''контекстно-зависимыми''' грамматиками.
 
Первый класс представлен '''неукорачивающими''' и '''контекстно-зависимыми''' грамматиками.
 
Type-1 grammars (context-sensitive grammars) generate the context-sensitive languages. These grammars have rules of the form \alpha A\beta \rightarrow \alpha\gamma\beta with A a nonterminal and \alpha, \beta and \gamma strings of terminals and/or nonterminals. The strings \alpha and \beta may be empty, but \gamma must be nonempty. The rule S \rightarrow \epsilon is allowed if S does not appear on the right side of any rule. The languages described by these grammars are exactly all languages that can be recognized by a linear bounded automaton (a nondeterministic Turing machine whose tape is bounded by a constant times the length of the input.)
 
 
 
{{Определение
 
{{Определение
 
|id = Неукорачивающие грамматики
 
|id = Неукорачивающие грамматики
 
|definition =
 
|definition =
'''Неукорачивающие грамматики''' это формальные грамматики, всякое правило из <tex>P</tex> которых имеет вид <tex>\alpha\rightarrow\beta</tex>, где <tex>\alpha , \beta \in \{\Sigma\cup N\}^{+}</tex> и <tex>|\alpha|\leq|\beta|</tex> (возможно правило <tex>$S$ \to \varepsilon</tex>, но тогда <tex>$S$</tex> не встречается в правых частях правил).
+
'''Неукорачивающая грамматика''' (англ. ''noncontracting grammar'') {{---}} это формальная грамматика, всякое правило из <tex>P</tex> которой имеет вид <tex>\alpha\rightarrow\beta</tex>, где <tex>\alpha , \beta \in \{\Sigma\cup N\}^{+}</tex> и <tex>|\alpha| \leqslant |\beta|</tex> (возможно правило <tex>S  \rightarrow \varepsilon</tex>, но тогда <tex>S</tex> не встречается в правых частях правил).
 
}}
 
}}
 
 
{{Определение
 
{{Определение
 
|definition =
 
|definition =
'''Контекстно-зависимые грамматики''' это формальные грамматики, всякое правило из <tex>P</tex> которых имеет вид <tex>\alpha A \beta\rightarrow\alpha\gamma\beta</tex>, где <tex>\alpha , \beta \in \{\Sigma\cup N\}^{*}</tex>, <tex>A \in N</tex> и <tex>\gamma \in \{\Sigma\cup N\}^{+}</tex> (возможно правило <tex>$S$ \to \varepsilon</tex>, но тогда <tex>$S$</tex> не встречается в правых частях правил).
+
'''Контекстно-зависимая грамматика''' (англ. ''context-sensitive grammar'') {{---}} это формальная грамматика, всякое правило из <tex>P</tex> которой имеет вид <tex>\alpha A \beta\rightarrow\alpha\gamma\beta</tex>, где <tex>\alpha , \beta \in \{\Sigma\cup N\}^{*}</tex>, <tex>A \in N</tex> и <tex>\gamma \in \{\Sigma\cup N\}^{+}</tex> (возможно правило <tex>S  \rightarrow \varepsilon</tex>, но тогда <tex>S</tex> не встречается в правых частях правил).
 
}}
 
}}
 +
Языки, заданные этими грамматиками, распознаются с помощью '''линейно ограниченного автомата''' (англ. ''linear bounded automaton'') (недетерминированная машина Тьюринга, чья лента ограничена константой, зависящей от длины входа.)
 +
 +
[[Неукорачивающие и контекстно-зависимые грамматики, эквивалентность|Известно]], что неукорачивающие грамматики эквивалентны контекстно-зависимым.
  
Как будет показано [[Неукорачивающие и контекстно-зависимые грамматики, эквивалентность|далее]], неукорачивающие грамматики эквивалентны контекстно-зависимым.
+
===Пример===
 +
<tex>L=\{w \in \Sigma^* \mid w = 0^n1^n2^n, n \geqslant 1\}</tex>
  
== Класс 2 ==
+
Продукции:
Второй класс составляют [[Контекстно-свободные грамматики, вывод, лево- и правосторонний вывод, дерево разбора|контекстно-свободные грамматики]].
 
