Bài tập ngôn ngữ hình thức và automat năm 2024

Dưới đây là bài tập + lời giải môn Ngôn ngữ hình thức gồm 7 chương:

Chương 1: Văn phạm Chương 2: DFA và NFA Chương 3: Biểu thức chính quy Chương 4: Cực tiểu hoá Otomat Chương 5: Khử sự nhập nhằng của văn phạm Chương 6: Otomat đẩy xuống PDA Chương 7: Máy Turing

Link

Post navigation

Giả sử L là ngôn ngữ chính quy. Khi đó sẽ tồn tại một DFA M chấp nhận cho ngôn ngữ L. Gọi n là số trạng thái của DFA M đó. Xét chuỗi z = anb1c1dn . Ta có độ dài của chuỗi z là: |z| = 2n + 2 n . Theo bổ đề bơm, ta có thể đặt z = uvw , trong đó u, v, w là các chuỗi con của z với điều kiện như sau: |uv| ≤ n, |v| ≥ 1 và với mọi i ≥ 0 ta có uviw ϵ L

• 1. học: OTOMAT VÀ NGÔN NGỮ HÌNH THỨC TS. Nguyễn Văn Định, Khoa CNTT Lời nói đầu Ngôn ngữ là phương tiện để giao tiếp, sự giao tiếp có thể hiểu là giao tiếp giữa con người với nhau, giao tiếp giữa người với máy, hay giao tiếp giữa máy với máy. Ngôn ngữ để con người có thể giao tiếp với nhau được gọi là ngôn ngữ tự nhiên, chẳng hạn như tiếng Anh, tiếng Nga, tiếng Việt… là các ngôn ngữ tự nhiên. Các quy tắc cú pháp của ngôn ngữ tự nhiên nói chung rất phức tạp nhưng các yêu cầu nghiêm ngặt về ngữ nghĩa thì lại thiếu chặt chẽ, chẳng hạn cùng một từ hay cùng một câu ta có thể hiểu chúng theo những nghĩa khác nhau tùy theo từng ngữ cảnh cụ thể. Con người muốn giao tiếp với máy tính tất nhiên cũng thông qua ngôn ngữ. Để có sự giao tiếp giữa người với máy hay giữa máy với nhau, cần phải có một ngôn ngữ với các quy tắc cú pháp chặt chẽ hơn so với các ngôn ngữ tự nhiên, nói cách khác, với một từ hay một câu thì ngữ nghĩa của chúng phải là duy nhất mà không phụ thuộc vào ngữ cảnh. Những ngôn ngữ như thế được gọi là ngôn ngữ hình thức. Con người muốn máy tính thực hiện công việc, phải viết các yêu cầu đưa cho máy bằng ngôn ngữ máy hiểu được. Việc viết các yêu cầu như thế gọi là lập trình. Ngôn ngữ dùng để lập trình được gọi là ngôn ngữ lập trình. Các ngôn ngữ lập trình đều là các ngôn ngữ hình thức. Cả ngôn ngữ hình thức lẫn ngôn ngữ tự nhiên đều có thể xem như những tập các từ, tức là các xâu hữu hạn các phần tử của một bộ chữ cái cơ sở nào đó. Về mặt truyền thống, lý thuyết ngôn ngữ hình thức liên quan đến các đặc tả cú pháp của ngôn ngữ nhiều hơn là đến những vấn đề ngữ nghĩa. Một đặc tả về cú pháp của một ngôn ngữ có hữu hạn từ, ít nhất về nguyên tắc, có thể được cho bằng cách liệt kê các từ. Điều đó không thể áp dụng đối với các ngôn ngữ có vô hạn từ. Nhiệm vụ chính của lý thuyết ngôn ngữ hình thức là nghiên cứu các cách đặc tả hữu hạn của các ngôn ngữ vô hạn. Lý thuyết tính toán cũng như của nhiều ngành khác nhau của nó, chẳng hạn mật mã học, có liên quan mật thiết với lý thuyết ngôn ngữ. Các tập vào và ra của một thiết bị tính toán có thể được xem như các ngôn ngữ và nói một cách sâu sắc hơn thì các mô hình tính toán có thể được đồng nhất với các lớp các đặc tả ngôn ngữ theo nghĩa mà trong bài giảng này chúng ta sẽ nêu chính xác hơn. Chẳng hạn, các máy Turing có thể được đồng nhất với các văn phạm cấu trúc câu, các otomat hữu hạn có thể đồng nhất với các văn phạm chính quy. Môn học otomat và ngôn ngữ hình thức nhằm trang bị cho sinh viên các năm cuối của ngành Tin học các khái niệm về ngôn ngữ hình thức, các otomat, máy Turing…Trên cơ sơ đó, sinh viên có thể hiểu sâu hơn cấu trúc các ngôn ngữ lập trình, các chương trình dịch cũng như bản chất của thuật toán và độ phức tạp tính toán của chúng. Trong khi chưa có điều kiện biên soạn một giáo trình cho môn học này, chúng tôi tạm thời cung cấp cho sinh viên ngành Tin học tập bài giảng này, để làm tài liệu tham khảo và học tập. Do thời gian biên soạn có hạn nên chắc rằng tập bài giảng này còn nhiều thiếu sót, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các em sinh viên và đồng nghiệp. 1
• 2. VÀ NGÔN NGỮ HÌNH THỨC Trong chương này, chúng ta đề cập đến một số khái niệm và kết quả cơ bản liên quan đến văn phạm và ngôn ngữ hình thức. § 1. Các khái niệm cơ bản về ngôn ngữ hình thức 1.1 Bảng chữ cái 1.2 Từ 1.3 Ngôn ngữ § 2. Các phép toán trên các từ 2.1 Phép nhân ghép 2.2 Phép lấy từ ngược 2.3 Phép chia từ § 3. Các phép toán trên ngôn ngữ 3.1 Phép hợp 3.2 Phép giao 3.3 Phép lấy phần bù 3.4 Phép nhân ghép 3.5 Phép lặp 3.6 Phép lấy ngôn ngữ ngược 3.7 Phép chia ngôn ngữ § 4. Văn phạm và ngôn ngữ sinh bởi văn phạm 4.1 Định nghĩa văn phạm 4.2 Ngôn ngữ sinh bởi văn pham 4.3 Phân loại văn phạm theo Chomsky § 5. Các tính chất của văn phạm và ngôn ngữ 5.1 Tính chất của văn phạm và dẫn xuất 5.2 Tính đóng của lớp ngôn ngữ sinh bởi văn phạm 2
• 3. niệm cơ bản về ngôn ngữ hình thức 1.1 Bảng chữ cái Định nghĩa 1.1 Tập Σ khác rỗng gồm hũu hạn hay vô hạn các ký hiệu được gọi là bảng chữ cái. Mỗi phần tử a∈ Σ được gọi là một chữ cái hay một ký hiệu. Thí dụ 1.1 Dưới đây là các bảng chữ cái: 1. ∑ = {a, b, c, … , x, y, z} 2. Δ = {α, β, γ, δ, ε, η, ϕ, κ, μ, χ, ν, π, θ, ρ, σ, τ, ω,ξ, ψ}, 3. Г = {0, 1}, 4. W = {if, then, else, a, b, c, d, e, f, +, −, ∗, /, =, ≠}. 1.2 Từ Định nghĩa 1.2 Giả sử có bảng chữ cái Σ = {a1, a2, …, am}, một dãy các chữ cái α = ai1 ai2 …ait, với aij ∈ Σ (1 ≤ j ≤ t) được gọi là một từ hay một xâu trên bảng chữ cái Σ. Tổng số vị trí của các ký hiệu xuất hiện trong xâu α được gọi là độ dài của từ α và ký hiệu là | α |. Như vậy, một từ trên bảng chữ cái Σ là một xâu hữu hạn gồm một số lớn hơn hay bằng không các chữ cái của Σ, trong đó một chữ cái có thể xuất hiện nhiều lần. Xâu không có chữ cái nào được gọi là từ rỗng và được ký hiệu là ε. Rõ ràng từ rỗng là từ thuộc mọi bảng chữ cái. Hai từ α = a1a2…an và β = b1b2…bm được gọi là bằng nhau, và được ký hiệu là α = β, nếu n = m và ai = bi với mọi i = 1, 2, …, n. Nếu α là một từ trên bảng chữ cái Σ, và Σ ⊆ Δ thì α cũng là từ trên bảng chữ cái Δ. Tập mọi từ trên bảng chữ cái Σ được ký hiệu là Σ* , còn tập mọi từ khác rỗng trên bảng chữ cái Σ được ký hiệu là Σ+ . Như vậy Σ+ = Σ* {ε} và Σ* = Σ+ ∪ {ε}. Dễ thấy rằng các tập Σ* và Σ+ là vô hạn. Về cấu trúc đại số thì Σ* là một vị nhóm tự do sinh bởi Σ với đơn vị là từ rỗng ε, còn Σ+ là một nửa nhóm tự do sinh bởi Σ. Có thể chứng minh được rằng các tập Σ* và Σ+ là vô hạn đếm được. Thí dụ 1.2 1. Ta có ε , 0, 01, 101, 1010, 110011 là các từ trên bảng chữ cái Г = {0,1} 2. Các xâu ε, beautiful, happy, holiday là các từ trên bảng chữ cái Σ = {a, b, c, …, z}. 3
• 4. nghĩa 1.3 Cho bảng chữ cái Σ, mỗt tập con L ⊆ Σ* được gọi là một ngôn ngữ hình thức (hay ngôn ngữ) trên bảng chữ cái Σ. Tập rỗng, ký hiệu ∅, là một ngôn ngữ không gồm một từ nào và được gọi là ngôn ngữ rỗng. Vậy ngôn ngữ rỗng là ngôn ngữ trên mọi bảng chữ cái. Chú ý rằng ngôn ngữ rỗng: L = ∅ là khác với ngôn ngữ chỉ gồm một từ rỗng: L = {ε}. Thí dụ 1.3 1. Σ* là ngôn ngữ gồm tất cả các từ trên Σ còn Σ+ là ngôn ngữ gồm tất cả các từ khác từ trống trên Σ. 2. L = { ε, 0, 1, 01, 10, 00, 11, 011,100} là một ngôn ngữ trên bảng chữ cái Г = {0, 1}. } là ngôn ngữ trên bảng chữ cái Σ = {a, b, c}.3. L = {a, b, c, aa, ab, ac, abc 4. L1 = {ε, a, b, abb, aab, aaa, bbb, abab}, L2 = {an bn | n∈ N} là hai ngôn ngữ trên bảng chữ Σ = {a, b}, L1 là ngôn ngữ hữu hạn trong khi L2 là ngôn ngữ vô hạn. Mỗi từ thuộc ngôn ngữ L2 có số chữ cái a bằng số chữ cái b với a và b không xen kẽ, a nằm ở phía trái và b ở phía phải của từ §2. Các phép toán trên các từ Các phép toán dưới đây thực hiện trên các từ trên cùng một bảng chữ cái Σ, tạo nên các từ mới cũng thuộc cùng một bảng chữ cái. 2.1 Phép nhân ghép Định nghĩa 2.1 Tích ghép (hay nhân ghép) của hai từ α = a1a2…am và từ β = b1b2…bn trên bảng chữ cái Σ, là từ γ = a1a2…amb1b2…bn trên bảng chữ cái Σ. Kí hiệu phép nhân ghép là γ = α.β (hay γ = αβ). Nhận xét: Từ định nghĩa 2.1, ta thấy: • Từ rỗng là phần tử đơn vị đối với phép nhân ghép, tức là: ωε = εω = ω đúng với mọi từ ω. • Phép nhân ghép có tính kết hợp, nghĩa là với mọi từ α, β, γ, ta có (αβ)γ = α(βγ). • Ký hiệu ωn , với n là số tự nhiên, được dùng theo nghĩa quen thuộc: ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ > = = = − .1 ,1 ,0 1 nkhi nkhi nkhi n n ωω ω ε ω 4
• 5. phép nhân ghép thì hàm độ dài có một số tính chất hình thức của lôgarit: với mọi từ α, β và mọi số tự nhiên n, thì: |αβ| = |α| + |β|, và |αn | = n|α|. Và rõ ràng là với phần tử đơn vị, tức là từ rỗng ε, thì | ε | = 0. Chứng minh các kết quả trên là khá dễ dàng, xin dành cho sinh viên như là bài tập. Một vài khái niệm liên quan • Đối với các từ ω, t1, φ, t2 trên bảng chữ cái Σ mà ω = t1φt2 thì *φ * ( * không phải là một ký hiệu của Σ) gọi là một vị trí của φ trên Σ. • Xâu φ được gọi là một từ con trong ω nếu tồn tại ít nhất một vị trí của φ trong ω. • Nếu t1 = ε, tức là ω = φ t2 thì φ được gọi là tiền tố (phần đầu) của từ ω, nếu t2 = ε, tức là ω = t1φ thì φ được gọi là hậu tố (phần cuối) của từ ω. Dễ thấy rằng từ rỗng ε là phần đầu, phần cuối và là từ con của một từ ω bất kỳ trên bảng chữ cái Σ. • Trường hợp | φ | = 1, tức là φ chỉ gồm 1 ký hiệu, chẳng hạn φ = b ∈ Σ, thì *b* được gọi là một vị trí của b trong từ ω, cũng gọi là một điểm trong ω. • Số vị trí của kí hiệu a trong từ ω được ký hiệu là Ia(ω), hay |ω|a hoặc đơn giản hơn là ω|a. Thí dụ 2.1 1. Trên bảng chữ cái W = {if, then, else, a, b, c, d, e, f, +, −, ∗, /, =, ≠}, ta có các từ α = if a+b=c then c∗d=e và β = else c/d=f , còn αβ là từ: if a+b=c then c∗d=e else c/d=f. 2. Cho Σ = {a, b, c}, khi đó: Từ ω = abcbcb chứa 2 vị trí của bcb, đó là a*bcb*cb và abc*bcb*, φ = bcb là một từ con của ω. Từ ω chứa một vị trí của ký hiệu a, đó là *a*bcbcb. 3. Từ ω = 010111001 trên bảng chữ cái {0, 1} có độ dài 9, trong đó 0101 là tiền tố và 11001 là hậu tố của ω. 2.2 Phép lấy từ ngược Định nghĩa 2.2 Giả sử có từ khác rỗng ω = a1a2 …am trên bảng chữ cái Σ, khi đó từ am am-1 … a2 a1 được gọi là từ ngược (hay từ soi gương) của từ ω, và được ký hiệu là ωR , hay ω^ . Khi ω = ε ta quy ước εR = ε. Nhận xét: Dễ thấy rằng phép lấy từ ngược có các tính chất sau: • (ωR )R = ω. • (αβ)R = βR αR • | αR | = | α |. 5
• 6. kết quả trên là khá dễ dàng, xin dành cho sinh viên như là bài tập. Thí dụ 2.2 1. Cho các từ α = 100110 và β = aabb trên bảng chữ cái {0,1,a,b}, theo định nghĩa ta có: αR = 011001 và (αR )R = (011001)R = 100110 = α. βR = bbaa và (βR )R = (bbaa)R = aabb = β. 2. Cho các từ happy và oto trên bảng chữ cái ∑ = {a, b, c, …x, y, z}, khi đó ta có: (happy)R = yppah và (oto)R = oto. Ngoài ra ta có: | (happy)R | = | yppah| = | happy | = 3. 2.3 Phép chia từ Là phép toán ngắt bỏ phần đầu hay phần cuối của một từ. Ta có các định nghĩa sau: Định nghĩa 2.3 Phép chia trái của từ α cho từ β (hay thương bên trái của α và β) cho kết quả là phần còn lại của từ α sau khi ngắt bỏ phần đầu β trong từ α, và được ký hiệu là βα . Định nghĩa 2.4 Phép chia phải của từ α cho từ γ (hay thương bên phải của α và γ) cho kết quả là phần còn lại của từ α sau khi ngắt bỏ phần cuối γ trong từ α, và được ký hiệu là α /γ . Nhận xét: Dễ thấy rằng các phép chia từ có tính chất sau: • Trong phép chia trái của từ α cho từ β thì β phải là tiền tố của từ α, tương tự, trong phép chia phải từ α cho từ γ thì γ phải là hậu tố của từ α. • εα = α /ε = α . • αα = α /α = ε. • Nếu α = β.γ thì βα = γ, còn α /γ = β • (βα )R = αR / βR . • ( α /γ )R = γR αR . Chứng minh các kết quả trên là khá dễ dàng, xin dành cho sinh viên như là bài tập. Thí dụ 2.3 Cho các từ α = abcaabbcc, β = abc, γ = bcc trên bảng chữ cái ∑ = {a, b, c}, khi đó ta có 1. β α = aabbcc và α /γ = abcaab. 2. (βα )R = (aabbcc)R = ccbbaa = ccbbaacba / cba = αR / βR 6
• 7. toán trên ngôn ngữ. Các họ ngôn ngữ cụ thể thường được đặc trưng một cách tiện lợi qua các phép toán xác định trên ngôn ngữ, họ đó gồm các ngôn ngữ nhận được bằng việc tổ hợp từ một số ngôn ngữ cho trước bởi một số phép toán nào đó. Vì mỗi ngôn ngữ là một tập hợp nên ta có các phép toán đại số tập hợp như là phép giao, phép hợp, phép hiệu, phép lấy bù trên các ngôn ngữ. Chẳng hạn, với L1 và L2 là hai ngôn ngữ trên bảng chữ cái Σ thì ta cũng có các ngôn ngữ mới sau đây trên bảng chữ cái Σ: L1 ∪ L2, L1 ∩ L2, L1.L2, Σ* L1. Dưới đây chúng ta sẽ trình bày các phép toán trên ngôn ngữ 3.1 Phép hợp Định nghĩa 3.1 Hợp của hai ngôn ngữ L1 và L2 trên bảng chữ cái ∑, ký hiệu L1∪ L2, là một ngôn ngữ trên bảng chũ cái ∑, đó là tập từ: L = {ω ∈ Σ* | ω ∈ L1 hoặc ω ∈ L2 } Định nghĩa phép hợp có thể mở rộng cho một số hữu hạn các ngôn ngữ, tức là hợp của các ngôn ngữ L1, L2, …, Ln trên bảng chữ cái Σ, là tập từ: = {ω ∈ Σ* | ω ∈ LU n i iL 1= i , với i nào đó, 1 ≤ i ≤ n } Nhận xét: Dễ dàng thấy rằng phép hợp các ngôn ngữ có các tính chất sau: • Phép hợp hai ngôn ngữ có tính giao hoán: L1∪ L2 = L2∪ L1. • Phép hợp các ngôn ngữ có tính kết hợp: (L1∪ L2) ∪ L3 = L1∪ ( L2 ∪ L3). • Với mọi ngôn ngữ L trên Σ thì: L ∪ ∅ = ∅ ∪ L = L và L ∪ Σ* = Σ* . Chứng minh các kết quả trên là khá dễ dàng, xin dành cho sinh viên như là bài tập. 3.2 Phép giao Định nghĩa 3.2 Giao của hai ngôn ngữ L1 và L2 trên bảng chữ cái ∑, ký hiệu L1∩ L2 , là một ngôn ngữ trên bảng chữ cái ∑, đó là tập từ: L = {ω ∈ Σ* | ω ∈ L1 và ω ∈ L2 } Định nghĩa phép giao có thể mở rộng cho một số hữu hạn các ngôn ngữ, tức là giao của các ngôn ngữ L1, L2, …, Ln trên bảng chữ cái Σ, là tập từ: = {ω ∈ Σ* | ω ∈ LI n i iL 1= i , với mọi i, 1 ≤ i ≤ n } Nhận xét: Dễ dàng thấy ràng, phép giao các ngôn ngữ có tính chất sau: • Phép giao hai ngôn ngữ có tính giao hoán: L1 ∩ L2 = L2 ∩ L1. 7