  
Type-2 grammars (context-free grammars) generate the context-free languages. These are defined by rules of the form A \rightarrow \gamma with A a nonterminal and \gamma a string of terminals and/or nonterminals. These languages are exactly all languages that can be recognized by a non-deterministic pushdown automaton. Context-free languages – or rather the subset of deterministic context-free language – are the theoretical basis for the phrase structure of most programming languages, though their syntax also includes context-sensitive name resolution due to declarations and scope. Often a subset of grammars are used to make parsing easier, such as by an LL parser.
+
<tex>
 +
S \rightarrow 012 \\
 +
S \rightarrow 0AS2 \\
 +
A0 \rightarrow 0A \\
 +
A1 \rightarrow 11
 +
</tex>
  
 +
== Класс 2 ==
 +
Второй класс составляют [[Контекстно-свободные грамматики, вывод, лево- и правосторонний вывод, дерево разбора|контекстно-свободные грамматики]], которые задают контекстно-свободные языки. Эти языки распознаются с помощью [[Автоматы_с_магазинной_памятью|автоматов с магазинной памятью]].
 
{{Определение
 
{{Определение
 
|definition =
 
|definition =
'''Контекстно-свободные грамматики''' это формальные грамматики, всякое правило из <tex>P</tex> которых имеет вид <tex>A \rightarrow\beta</tex>, где <tex>A\in N </tex>, <tex>\beta \in \{\Sigma \cup N\}^{+}</tex>.
+
'''Контекстно-свободная грамматика''' (англ. ''context-free grammar'') {{---}} это формальная грамматика, всякое правило из <tex>P</tex> которой имеет вид <tex>A \rightarrow\beta</tex>, где <tex>A\in N </tex>, <tex>\beta \in \{\Sigma \cup N\}^{+}</tex>.
 
}}
 
}}
 +
То есть грамматика допускает появление в левой части правила только одного нетерминального символа.
 +
 +
===Пример===
 +
<tex>L=\{w \in \Sigma^* \mid w = w^R\}</tex> (язык палиндромов).
 +
 +
Продукции: <tex>S\rightarrow\alpha S\alpha\,|\,\alpha\,|\,\varepsilon, \alpha \in \Sigma</tex>
  
 
== Класс 3 ==
 
== Класс 3 ==
Элементами третьего класса являются '''праволинейные (автоматные)''' грамматики.
+
К третьему типу относятся '''автоматные''' или '''регулярные грамматики''' (англ. ''regular grammars'') {{---}} самые простые из формальных грамматик, которые задают [[Регулярные_языки:_два_определения_и_их_эквивалентность|регулярные языки]]. Они являются контекстно-свободными, но с ограниченными возможностями.
  
К третьему типу относятся [[регулярные грамматики]] (автоматные) — самые простые из формальных грамматик. Они являются контекстно-свободными, но с ограниченными возможностями.
+
Все регулярные грамматики могут быть разделены на два эквивалентных класса следующего вида:
 +
{{Определение
 +
|definition =
 +
'''Леволинейная грамматика''' (англ. ''left-regular grammar'') {{---}} это формальная грамматика, всякое правило из <tex>P</tex> которой имеет вид <tex>A \rightarrow B\gamma</tex> или <tex>A \rightarrow \gamma</tex>, где <tex>\gamma \in \Sigma, A, B \in N</tex>.
 +
}}
 +
{{Определение
 +
|definition =
 +
'''Праволинейная грамматика''' (англ. ''right-regular grammar'') {{---}} это формальная грамматика, всякое правило из <tex>P</tex> которой имеет вид <tex>A \rightarrow \gamma B</tex>; или <tex>A \rightarrow \gamma</tex>, где <tex>\gamma \in \Sigma, A, B \in N</tex>.
 +
}}
 +
Оба вида задают одинаковые языки. При этом если правила леволинейной и праволинейной грамматик объединить, то язык уже не обязан быть регулярным.
  
Все регулярные грамматики могут быть разделены на два эквивалентных класса, которые для грамматики вида III будут иметь правила следующего вида:
+
Также можно [[Правоконтекстные_грамматики,_эквивалентность_автоматам|показать]], что множество языков, задаваемых праволинейными грамматиками, совпадает со множеством языков, задаваемых [[Детерминированные конечные автоматы|конечными автоматами]].
* <tex>A \rightarrow B\gamma</tex> или <tex>A \rightarrow \gamma</tex>, где <tex>\gamma \in V_T^*, A, B \in V_N</tex> (для леволинейных грамматик).
 
* <tex>A \rightarrow \gamma B</tex>; или <tex>A \rightarrow \gamma</tex>, где <tex>\gamma \in V_T^*, A, B \in V_N</tex> (для праволинейных грамматик).
 
Регулярные грамматики применяются для описания простейших конструкций: [[идентификатор]]ов, [[Строковый тип|строк]], [[Константа (программирование)|констант]], а также [[язык ассемблера|языков ассемблера]], [[командный процессор|командных процессоров]] и др.
 