• 8. các ngôn ngữ có tính kết hợp: (L1 ∩ L2) ∩ L3 = L1 ∩ ( L2 ∩ L3). • Phép giao các ngôn ngữ có tính phân phối đối với phép hợp: (L1 ∩ L2) ∪ L3 = (L1 ∪ L3 ) ∩ ( L2 ∪ L3). (L1 ∪ L2) ∩ L3 = (L1 ∩ L3 ) ∪ ( L2 ∩ L3). • Với mọi ngôn ngữ L trên Σ thì: L ∩ ∅ = ∅ ∩ L = ∅ và L ∩ Σ* = L. Chứng minh các kết quả trên là khá dễ dàng, xin dành cho sinh viên như là bài tập. 3.3 Phép lấy phần bù Định nghĩa 3.3 Ngôn ngữ phần bù của ngôn ngữ L trên bảng chữ cái Σ, ký hiệu CΣL (hay đơn giản là CL, nếu không gây nhầm lẫn), là một ngôn ngữ trên bảng chữ cái ∑, đó là tập từ: CΣL = {ω ∈ Σ* | ω ∉ L } Nhận xét: Dễ dàng thấy rằng phép lấy phần bù các ngôn ngữ có các tính chất sau: } = Σ+ , CΣ + = {ε}.• CΣ{ε Σ • CΣ ∅ = Σ* , CΣ Σ* = ∅. • C(CL1 ∪ CL2) = L1 ∩ L2. Chứng minh các kết quả trên là khá dễ dàng, xin dành cho sinh viên như là bài tập. Thí dụ 3.1 1. Cho ngôn ngữ L1 = {ε, 0, 01}, L2 = {ε, 01, 10} trên bảng chữ cái Σ = {0, 1}, khi đó ta có: L1∪ L2 = {ε, 0, 01, 10}, L1 ∩ L2 = {ε, 01}. 2. Cho ngôn ngữ L = {ω ∈ ∑*, với | ω | là một số chẵn }, khi đó ta có: CΣL = {ω ∈ ∑+ , với | ω | là một số lẻ}. 3.4 Phép nhân ghép Định nghĩa 3.4 Cho hai ngôn ngữ L1 trên bảng chữ Σ1 và L2 trên bảng chữ Σ2. Nhân ghép hay tích của hai ngôn ngữ L1 và L2 là một ngôn ngữ trên bảng chữ Σ1 ∪ Σ2, ký hiệu L1L2, đuợc xác định bởi: L1L2 = {αβ | α∈L1 và β∈L2}. Nhận xét: Dễ dàng nhận thấy phép nhân ghép (tích) các ngôn ngữ có các tính chất sau: • Phép nhân ghép có tính kết hợp: với mọi ngôn ngữ L1, L2 và L3, ta có: (L1L2)L3 = L1(L2L3). 8
• 9. = ∅, {ε}L = L{ε} = L, • Phép nhân ghép có tính phân phối đối với phép hợp, nghĩa là L1(L2 ∪ L3) = L1L2 ∪ L1L3, (L2 ∪ L3)L1 = L2L1 ∪ L3L1. • Đặc biệt: Phép nhân ghép không có tính phân phối đối với phép giao. Phép hợp, phép giao không có tính phân phối đối với phép nhân ghép (xem thí dụ 3.2). Tức là với mọi ngôn ngữ L1, L2 và L3, thì: L1(L2 ∩ L3) ≠ (L1L2) ∩ (L1L3) và L1 ∪ (L2L3) ≠ (L1 ∪ L2)(L1 ∪ L3), L1 ∩ (L2L3) ≠ (L1 ∩ L2)(L1 ∩ L3). Thí dụ 3.2 Đây là một phản ví dụ để chỉ ra rằng phép nhân ghép không có tính phân phối đối với phép giao. Phép hợp, phép giao không có tính phân phối đối với phép nhân ghép. Xét các ngôn ngữ L1 = {0, 01}, L2 = {01, 10}, L3 = {0} trên bảng chữ cái Σ = {0, 1}. 1. Có thể kiểm tra được rằng phép nhân ghép không có tính phân phối đối với phép giao: Ta có: L2 ∩ L3 = ∅, do đó: L1(L2 ∩ L3) = ∅, Mặt khác, ta có L1L2 = {001, 010, 0101, 0110} và L1L3 = {00, 010}, do đó: (L1L2) ∩ (L1L3) = {010}. Vậy L1(L2 ∩ L3) ≠ (L1L2) ∩ (L1L3), tức là phép nhân ghép không có tính phân phối đối với phép giao. 2. Kiểm tra tính phân phối của phép hợp, phép giao đối với phép nhân ghép: Ta có: L2L3 = {010, 100}, do đó: L1 ∪ (L2L3) = {0, 01, 010, 100}, Mặt khác ta cũng có L1 ∪ L2 = {0, 01, 10} và L1 ∪ L3 = {0, 01}, do đó: (L1 ∪ L2)(L1 ∪ L3) = {00, 001, 010, 0101, 100, 1001}. Vậy L1 ∪ (L2L3) ≠ (L1 ∪ L2)(L1 ∪ L3), tức là phép hợp không có tính phân phối đối với phép nhân ghép. Tương tự, đối với phép giao, ta có: L2L3 = {010, 100}, do đó: L1 ∩ (L2L3) = ∅. Mặt khác L1 ∩ L2 = {01}, L1 ∩ L3 = {0}, do đó: (L1 ∩ L2)(L1 ∩ L3) = {010}. Vậy L1 ∩ (L2L3) ≠ (L1 ∩ L2)(L1 ∩ L3). Tức là phép giao không có tính phân phối đối với phép nhân ghép. 9
• 10. ngôn ngữ có tính kết hợp nên ký hiệu Ln được dùng với mọi ngôn ngữ L và số tự nhiên n theo nghĩa quen thuộc sau: ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ > = = = 1.nkhi 1,nkhi 0,nkhi}{ 1-n LL LLn ε 3.5 Phép lặp Định nghĩa 3.5 Cho ngôn ngữ L trên bảng chữ cái Σ, khi đó: • Tập từ {ε} ∪ L ∪ L2 ∪ … ∪ Ln ∪ … = được gọi là ngôn ngữ lặp của ngôn ngữ L (hay bao đóng ghép của ngôn ngữ L), ký hiệu L U ∞ =0n n L * . Vậy ngôn ngữ lặp của L là hợp của mọi luỹ thừa của L: L* = .U ∞ =0n n L • Tập từ L ∪ L2 ∪ … ∪ Ln ∪ … = được gọi là ngôn ngữ lặp cắt của ngôn ngữ L, ký hiệu L U ∞ =1n n L + , Vậy ngôn ngữ lặp cắt của L là hợp của mọi luỹ thừa dương của L: L+ = .U ∞ =1n n L Thí dụ 3.3 1. Xét ngôn ngữ L = {0, 1} trên bảng chữ Σ = {0, 1}. Ta có: L2 = {00, 01, 10, 11}, tập hợp các xâu nhị phân độ dài 2; L3 = {000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111}, tập hợp các xâu nhị phân độ dài 3. Tương tự, Ln là tập hợp các xâu nhị phân độ dài n. Vì vậy, L* là tập hợp tất cả các xâu nhị phân. 2. Xét hai ngôn ngữ trên bảng chữ Σ = {a}: L1 = {a2n | n ≥ 1}, L2 = {a5n+3 | n ≥ 0}. Khi đó, ta có L1 = {a2 }+ , L2 = {a5 }* {a3 }. 3.6 Phép lấy ngôn ngữ ngược Định nghĩa 3.6 Cho ngôn ngữ L trên bảng chữ cái Σ, khi đó ngôn ngữ ngược của L là một ngôn ngữ trên bảng chữ cái ∑, được ký hiệu là LR hay L^ , là tập từ: LR = {ω ∈ Σ* / ωR ∈ L} 10
• 11. dàng thấy rằng phép lấy ngôn ngữ ngược có các tính chất sau: • (LR )R = L. R = { ε}.{ε}• • (∅)R = ∅. Chứng minh các kết quả trên là khá dễ dàng, xin dành cho sinh viên như là bài tập. Thí dụ 3.4 Cho L = {ε, ab, abc, cbaa} là một ngôn ngữ trên bảng chữ cái Σ = {a, b, c}, khi đó LR = {ε, ba, cba, aabc} là ngôn ngữ ngược của L. 3.7 Phép chia ngôn ngữ Định nghĩa 3.7 Cho ngôn ngữ X và Y trên bảng chữ cái Σ, khi đó thương bên trái của ngôn ngữ X cho ngôn ngữ Y là một ngôn ngữ trên ∑, được ký hiệu là Y X , là tập từ: Y X = {z ∈ Σ* / x ∈ X, y ∈ Y mà x = yz} Định nghĩa 3.8 Cho ngôn ngữ X và Y trên bảng chữ cái Σ, khi đó thương bên phải của ngôn ngữ Xcho ngôn ngữ Y là một ngôn ngữ trên ∑, được ký hiệu là X /Y , là tập từ: X / Y = {z ∈ Σ* / x ∈ X, y ∈ Y mà x = zy} Nhận xét: Dễ dàng thấy rằng phép chia ngôn ngữ có các tính chất sau: L = L / = L• {ε} {ε} • ∅ L = L /∅ = L • L Σ* = Σ* /L = Σ* • L Σ+ = Σ+ /L = Σ+ • (Y X )R = XR / Y R , ( X / Y )R = YR. XR . Chứng minh các kết quả trên là khá dễ dàng, xin dành cho sinh viên như là bài tập. Thí dụ 3.5 Cho X = {a, b, abc, cab, bcaa} và Y = {ε, c, ab} là các ngôn ngữ trên bảng chữ cái Σ = {a, b, c}, khi đó: 1. Y X = {a, b, abc, cab, bcaa, ab, c} 2. X / Y = {a, b, abc, cab, bcaa, ab, c} 3. X Y = {b} 4. Y / X = {a} 5. X X = {ε , bc, caa} 6. Y Y = {ε, c, ab} 11
• 12. và ngôn ngữ sinh bởi văn phạm Mở đầu Ta có thể hình dung một văn phạm như một “thiết bị tự động” mà nó có khả năng sinh ra một tập hợp các từ trên một bảng chữ cái cho trước. Mỗi từ được sinh ra sau một số hữu hạn bước thực hiện các quy tắc của văn phạm. Việc xác định một ngôn ngữ trên bảng chữ cái cho trước có thể được thực hiện bằng một trong các cách thức sau: Cách 1. Đối với mỗi từ thuộc ngôn ngữ đã cho, ta có thể chọn một quy cách hoạt động của “thiết bị tự động” để sau một số hữu hạn bước làm việc nó dừng và sinh ra chính từ đó. Cách 2. “Thiết bị tự động” có khả năng lần lượt sinh ra tất cả các từ trong ngôn ngữ đã cho. Cách 3. Với mỗi từ ω cho trước, “thiết bị tự động” có thể cho biết từ đó có thuộc ngôn ngữ đã cho hay không. Trong lý thuyết văn phạm, người ta đã chứng minh được rằng ba cách thức trên là tương đương nhau hay văn phạm làm việc theo các cách trên là tương đương nhau. Vì vậy, ở đây ta quan tâm đến cách thứ nhất, tức là ta xét văn phạm như là một “thiết bị tự động” sinh ra các từ. Vì lẽ đó mà người ta còn gọi các “thiết bị tự động” đó là văn phạm sinh. Việc sinh ra các từ có thể được thực hiện bằng nhiều cách khác nhau. Các từ có thể được sinh ra bởi các văn phạm, bởi các Otomat, bởi các máy hình thức như máy Turing, …Ở đây ta đề cập đến cách của CHOMSKY đưa ra vào những năm 1956-1957. 4.1. Định nghĩa văn phạm Định nghĩa 4.1 Văn phạm G là một bộ sắp thứ tự gồm 4 thành phần: G = < Σ, Δ, S, P >, trong đó: + Σ là một bảng chữ cái, gọi là bảng chữ cái cơ bản (hay bảng chữ cái kết thúc), mỗi phần tử của nó được gọi là một ký hiệu kết thúc hay ký hiệu cơ bản; + Δ là một bảng chữ cái, Δ ∩ Σ = ∅, gọi là bảng ký hiệu phụ (hay báng chữ cái không kết thúc), mỗi phần tử của nó được gọi là một ký hiệu không kết thúc hay ký hiệu phụ. + S ∈ Δ được gọi là ký hiệu xuất phát hay tiên đề; + P là tập hợp các quy tắc sinh có dạng α→β, α được gọi là vế trái và β được gọi là vế phải của quy tắc này, với α, β ∈ (Σ ∪ Δ)* và trong α chứa ít nhất một ký hiệu không kết thúc. P = {α→β | α = α’Aα’’, với A ∈ Δ, α’, α’’, β ∈ (Σ ∪ Δ)* } 12
• 13. Σ = {0,1}, Δ = {S, A, B} thì các quy tắc S → 0S1A, 0AB → 1A1B, A → ε,… là các quy tắc hợp lệ vì vế trái luôn chứa ít nhất 1 ký hiệu phụ thuộc Δ. Nhưng các quy tắc dạng 0 → A, 01 → 0B,… là các quy tắc không hợp lệ. Thí dụ 4.1 Các bộ bốn sau là các văn phạm: 1. G1 = <{0, 1}, {S}, S, {S→0S1, S→ε}>, 2. G2 = <{a, b}, {S, A}, S, {S→Ab, A→aAb, A→ε}>, 3. G3 = <{a, b, c}, {S, A, B, C}, S, {S→ABC, A→aA, B→bB, C→cC, A→a, B→b, C→c}> 4. G4 = <Σ, Δ, S, P>, trong đó: Σ = {tôi, anh, chị, ăn, uống, cơm, phở, sữa, café}, Δ = {<câu>, <chủngữ>, <vịngữ>, <độngtừ1>, <độngtừ2>, <danhtừ1>, <danhtừ2>}, S = <câu>, P = {<câu>→<chủngữ><vịngữ>, <chủngữ>→tôi, <chủngữ>→anh, <chủngữ>→chị, <vịngữ>→<độngtừ1><danhtừ1>, <vịngữ>→<độngtừ2><danhtừ2>, <độngtừ1>→ăn, <độngtừ2>→uống, <danhtừ1>→cơm, <danhtừ1>→phở, <danhtừ2>→sữa, <danhtừ2>→café}. Chú ý: Nếu các quy tắc có vế trái giống nhau có thể viết gọn lại: hai quy tắc α→ β, α→ γ có thể được viết là α→ β | γ. Chẳng hạn, như trong văn phạm G1 ở thí dụ 4.1, ta có thể viết hai quy tắc của nó dưới dạng S→0S1 | ε. 4.2 Ngôn ngữ sinh bởi văn phạm Định nghĩa 4.2 Cho văn phạm G = < Σ, Δ, S, P > và η, ω∈(Σ ∪ Δ)* . Ta nói ω được suy dẫn trực tiếp từ η trong G, ký hiệu η├G ω hay ngắn gọn là η├ ω (nếu không sợ nhầm lẫn), nếu tồn tại quy tắc α→β∈P và γ, δ∈(Σ ∪ Δ)* sao cho η = γαδ, ω = γβδ. Điều này có nghĩa là nếu η nhận vế trái α của quy tắc α→β như là từ con thì ta thay α bằng β để được từ mới ω. Định nghĩa 4.3 Cho văn phạm G = < Σ, Δ, S, P > và η, ω∈(Σ ∪ Δ)*. Ta nói ω được suy dẫn từ η trong G, ký hiệu η╞G ω hay ngắn gọn là η╞ ω (nếu không sợ nhầm lẫn), nếu η = ω hoặc tồn tại một dãy D = ω0, ω1,…, ωk∈(Σ ∪ Δ)* sao cho ω0 = η, ω k = ω và ωi-1├ ωi, với i = 1, 2,..., k. Dãy D = ω0, ω1, …, ωk được gọi là một dẫn xuất của ω từ η trong G và số k được gọi là độ dài của dẫn xuất này. Nếu ω0 = S và ωk ∈ Σ* thì dãy D gọi là dẫn xuất đầy đủ. Nếu ωi được suy dẫn trực tiếp từ ωi-1 bằng việc áp dụng một quy tắc p nào đó trong G thì ta nói quy tắc p được áp dụng ở bước thứ i. Định nghĩa 4.4 Cho văn phạm G = < Σ, Δ, S, P >. Từ ω∈Σ* được gọi là sinh bởi văn phạm G nếu tồn tại suy dẫn S╞ ω. Ngôn ngữ sinh bởi văn phạm G, ký hiệu L(G), là tập hợp tất cả các từ sinh bởi văn phạm G: L(G) = {ω∈Σ* | S ╞G ω}. 13
• 14. Hai văn phạm G1 = < Σ1, Δ1, S1, P1 > và G2 = < Σ2, Δ2, S2, P2 > được gọi là tương đương nếu L(G1) = L(G2). Thí dụ 4.2 1. Xét văn phạm G1 trong thí dụ 4.1. Từ ω = 00001111 được suy dẫn từ S bằng dãy dẫn xuất độ dài 5: S├ 0S1├ 00S11├ 000S111├ 0000S1111 ├ 00001111 (có thể viết ngắn gọn là ω = 04 14 ). Bằng việc sử dụng n lần (n ≥ 0) quy tắc 1 rồi quy tắc 2, ta có: S╞ 0n 1n . Do đó L(G1) = {0n 1n | n ≥ 0}. 2. Xét văn phạm G2 trong thí dụ 4.1. Sử dụng quy tắc 1, rồi n lần (n ≥ 0) quy tắc 2, sau đó quy tắc 3 để kết thúc, ta có: S├ Ab╞ an Abn b├ an bn+1 . Do đó L(G2) = {an bn+1 | n ≥ 0}. 3. Xét văn phạm G3 trong thí dụ 4.1. Sử dụng quy tắc 1, rồi m -1 lần (m ≥ 1) quy tắc 2, n-1 lần (n ≥ 1) quy tắc 3, k-1 lần (k ≥ 1) quy tắc 4 (các quy tắc có thể xen kẻ), sau đó kết thúc bởi các quy tắc 5, 6, 7, ta có: S ├ ABC ╞ am Abn Bck C ╞ am bn ck . Do đó L(G3) = {am bn ck | m ≥ 1, n ≥ 1, k ≥ 1}. 4. Dễ dàng thấy rằng: L(G4) = {tôi ăn cơm, anh ăn cơm, chị ăn cơm, tôi ăn phở, anh ăn phở, chị ăn phở, tôi uống sữa, anh uống sữa, chị uống sữa, tôi uống café, anh uống café, chị uống café}. Ta có thể biểu diễn việc dẫn xuất từ <câu> đến một từ trong L(G4), chẳng hạn “tôi ăn cơm” bằng một cây gọi là cây dẫn xuất hay cây phân tích cú pháp như dưới đây. Tất nhiên, theo quan điểm phân tích cú pháp thực tế, việc xem xét các quy tắc theo hướng ngược lại là từ phải qua trái. Điều đó có nghĩa là cây dưới đây được xử lý từ dưới lên trên chứ không phải là từ trên xuống dưới. (H.1). H. 2.1 Cây dẫn xuất cho ví dụ 4.2 14