  
Type-3 grammars (regular grammars) generate the regular languages. Such a grammar restricts its rules to a single nonterminal on the left-hand side and a right-hand side consisting of a single terminal, possibly followed by a single nonterminal (right regular). Alternatively, the right-hand side of the grammar can consist of a single terminal, possibly preceded by a single nonterminal (left regular); these generate the same languages – however, if left-regular rules and right-regular rules are combined, the language need no longer be regular. The rule S \rightarrow \epsilon is also allowed here if S does not appear on the right side of any rule. These languages are exactly all languages that can be decided by a finite state automaton. Additionally, this family of formal languages can be obtained by regular expressions. Regular languages are commonly used to define search patterns and the lexical structure of programming languages.
+
===Пример===
 +
<tex>L</tex> для регулярного выражения <tex>a^*bc^*</tex>.
  
{{Определение
+
Продукции:
|definition =
+
 
'''Праволинейные (автоматные) грамматики''' — это формальные грамматики, всякое правило из <tex>P</tex> которых имеет вид <tex>A \rightarrow tB</tex> либо <tex>A \rightarrow t</tex>, где <tex>A\in N</tex>,<tex>B\in N</tex>, <tex>t\in \Sigma </tex>.}}
+
<tex>
 +
S \rightarrow aS\ |\ bA \\
 +
A \rightarrow \varepsilon\ |\ cA
 +
</tex>
  
== Распознавание ==
+
== См. также ==
Для языков, которые задаются грамматиками из иерархии Хомского, есть машины, которые их распознают. Следующая таблица сопоставляет классы иерархии Хомского, языки, которые ими задаются, и машины, которые распознают эти языки.
+
* [[Правоконтекстные грамматики, эквивалентность автоматам]]
{| class="wikitable"
+
* [[Возможность_порождения_формальной_грамматикой_произвольного_перечислимого_языка|Возможность порождения формальной грамматикой произвольного перечислимого языка]]
|-
 
! Грамматика
 
! Языки
 
! Машина
 
|-
 
| Класс 0
 
| [[ Перечислимые языки | рекурсивно перечислимые ]]
 
| [http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D1%88%D0%B8%D0%BD%D0%B0_%D0%A2%D1%8C%D1%8E%D1%80%D0%B8%D0%BD%D0%B3%D0%B0 машина Тьюринга]
 
|-
 
| Класс 1
 
| контекстно-зависимые
 
| [http://en.wikipedia.org/wiki/Linear_bounded_automaton ЛПА]
 
|-
 
| Класс 2
 
| контекстно-свободные
 
| [[Автоматы с магазинной памятью|автоматы с магазинной памятью]]
 
|-
 
| Класс 3
 
| [[Регулярные языки: два определения и их эквивалентность|регулярные]]
 
| [[Детерминированные конечные автоматы|конечные автоматы]]
 
|}
 
  
== Источники ==
+
==Источники информации==
Ахо А., Ульман Дж. Теория синтаксического анализа, перевода и компиляции. М.: Мир, 1978. - Т. 1,2.
+
* ''А. Ахо, Дж. Ульман.'' Теория синтаксического анализа, перевода и компиляции. Синтаксический анализ. Том 2. Пер. с англ. — М.: Книга по Требованию, 2012. — ISBN 978-5-458-27407-4
 +
* [[wikipedia:Chomsky_hierarchy|Wikipedia {{---}} Chomsky hierarchy]]
 +
* [[wikipedia:ru:Иерархия_Хомского|Википедия {{---}} Иерархия Хомского]]
  
 
[[Категория: Теория формальных языков]]
 
[[Категория: Теория формальных языков]]
 
[[Категория: Контекстно-свободные грамматики]]
 
[[Категория: Контекстно-свободные грамматики]]
 +
[[Категория: Базовые понятия о грамматиках]]

Текущая версия на 12:39, 11 марта 2018

Определение:
Иерархия Хомского (англ. Chomsky hierarchy) — классификация формальных грамматик и задаваемых ими языков, согласно которой они делятся на 4 класса по их условной сложности.

Класс 0[править]

К нулевому классу относятся все формальные грамматики. Элементы этого класса называются неограниченными грамматиками (англ. unrestricted grammars), поскольку на них не накладывается никаких ограничений. Они задают все языки, которые могут быть распознаны машиной Тьюринга. Эти языки также известны как рекурсивно перечислимые (англ. recursively enumerable).

Правила можно записать в виде:

[math]\alpha \rightarrow \beta[/math], где [math]\alpha[/math] — любая непустая цепочка, содержащая хотя бы один нетерминальный символ, а [math]\beta[/math] — любая цепочка символов из алфавита.

Практического применения в силу своей сложности такие грамматики не имеют.