• 15. Cho hai văn phạm G3 = <Σ, {S}, S, P3>, G4 = <Σ, {S}, S, P4>, trong đó: Σ = {0, 1, 2, 3, 4, 5 ,6, 7, 8, 9}, P3 = {S→1| 2| 3| 4| 5| 6| 7| 8| 9| S0| S1| S2| S3| S4| S5| S6| S7| S8| S9}, P4 = {S→0| 1| 2| 3| 4| 5| 6| 7| 8| 9| 1S| 2S| 3S| 4S| 5S| 6S| 7S| 8S| 9S}. Dễ thấy rằng L(G3) = {n | n ≥ 1}. Thất vậy, sử dụng k-1 lần (k ≥ 1) các quy tắc trong nhóm 10 quy tắc cuối của G3, rồi một quy tắc trong nhóm 9 quy tắc đầu tiên của nó, ta có: S ├ Si1├ Si2i1 ├ … ├ Sik-1…i2i1 ├ Sikik-1…i2i1, (với i1, i2, …, ik ∈ ∑). trong đó, i1, i2, …, ik-1 ≥ 0 và ik ≥ 1. Do đó, L(G3) = {n | n ≥ 1}. Lập luận như trên, ta nhận được L(G4) = {n | n ≥ 0}. Vì vậy, G3 và G4 không tương đương nhau. 4.3 Phân loại văn phạm theo Chomsky Dựa vào đặc điểm của tập quy tắc mà người ta chia các văn phạm thành các nhóm khác nhau. Noam Chomsky (Institute Professor, Massachusetts Institute of Technology. Born December 7, 1928 Philadelphia, Pennsylvania, USA) đã phân loại văn phạm thành bốn nhóm: • Nhóm 0: Văn phạm không hạn chế (hay văn phạm ngữ cấu, văn phạm tổng quát), • Nhóm 1: Văn phạm cảm ngữ cảnh, • Nhóm 2: Văn phạm phi ngữ cảnh, • Nhóm 3: Văn phạm chính quy. Dưới đây là các định nghĩa cho các nhóm văn phạm nói trên. Định nghĩa 4.6 Văn phạm G = < Σ, Δ, S, P > mà không có một ràng buộc nào đối với các quy tắc của nó được gọi là văn phạm tổng quát hay văn phạm không hạn chế. Như vậy, các quy tắc trong văn phạm nhóm 0 có dạng: α→β, với α = α’Aα’’, A ∈ Δ, α’, α’’, β ∈ (Σ ∪ Δ)* . Các quy tắc của văn phạm nhóm 0 được gọi là quy tắc không hạn chế. Ngôn ngữ do văn phạm nhóm 0 sinh ra được gọi là ngôn ngữ tổng quát. Định nghĩa 4.7 Văn phạm G = < Σ, Δ, S, P > mà các quy tắc của nó đều có dạng: α→β, với α = α’Aα’’, A ∈ Δ, α’, α’’, β ∈ (Σ ∪ Δ)* , và | α | ≤ | β |, được gọi là văn phạm nhóm 1hay văn phạm cảm ngữ cảnh. Các quy tắc trong văn phạm nh óm 1 được gọi là quy tắc cảm ngữ cảnh. Ngôn ngữ do văn phạm cảm ngữ cảnh sinh ra được gọi là ngôn ngữ cảm ngữ cảnh. Các văn phạm mà các quy tắc của chúng có dạng trên, đồng thời chứa thêm quy tắc rỗng S→ε, cũng được xếp vào lớp văn phạm nhóm 1. Thí dụ 4.4 Cho văn phạm G = <{a, b, c}, {S, A, B, C}, S, P>, trong đó: P = {S→aSAC, S→abC, CA→BA, BA→BC, BC→AC, bA→bb, C→c}. 15
• 16. là văn phạm cảm ngữ cảnh. Sử dụng n-1 lần (n ≥ 1) quy tắc 1, rồi quy tắc 2, kế đến sử dụng liên tiếp các quy tắc 3, 4, 5 (để đổi chỗ A và C), sau đó sử dụng n-1 lần quy tắc 6 và n lần quy tắc 7, ta có: S╞ an-1 S(AC)n-1 ├ an bC(AC)n-1 ╞ an bAn-1 Cn ╞ an bn cn . Từ đó suy ra L(G) = {an bn cn | n ≥ 1}. Định nghĩa 4.8 Văn phạm G = < Σ, Δ, S, P > mà các quy tắc của nó có dạng A→ω, trong đó A∈Δ, ω∈(Σ ∪ Δ)* , được gọi là văn phạm nhóm 2.hay văn phạm phi ngữ cảnh. Như vậy, các quy tắc trong văn phạm phi ngữ cảnh có vế trái chỉ chứa một ký hiệu phụ còn vế phải là tùy ý, và được gọi là quy tắc phi ngữ cảnh. Ngôn ngữ do văn phạm phi ngữ cảnh sinh ra được gọi là ngôn ngữ phi ngữ cảnh. Thí dụ 4.5 1. Cho văn phạm G1 = <{a, b}, {S, A}, S, P>, trong đó: P = {S→Sa, S→Aa, A→aAb, A→ab}. Khi đó G1 là văn phạm phi ngữ cảnh. Sử dụng m-1 lần (m ≥ 1) quy tắc 1, rồi quy tắc 2, sau đó sử dụng n-1 lần (n ≥ 1) quy tắc 3, cuối cùng là quy tắc 4, ta có: S ╞ Sam-1 ├ Aaam-1 ╞ an-1 Abn-1 am ├ an bn am . Từ đó suy ra L(G1) = {an bn am | n ≥ 1, m ≥ 1}. 2. Cho văn phạm G2 = <{0, 1}, {S}, S, {S→SS, S→0S1, S→1S0, S→ε}>. G2 là văn phạm phi ngữ cảnh. Từ các quy tắc của G2, ta có L(G2) ={ε, 01, 10, 0011, 1100, 1001, 111000, …} hay L(G2)={ω∈{0, 1}* | số các chữ số 0 và 1 trong ω là bằng nhau}. 3. Cho văn phạm G3 = <{a, b}, {S}, S, P3>, với P3 = {S→ε, S→aSa, S→bSb, S→aa, S→bb}. G3 là văn phạm phi ngữ cảnh và nó sinh ra ngôn ngữ phi ngữ cảnh L(G3) = {ωωR | ω ∈ {a, b}* } có các từ có độ dài chẵn và có các ký hiệu đối xứng nhau từ hai đầu của từ. Chẳng hạn các từ abba, bbaabb, ababbaba… là thuộc L(G3). Định nghĩa 4.9 Văn phạm G = < Σ, Δ, S, P > mà các quy tắc của nó chỉ có dạng A→aB, A→a (hoặc chỉ có dạng A→Ba, A→a ), trong đó A, B∈Δ, a∈Σ, được gọi là văn phạm nhóm 3 hay văn phạm chính quy. Các văn phạm mà các quy tắc của chúng có dạng trên, đồng thời chứa thêm quy tắc rỗng S→ε cũng được gọi là văn phạm chính quy (hay còn gọi là văn phạm chính quy suy rộng). Các quy tắc trong văn phạm chính quy được gọi là quy tắc chính quy. Ngôn ngữ do văn phạm chính quy sinh ra được gọi là ngôn ngữ chính quy. 16
• 17. Cho văn phạm: G1 = <{1}, {S, A, B}, S, P1 >, với P1 = {S→ε, S→1A, A→1B, B→1A, A→1}. Khi đó, G1 là văn phạm chính quy và L(G1) = {12n | n ≥ 0}. Thật vậy, sử dụng quy tắc 1, ta có S├ 12n , (ε = 12n , với n = 0), sử dụng quy tắc 2, rồi n-1 lần (n ≥ 1) liên tiếp cặp quy tắc 3 và 4, cuối cùng là quy tắc 5, ta có: S├ 1A ├ 11B ├ 111A ├ … ╞ 1(12n-2 )A ├ 1(12n-2 )1 = 12n . 2. Cho văn phạm G2 = <{0, 1}, {S, A}, S, P2 >, P2 = {S→0A, A→0A, A→1A, A→0}>. Khi đó, G1 là văn phạm chính quy và L(G2) = {0ω0 | ω∈{0, 1}* }. Thật vậy, sử dụng quy tắc 1, rồi một số hưữ hạn lần tuỳ ý, có thể xen kẽ các quy tắc 2 và 3, cuối cùng là quy tắc 4, ta có: S ├ 0A ╞ 0ωA├ 0ω0. Nhận xét: Từ các định nghĩa trên, ta thấy lớp văn phạm không hạn chế là rộng nhất, nó chứa đựng các văn phạm cảm ngữ cảnh, lớp văn phạm cảm ngữ cảnh chứa các văn phạm phi ngữ cảnh và lớp văn phạm phi ngữ cảnh chứa các văn phạm chính quy. Ngôn ngữ hình thức được gọi là ngôn ngữ tổng quát (hay cảm ngữ cảnh, phi ngữ cảnh, chính quy) nếu tồn tại văn phạm loại tương ứng sinh ra nó. Vì vậy, đối với các lớp ngôn ngữ, nếu ký hiệu L0, L1, L2, L3 lần lượt là các lớp ngôn ngữ tổng quát, cảm ngữ cảnh, phi ngữ cảnh và chính quy thì ta có bao hàm thức: L3 ⊂ L2 ⊂ L1 ⊂ L0. Hình vẽ dưới đây cho một sự so sánh về độ lớn của các lớp ngôn ngữ theo phân loại của Chomsky, cho thấy lớp ngôn ngữ chính quy L3 là nhỏ nhất, nó bị chứa thực sụ trong lớp ngôn ngữ phi ngữ cảnh L2, lớp ngôn ngữ phi ngữ cảnh lại bị chứa thực sự trong lớp ngôn ngữ cảm ngữ cảnh L1 và cuối cùng lớp ngôn ngữ tổng quát L0 (ngôn ngữ ngữ cấu) là rộng nhất. H. 2.2 So sánh các lớp ngôn ngữ Ta cũng thấy về mặt cấu trúc ngữ pháp thì các quy tắc của các văn phạm phi ngữ cảnh và văn phạm chính quy là đơn giản hơn cả và chúng có nhiều ứng dụng trong việc thiết kế các ngôn ngữ lập trình và trong nghiên cứu về chương trình dịch… Vì vậy, trong các phần tiếp theo chúng ta dành thêm sự quan tâm tới hai lớp văn phạm đó. L0 ngũ cấu L1L2L3 17