Пример[править]

Продукции:

[math] S \rightarrow aBcc \\ B \rightarrow A \\ BAA \rightarrow d \\ Ac \rightarrow B \\ A \rightarrow AAA\ |\ dB \\ [/math]

Выведем в данной грамматике строку [math]addd[/math]:

[math]\boldsymbol{S} \Rightarrow a\boldsymbol{B}cc \Rightarrow a\boldsymbol{Ac}c \Rightarrow a\boldsymbol{B}c \Rightarrow a\boldsymbol{Ac} \Rightarrow a\boldsymbol{B} \Rightarrow a\boldsymbol{A} \Rightarrow ad\boldsymbol{B} \Rightarrow ad\boldsymbol{A} \Rightarrow ad\boldsymbol{A}AA \Rightarrow add\boldsymbol{BAA} \Rightarrow addd[/math]

Класс 1[править]

Первый класс представлен неукорачивающими и контекстно-зависимыми грамматиками.

Определение:
Неукорачивающая грамматика (англ. noncontracting grammar) — это формальная грамматика, всякое правило из [math]P[/math] которой имеет вид [math]\alpha\rightarrow\beta[/math], где [math]\alpha , \beta \in \{\Sigma\cup N\}^{+}[/math] и [math]|\alpha| \leqslant |\beta|[/math] (возможно правило [math]S \rightarrow \varepsilon[/math], но тогда [math]S[/math] не встречается в правых частях правил).


Определение:
Контекстно-зависимая грамматика (англ. context-sensitive grammar) — это формальная грамматика, всякое правило из [math]P[/math] которой имеет вид [math]\alpha A \beta\rightarrow\alpha\gamma\beta[/math], где [math]\alpha , \beta \in \{\Sigma\cup N\}^{*}[/math], [math]A \in N[/math] и [math]\gamma \in \{\Sigma\cup N\}^{+}[/math] (возможно правило [math]S \rightarrow \varepsilon[/math], но тогда [math]S[/math] не встречается в правых частях правил).

Языки, заданные этими грамматиками, распознаются с помощью линейно ограниченного автомата (англ. linear bounded automaton) (недетерминированная машина Тьюринга, чья лента ограничена константой, зависящей от длины входа.)

Известно, что неукорачивающие грамматики эквивалентны контекстно-зависимым.

Пример[править]

[math]L=\{w \in \Sigma^* \mid w = 0^n1^n2^n, n \geqslant 1\}[/math]

Продукции:

[math] S \rightarrow 012 \\ S \rightarrow 0AS2 \\ A0 \rightarrow 0A \\ A1 \rightarrow 11 [/math]

Класс 2[править]

Второй класс составляют контекстно-свободные грамматики, которые задают контекстно-свободные языки. Эти языки распознаются с помощью автоматов с магазинной памятью.

Определение:
Контекстно-свободная грамматика (англ. context-free grammar) — это формальная грамматика, всякое правило из [math]P[/math] которой имеет вид [math]A \rightarrow\beta[/math], где [math]A\in N [/math], [math]\beta \in \{\Sigma \cup N\}^{+}[/math].

То есть грамматика допускает появление в левой части правила только одного нетерминального символа.

Пример[править]

[math]L=\{w \in \Sigma^* \mid w = w^R\}[/math] (язык палиндромов).

Продукции: [math]S\rightarrow\alpha S\alpha\,|\,\alpha\,|\,\varepsilon, \alpha \in \Sigma[/math]

Класс 3[править]

К третьему типу относятся автоматные или регулярные грамматики (англ. regular grammars) — самые простые из формальных грамматик, которые задают регулярные языки. Они являются контекстно-свободными, но с ограниченными возможностями.

Все регулярные грамматики могут быть разделены на два эквивалентных класса следующего вида:

Определение:
Леволинейная грамматика (англ. left-regular grammar) — это формальная грамматика, всякое правило из [math]P[/math] которой имеет вид [math]A \rightarrow B\gamma[/math] или [math]A \rightarrow \gamma[/math], где [math]\gamma \in \Sigma, A, B \in N[/math].


Определение:
Праволинейная грамматика (англ. right-regular grammar) — это формальная грамматика, всякое правило из [math]P[/math] которой имеет вид [math]A \rightarrow \gamma B[/math]; или [math]A \rightarrow \gamma[/math], где [math]\gamma \in \Sigma, A, B \in N[/math].

Оба вида задают одинаковые языки. При этом если правила леволинейной и праволинейной грамматик объединить, то язык уже не обязан быть регулярным.

Также можно показать, что множество языков, задаваемых праволинейными грамматиками, совпадает со множеством языков, задаваемых конечными автоматами.

Пример[править]

[math]L[/math] для регулярного выражения [math]a^*bc^*[/math].

Продукции:

[math] S \rightarrow aS\ |\ bA \\ A \rightarrow \varepsilon\ |\ cA [/math]

См. также[править]

Источники информации[править]