• 18. Cho bảng chữ cái Σ = {a1, a2, …, an}. Chứng minh rằng các ngôn ngữ: L1 = {ω = a1a2 …an}, L2 = Σ+ , L3 = Σ* , L = ∅ là các ngôn ngữ chính quy trên bảng chữ Σ. Thật vậy, ta có thể xây dựng các văn phạm chính quy sinh các ngôn ngữ trên: G1 = <Σ, {S, A1, …, An-1}, S, {S→a1A1, A1→a2A2, …, An-2→an-1An-1, An-1→an}>. Dễ thấy G1 là văn phạm chính quy, và L1 = L(G1). G2 = <Σ, {S}, S, {S→aS, S→a | a∈Σ}>, dễ thấy G2 là văn phạm chính quy, và L2 = L(G2). G3 = <Σ, {S, A}, S, {S→ε, S→a, S→aA, A→aA, A→a | a∈Σ}>, dễ thấy G3 là văn phạm chính quy, và L3 = L(G3). G4 = <Σ, {S}, S, {S→aS | a∈Σ}>, dễ thấy G4 là văn phạm chính quy, và nó làm việc không bao giờ dừng, tức là không có ω∈Σ* sinh bởi G4, vậy G4 sinh ra ngôn ngữ ∅. §5. Các tính chất của văn phạm và ngôn ngữ sinh bởi văn phạm 5.1 Một số tính chất của văn phạm và dẫn xuất Trong phần này, chúng ta sẽ trình bày một số tính chất quan trọng của các dẫn xuất và các văn phạm. Định lý 5.1 Với mọi văn phạm G = < Σ, Δ, S, P >, luôn tồn tại một văn phạm G’ = < Σ’, Δ’, S’, P’ > tương đương với văn phạm G, tức là L(G) = L(G’). Chứng minh: Giả sử có văn phạm G = < Σ, Δ, S, P >, ta xây dựng văn phạm G’ = < Σ’, Δ’, S’, P’ >, trong đó: + Σ’ = Σ, và với mỗi a ∈ Σ, ta bổ xung một ký hiệu a ∉ Σ ∪ Δ và gọi là đối ngẫu của a, đặt Г = {a | a ∈ Σ} + Δ’ = Δ ∪ Г, + S’ = S, + P’ = P1 ∪P2 , với P1 = { a → a | ∀a ∈ Σ}, P2 = {α → β | ∀α→β ∈ P }, α và β là các xâu α và β đã được thay các ký hiệu thuộc Σ bằng các ký hiệu đối ngẫu của nó. Dễ thấy rằng L(G) = L(G’), thật vậy ta sẽ chứng minh hai bao hàm thức: a./ Chứng minh L(G) ⊆ L(G’): Lấy bất kỳ ω ∈ L(G), khi đó ta có S╞G ω, tức là ta có một dãy suy dẫn trực tiếp trong G: S = ω0├G ω1├G … ├G ωk = ω, với dãy suy dẫn này, ta thay mọi quy tắc trong các suy dẫn ωi ├G ωi+1, ( 0 ≤ i ≤ k-1), bởi các quy tắc tương ứng trong P1 và P2, ta nhận được dãy các suy dẫn trong G’: S = ω’0├G’ ω’1 ├G’ … ├G’ ω’m = ω, do đó ta có S╞G’ ω , tức là ω ∈ L(G’). Vậy L(G) ⊆ L(G’). 18
• 19. L(G’) ⊆ L(G): Lấy bất kỳ ω ∈ L(G’), khi đó ta có S╞G’ ω, tức là ta có một dãy suy dẫn trong G’: S = ω’0├G’ ω’1 ├G’ … ├G’ ω’k = ω, trong các suy dẫn ωi├G’ ωi+1, ( 0 ≤ i ≤ k-1), ta thay mọi kí hiệu a ∈ Г bởi các ký hiệu tương ứng a ∈ Σ1, khi đó mọi quy tắc đều thuộc P, ta nhận được dãy các suy dẫn trưc tiếp trong G: S = ω0├G ω1├G … ├G ωk = ω, ta có S╞G ω, tức là ω ∈ L(G). Vậy L(G’) ⊆ L(G). Thí dụ 5.1 Cho văn phạm G1 = <{a, b}, {S}, S, {S→aSb, S→ab}>, ta có thể xây dựng G2 tương đương với G1 như sau: G2 = <{a, b}, {S, A, B}, S, {S→ASB, A→a, B→b, S→AB}>. Dễ dàng có được L(G1) = L(G2) = {an bn | n ≥ 1}, hay G1 và G2 là tương đương. Với mỗi văn phạm G, ta có thể thay thế các quy tắc có chứa ký hiệu xuất phát ở vế phải, để nhận được một văn phạm tương đương, nhờ bổ đề sau: Bổ đề 5.1 Cho văn phạm G = < Σ, Δ, S, P >. Khi đó nếu tồn tại trong P quy tắc chứa ký hiệu xuất phát S ở vế phải thì tồn tại văn phạm G’ tương đương với G mà các quy tắc của nó không chứa ký hiệu xuất phát ở vế phải. Chứng minh: Lấy S’∉Σ ∪ Δ, xét văn phạm G’ = <Σ, Δ ∪ {S’}, S’, P’>, trong đó P’ = P ∪ {S’→α | S→α ∈ P}. Rõ ràng trong P’ không chứa quy tắc nào có S’ ở vế phải. Ta chứng minh L(G) = L(G’). a./ Lấy ω∈L(G): Khi đó ta có S╞G ω, giả sử dãy dẫn xuất trong G của ω là S ├ α ├ ω1 ├ … ├ ω. Vì S├G α nên có S→α∈P, do đó S’→α∈P’ và vì P ⊂ P’ nên ta có S’├G’ α╞G’ ω. Vậy S’╞G’ ω hay ω ∈ L(G’), vậy L(G) ⊆ L(G’). b./ Lấy ω∈L(G’): Khi đó ta có S’╞G’ ω, giả sử ta có dãy dẫn xuất trong G’ là S’├G’ α ╞G’ ω. Vì S’├G’ α nên S’→α ∈ P’, do đó tồn tại S→α ∈ P. Mặt khác, trong α không chứa S’ nên các suy dẫn trực tiếp trong α╞G’ ω chỉ sử dụng các quy tắc của P. Vậy ta có S ╞G ω hay ω ∈ L(G), vậy L(G’) ⊆ L(G). Với mỗi văn phạm G, ta có thể thay thế các quy tắc có chứa ký hiệu cơ bản ở vế trái, để nhận được một văn phạm tương đương không chứa các ký hiệu cơ bản ở vể trái các quy tắc, nhờ bổ đề sau: Bổ đề 5.2 Cho văn phạm G = < Σ, Δ, S, P > tùy ý, luôn luôn có thể xây dựng văn phạm G’ tương đương với G mà các quy tắc của nó không chứa ký hiệu cơ bản ở vế trái. Chứng minh: Giả sử có văn phạm G = < Σ, Δ, S, P > tùy ý, với mỗi lý hiệu cơ bản a xuất hiện trong vế trái của một quy tắc nào đó, ta bổ xung một ký hiệu a ∉ Σ ∪ Δ và gọi là đối ngẫu của a, Đặt Г = {a | a ∈ Σ , a xuất hiện ở vế trái quy tắc nào đó }, P1 = { a → a | a ∈ Г, a ∈ Σ }, 19
• 20. → β | ∀α→β ∈ P }, α và β là các xâu α và β đã được thay các ký hiệu a ∈ Σ (mà đã xuất hiện ở vế trái một quy tắc nào đó) , bằng các ký hiệu đối ngẫu a của nó. Xây dựng văn phạm G’ = < Σ’, Δ’, S’, P’ >, với: Σ’ = Σ, Δ’ = Δ ∪ Г, S’ = S, P’ = P1 ∪ P2 Văn phạm G’ sẽ là văn pham tương đương với văn phạm G (theo định lý 5.1), hơn nữa, theo cách xây dựng thì trong tất cả các vế trái của G’ sẽ không chứa ký hiệu cơ bản. Vậy bổ đề được chứng minh. Ta đưa ra hai khái niệm về dẫn xuất: Định nghĩa 5.1 Cho văn phạm G = < Σ, Δ, S, P > và hai dãy dẫn xuất D = ω0, ω1, …, ωk và D’ = ω’0, ω’1, …, ω’m trong văn phạm G. Ta nói hai dẫn xuất trên là đồng lực nếu ω0 = ω’0 và ωk = ωm. Định nghĩa 5.2 Cho văn phạm G = < Σ, Δ, S, P > và dẫn xuất D = ω0, ω1, …, ωk trong văn phạm G. Ta nói dẫn xuất D là không lặp nếu không tồn tại cặp (ωi, ωj) với i ≠ j mà ωi = ωj. Định lý 5.2 Với mọi dẫn xuất trong văn phạm G tùy ý, luôn luôn tồn tại một dẫn xuất không lặp và đồng lưc với nó. Chứng minh: Giả sử D = ω0, ω1, …, ωi-1, ωi, ωi+1,…, ωm, xét các trường hợp sau: a/. Trong D không có một cặp (ωi, ωj) với i ≠ j mà ωi = ωj, khi đó D chính là dẫn xuất không lặp và đồng lực với chính nó. b/. Trong D có một cặp (ωi, ωj) với i ≠ j mà ωi = ωj, khi đó ta xét dẫn xuất D’ = ω0, ω1, …, ωi- 1, ωj, ωj+1,…, ωm. Rõ ràng đây là dẫn xuất không lặp và đồng lực với D, vì D’ nhận được bằng cách bỏ đi một đoạn ωi, ωi+1, …, ωj-1 là đoạn có điểm đầu và điểm cuối trùng nhau, do đó dẫn xuất D’ là đồng lực với D. Nếu trong D vẫn còn những cặp ω’i= ω’j như vậy, ta sẽ lặp lại quá trình trên cho đến khi mọi xâu trong D là khác nhau từng đôi một, ta sẽ nhận được một dẫn xuất mới không lặp và đồng lực với dẫn xuất ban đầu. 5.2 Tính đóng của lớp ngôn ngữ sinh bởi văn phạm Giả sử L1 và L2 là hai ngôn ngữ bất kỳ được sinh bởi văn phạm, và “o” là một phép toán nào đó trên lớp các ngôn ngữ (phép hợp, phép giao, phép nhân ghép, phép lấy ngôn ngữ bù…). Nếu L1 oL2 là ngôn ngữ cũng được sinh bởi một văn phạm thì ta nói lớp ngôn ngữ do văn phạm sinh ra đóng đối với phép toán . Lớp ngôn ngữ sinh bởi văn phạm là đóng đối với hầu hết các phép toán trên ngôn ngữ mà ta đã học trong §3, dưới đây ta chỉ xét tính đóng đối với một số phép toán quan trọng nhất. o 20
• 21. Lớp ngôn ngữ sinh bởi văn phạm là đóng đối với phép hợp (∪), phép giao (∩) và phép nhân ghép ngôn ngữ (.) Chứng minh: Trước hết, ta sẽ chứng minh lớp ngôn ngữ sinh bởi văn phạm là đóng đối với phép hợp, việc chứng minh tính đóng của lớp ngôn ngữ sinh bởi văn phạm đối với các phép giao và phép nhân ngôn ngữ là hoàn toàn tương tự. Giả sử L1, L2 là các ngôn ngữ được sinh bởi văn phạm G1= <Σ1, Δ1, S1, P1>, G2 = <Σ2, Δ2, S2, P2>, tức là L1 = L(G1), L2 = L(G2). Ta chứng minh tồn tại văn phạm G sao cho L(G) = L1∪ L2. Xây dựng văn phạm G sinh ra ngôn ngữ L1∪ L2 như sau: G = <Σ, Δ, S, P>, với: Σ = Σ1∪ Σ2 Δ = Δ1∪Δ2 ∪{S} P = P1∪ P2 ∪ {S→S1, S→S2} Ta sẽ chứng minh L(G) = L1∪ L2 bằng cách chứng minh hai bao hàm thức: a./ Chứng minh L(G) ⊆ L1∪ L2: Giả sử ω ∈ L(G), khi đó tồn tại một suy dẫn trong văn phạm G: S ╞G ω, trong đó ω ∈ Σ* = (Σ1∪ Σ2)*. Do cách xây dựng tập quy tắc P, nên trong suy dẫn S╞ ω, có hai khả năng: + hoặc S├G S1╞G1 ω, vậy ω là kết quả của suy dẫn S1╞ ω trong G1, do đó ω ∈ L(G1). (a) + hoặc S├G S2╞G2 ω, vậy ω là kết quả của suy dẫn S2╞ ω trong G2, do đó ω ∈ L(G2). (b) Từ (a) và (b), ta thấy ω ∈ L1∪ L2, hay L(G) ⊆ L1∪ L2 b./ Chứng minh L1∪L2 ⊆ L(G): Giả sử ω∈ L1∪L2, khi đó ta cũng có hai khả năng: ω ∈ L1 hoặc ω ∈ L2 : + Nếu ω ∈ L1 = L(G1), khi đó ta có suy dẫn S1╞G1 ω trong G1, do đó ta cũng có suy dẫn S ├G S1 ╞G1 ω là một suy dẫn trong G (vì theo cách xây dựng G, mọi quy tắc và mọi ký hiệu trong G1 cũng đều thuộc G), như vậy ω ∈ L(G). + Nếu ω ∈ L2 = L(G2), khi đó ta có suy dẫn S2╞G2 ω trong G2, do đó ta cũng có suy dẫn S ├G S2 ╞G2 ω là một suy dẫn trong G (vì theo cách xây dựng G, mọi quy tắc và mọi ký hiệu trong G2 cũng đều thuộc G), như vậy ω ∈ L(G). Vậy ta luôn luôn có ω ∈ L(G), do đó: L1∪L2 ⊆ L(G). Tức là ta đã chứng minh được rằng L(G) = L1∪ L2. Tương tự, để chứng minh tính đóng của lớp ngôn ngữ sinh bởi văn phạm đối với phép nhân ghép ngôn ngữ, ta xây dựng văn phạm G = <Σ, Δ, S, P> sao cho L(G) = L(G1). L(G2) như sau: Σ = Σ1∪ Σ2 Δ = Δ1∪Δ2 ∪{S} P = P1∪ P2 ∪{S→S1S2}. Khi đó L(G) = L(G1).L(G2) 21
• 22. tính đóng của lớp ngôn ngữ sinh bởi văn phạm đối với phép giao, ta xây dựng văn phạm G = <Σ, Δ, S, P> sao cho L(G) = L(G1) ∩ L(G2) như sau: Σ = Σ1 ∩ Σ2 Δ = Δ1∪Δ2 ∪ Г1 ∪ Г2 ∪ , trong đó: Г1 = { a | a ∈ Σ1{S} } là tập các ký hiệu đối ngẫu của các ký hiệu trong Σ1, còn Г2 = {b | b ∈ Σ2} là tập các ký hiệu đối ngẫu của Σ2. P = 1P ∪ 2P ∪ {S→S1S2}∪ P’ ∪ P”, trong đó 1P là tập các quy tắc nhận được từ P1, mà mọi ký hiệu a ∈ Σ1 đều được thay bởi ký hiệu đối ngẫu tương ứng của nó a ∈Г1, 2P là tập các quy tắc trong P2, mà mọi ký hiệu b ∈ Σ2 đều được thay bởi ký hiệu đối ngẫu tương ứng của nó b ∈ Г2, và: P’ = a b → b a | a ∈ Σ1, b ∈ Σ2{ }, P” = a a → a | a ∈ Σ1∩Σ2{ }. Khi đó ta sẽ có L(G) = L(G1) ∩ L(G2). Định lý đã được chứng minh. Chú ý: 1/. Người ta chứng minh được rằng: Lớp ngôn ngữ sinh bởi văn phạm cũng đóng đối với các phép toán trên ngôn ngữ: phép lặp, lặp cắt, phép chia trái và chia phải. 2/. Nhưng lớp ngôn ngữ sinh bởi văn phạm không đóng đối với phép trừ và phép lấy phần bù ngôn ngữ. Hệ quả 5.1 Nếu L1 và L2 là hai ngôn ngữ chính quy (hay phi ngữ cảnh, cảm ngữ cảnh) thì L1∪L2 cũng là ngôn ngữ chính quy (hay phi ngữ cảnh, cảm ngữ cảnh). Thí dụ 5.2 Cho hai ngôn ngữ L1 = {an cb2n | n ≥ 0} và L2 = {a2n cbn | n ≥ 0} trên bảng chữ Σ = {a, b, c}, có thể thấy rằng L1 và L2 lần lược được sinh bởi các văn phạm sau đây: G1 = <Σ, {S1, A, B}, S1, {S1→AS1B, S1→c, A→a, B→bb}>, G2 = <Σ, {S2, C, D}, S2, {S2→CS2D, S2→c, C→aa, D→b}>. Thật vậy, trong G1, sử dụng n lần (n ≥ 0) quy tắc 1, sau đó sử dụng n lần quy tắc 3, n lần quy tắc 4 và quy tắc 2, ta có: S1╞G1 An S1Bn ╞G1 an c(bb)n = an cb2n . Tương tự, trong G2 ta có S2╞G2 a2n cbn . (n ≥ 0) Rõ ràng G1, G2 là hai văn phạm phi ngữ cảnh, do đó các ngôn ngữ L(G1) và L(G2) cũng là các ngôn ngữ phi ngữ cảnh, do đó theo hệ quả 5.1 thì hợp của chúng L = L1 ∪ L2 = { an cb2n , a2n cbn | n ≥ 0} cũng là ngôn ngữ phi ngữ cảnh. Hệ quả 5.2 Nếu L1 và L2 là hai ngôn ngữ chính quy (hay phi ngữ cảnh, cảm ngữ cảnh) thì L1L2 cũng là ngôn ngữ chính quy (hay phi ngữ cảnh, cảm ngữ cảnh). Nhờ hệ quả này, ta dễ dàng nhận biết một ngôn ngữ là chính quy (phi ngữ cảnh, cảm ngữ cảnh). 22
• 23. Cho hai ngôn ngữ L1= {an bn | n ≥ 1} và L2={cn | n ≥ 1}. Dễ dàng thấy rằng L1 = L(G1) và L2 = L(G2), trong đó: G1 = <{a, b}, {S1}, S1, {S1→aS1b, S1→ab}>, là văn phạm phi ngữ cảnh. G2 = <{c}, {S2}, S2, {S2→cS2, S2→c}> là văn phạm chính quy (và đương nhiên cũng là văn phạm phi ngữ cảnh). Khi đó theo hệ quả 5.2, ta sẽ có L1L2 = {an bn cm | n ≥ 1, m ≥ 1} là ngôn ngữ phi ngữ cảnh. 2. Cho hai ngôn ngữ chính quy L3 = {ban | n ≥ 0} và L4 = {bn a | n ≥ 0}. Ta có ngay L3 = L(G3), L4 = L(G4), trong đó G3 và G4 là hai văn phạm chính quy: G3 = <{a, b}, {S1, A}, S1, {S1→b, S1→bA, A→aA, A→a}>, G4 = <{a, b}, {S2}, S2, {S2→bS2, S2→a}>. Khi đó theo hệ quả 5.2, ta sẽ có L3L4 = {ban bm a | n ≥ 0, m ≥ 0} là ngôn ngữ chính quy. Đối với phép lặp của các ngôn ngữ, ta có thể chứng minh được kết quả sau: Hệ quả 5.3 Nếu L là ngôn ngữ chính quy thì lặp L* của L cũng là ngôn ngữ chính quy. Nói một cách khác, lớp các ngôn ngữ chính quy đóng đối với phép toán lặp. Cuối cùng, do ngôn ngữ hữu hạn là hợp hữu hạn của các ngôn ngữ một từ, nên từ thí dụ 4.7 (ngôn ngữ một từ là chính quy) và từ hệ quả 5.1 (hợp hữu hạn của các ngôn ngữ chính quy là chính quy), ta có hệ quả sau: Hệ quả 5.4 Mọi ngôn ngữ hữu hạn đều là ngôn ngữ chính quy. Thí dụ 5.4 Cho ngôn ngữ hữu hạn L = {0, 01, 011, 0111}, khi đó theo hệ quả trên, L là ngôn ngữ chính quy. Mặt khác, có thể xây dựng văn phạm chính quy G = <{0, 1}, {S, A, B, C}, S, P>, với P = {S→0, S→0A, A→1, A→1B, B→1, B→1C, C→1}. Dễ dàng thấy rằng L(G) = L. 23
• 24. 1 1. Cho bảng chữ cái Σ = {0, 1}, hãy viết 10 từ đầu tiên của ngôn ngữ Σ* dưới dạng liệt kê các từ theo thứ tự độ dài tăng dần, trong các xâu có cùng độ dài thì theo thứ tự từ điển. 2. Tìm cách biểu diễn hữu hạn cho các ngôn ngữ vô hạn sau đây: a/. L1= { ε, ab, aabb, aaabbb, …}. b/. L2 = {ε, 0, 1, 00, 01, 11, 000,001, 010, 011, 100, 101, 110, 111,…} Viết văn phạm sinh ngôn ngữ L1, L2. L1, L2 là ngôn ngữ loại nào theo phân loại Chomsky? 3. Hãy mô tả ngôn ngữ L2 = {a + } {b}+ trên bảng chữ cái Σ = {a, b}, viết biểu diễn hữu hạn cho L2. Xây dựng văn phạm sinh ngôn ngữ L2, phân loại L2 theo Chomsky. 4. Cho các ngôn ngữ X = {ε, abc}và Y = {abc}trên bảng chữ cái Σ = {a, b, c}, tìm các ngôn ngữ: a/. X2 , Y2 , X.Y, Y.X b/. X X , X / X, Y X , X / Y. c/. Y Y , Y / Y, X Y , Y / X. 5. Cho các văn phạm: a/. G = < Σ , Δ , S, P > với tập quy tắc sinh P = { S → ABC, AB→ iADj, Dij→ iDj, DiC→ BiC, iB→ Bi, AB→ ε, C→ ε } với i,j ∈ {a, b}. b/. G = < Σ , Δ , S, P > với tập quy tắc sinh: P = {S → SS, S → aSb, S → bSa, S → ab, S → ba}. c/. G = < Σ , Δ , S, R > với tập quy tắc sinh: P = {S → aS, S → a | với a ∈ Σ = {a1, a2, …an}}. Hỏi: 1/. Hãy phân loại các văn phạm trên theo dãy phân loại của Chomsky. 2/. Viết lại từng văn phạm theo dạng đầy đủ trong định nghĩa văn phạm. 3/. Tìm các ngôn ngữ do các văn phạm trên sinh ra. 6. Cho ngôn ngữ L = {ωωR | ω ∈ {0, 1}*, ωR là ảnh gương (từ ngược) của ω }. Xây dựng văn phạm phi ngữ cảnh G sinh ngôn ngữ L. 7. Cho ngôn ngữ L = {an bn cm | n, m ≥ 1 }. Xây dựng văn phạm phi ngữ cảnh G sinh ngôn ngữ L. 9. Cho văn phạm phi ngữ cảnh G với tập quy tắc sinh là: 24
• 25. → aSa, S → aa | a ∈ Σ = {a1, a2, …, an}}. Tìm ngôn ngữ do văn phạm G sinh ra, hãy chí ra dẫn xuất đầy đủ của xâu ω = a3a2a3a1a2a2a1a3a2a3 trong văn phạm nói trên. 10. Cho ngôn ngữ L = {ωbωR | ω ∈ Σ* = { a1, a2, …, ak, b}*, ωR là từ ngược của ω }. Xây dựng văn phạm phi ngữ cảnh G sinh ngôn ngữ L. 11. Cho các văn phạm: a/. G1 với tập quy tắc P1 = {S → aS, S → Sb, S → aSb, S → c} b/. G2 với tập quy tắc P2 = {S → SS, S → a, S → b}, c/. G3 với tập quy tắc P3 = {S → aA, S → bB, A → Sa, B → Sb, S → c}, d/. G4 với tập quy tắc P4 = {S → AB, A → Sc, A → a, B → dB, B →b}, e/. G5 với tập quy tắc P5 = {S → SaS, S → b}, f/. G6 với tập quy tắc P6 = {S → aSS, S → b}, g/. G7 với tập quy tắc P7 = {S → AA, A →aAa, A →bAb, A → c}. Hỏi: 1/. Hãy phân loại 7 văn phạm trên theo nhóm 0, 1, 2, 3 của Chomsky. 2/. Tìm các ngôn ngữ ứng với các văn phạm trên, đó là các ngôn ngữ loại gì? 12. Cho bảng chữ cái Σ = {a, b}, viết các văn phạm sinh các ngôn ngữ: L4 = {ω , với |ω| là một số chẵn }, L5 = {ω , với |ω| là một số lẻ}. Phân loại L4 và L5 theo Chomsky. 13. Hãy xác định xem các văn phạm dưới đây sinh ra các ngôn ngữ nào? a/. G1 = <{0, 1}, {S, A}, S, {S→0A, A→1S, S→ε}>. b/. G2 = <{a, b}, {S}, S, {S→SaS, S→b}>. c/. G3 = <{a, b, c}, {S}, S, {S→aca, S→bcb, S→aSa, S→bSb}>. d/. G4 = <{0, 1, 2, …, 9}, {S, A}, S, {S→SA | A, A→0|1|2|3|4|5|6|7|8|9}>. 14. Hãy xây dựng các văn phạm sinh ra các ngôn ngữ dưới đây: a/. L6 = {ω∈{a}* , và |ω| mod 3 = 0}. (x mod y là phần dư của phép chia số nguyên x cho số nguyên y, còn gọi là phép chia lấy phần dư-modulo) b/. L7 = {a2n+1 | n ≥ 0}. c/. L8 = {am bn | n ≥ 0, m ≥ n}. 15. Hãy xây dựng các văn phạm chính quy sinh ra các ngôn ngữ dưới đây trên bảng chữ Σ = {0, 1}: a/. L9 = {0ω1 | ω∈Σ* }. b/. L10 = {1}* {010}{0}* 25
• 26. {010}* ∪ {1100}* d/. L12 = {am bn ck | m ≥0, n ≥0, k ≥0} e/. L13 = {(baa)m (aab)n | m ≥ 1, n ≥ 1}. 16. Một xâu ω trên bảng chữ cái Σ được gọi là xâu hình tháp nếu ωR = ω. Hãy chứng minh rằng: a/. ε là một xâu hình tháp, b/. Với mọi a ∈ Σ thì a là một xâu hình tháp, c/. Nếu ω là một xâu hình tháp thì với mọi a ∈ Σ ta có aωa cũng là một xâu hình tháp. 17. Cho văn phạm cảm ngữ cảnh G = <{a, b, c}, {S, A, B, C}, S, P>, trong đó: P = {S→aSAC, S→abC, CA→BA, BA→BC, BC→AC, bA→bb, C→c}. 1/. Hãy xây dựng văn phạm G1 = <Σ1, Δ1, S1, P1> tương đương với văn pham G mà mọi vế trái của các quy tắc của G1 không chứa ký hiệu cơ bản. G1 là văn phạm thuộc nhóm nào? 2/. Hãy xây dựng văn phạm G2 = <Σ2, Δ2, S2, P2> tương đương với văn pham G mà mọi vế phải của các quy tắc của G2 không chứa ký hiệu xuất phát. G2 là văn phạm thuộc nhóm nào? 18. Cho hai văn phạm: G1 = < {a, b}, {S1}, S1, {S1 → aS1b | a}>, và: G2 = <{a}, {S2}, S2, {S2 → aS2 | a}. Theo phương pháp chứng minh trong định lý 5.5: 1/. Hãy xây dựng văn phạm G3 = <Σ3, Δ3, S3, P3> sao cho L(G3) = L(G1) ∪ L(G2). 2/. Hãy xây dựng văn phạm G4 = <Σ4, Δ4, S4, P4> sao cho L(G4) = L(G1).L(G2). 3/. Hãy xây dựng văn phạm G4 = <Σ5, Δ5, S5, P5> sao cho L(G5) = L(G1) ∩ L(G2). 26
• 27. HẠN VÀ NGÔN NGỮ CHÍNH QUY Trong chương này, chúng ta sẽ nghiên cứu một mô hình “máy trừu tượng” để đoán nhận ngôn ngữ, đó là các otomat hữu hạn. Chúng ta sẽ thấy rằng lớp ngôn ngữ được đoán nhận bởi otomat hữu hạn khá đơn giản, đó chính là lớp ngôn ngữ chính quy do văn phạm chính quy sinh ra. Chương này gồm các nội dung chủ yếu sau: § 1. Otomat hữu hạn đơn định 1.1 Otomat hữu hạn đơn định 1.2 Biểu diễn otomat hữu hạn đơn định 1.3 Ngôn ngữ được đoán nhận bởi otomat đơn định § 2. Otomat hữu hạn không đơn định 2.1 Otomat hữu hạn không đơn đinh 2.2 Ngôn ngữ đoán nhận bởi otomat không đơn định 2.3 Đơn định hóa các otomat 2.4 Sự tương đương giữa các otomat đơn định và không đơn định § 3. Ngôn ngữ chính quy và biểu thức chính quy 3.1 Ngôn ngữ chính quy và biểu thức chính quy 3.2 Sự liên hệ giữa otomat hữu hạn và ngôn ngữ chính quy § 4. Điều kiện cần của ngôn ngữ chính quy 4.1 Otomat tối tiểu 4.2 Điều kiện cần của ngôn ngữ chính quy 27
• 28. hạn đơn định Mở đầu Một otomat hữu hạn là một mô hình tính toán thực sự hữu hạn. Mọi cái liên quan đến nó đều có kích thước hữu hạn cố định và không thể mở rộng trong suốt quá trình tính toán. Các loại otomat khác được nghiên cứu sau này có ít nhất một bộ nhớ vô hạn về tiềm năng. Sự phân biệt giữa các loại otomat khác nhau chủ yếu dựa trên việc thông tin có thể được đưa vào bộ nhớ như thế nào. Một otomat hữu hạn làm việc theo thời gian rời rạc như tất cả các mô hình tính toán khác. Như vậy, ta có thể nói về thời điểm “kế tiếp” khi “đặc tả” hoạt động của một otomat hữu hạn. Trường hợp đơn giản nhất là thiết bị không có bộ nhớ mà ở mỗi thời điểm, thông tin ra chỉ phụ thuộc vào thông tin vào lúc đó. Các thiết bị như vậy là mô hình của các mạch tổ hợp. Tuy nhiên, nói chung, thông tin ra sản sinh bởi một otomat hữu hạn phụ thuộc vào cả thông tin vào hiện tại lẫn các thông tin vào trước đó. Như vậy otomat có khả năng (với một phạm vi nào đó) ghi nhớ các thông tin vào trong quá khứ của nó. Một cách chi tiết hơn, điều đó có nghĩa như sau. Mỗi otomat có một số hữu hạn trạng thái được lưu ở bộ nhớ trong. Tại mỗi thời điểm i, nó ở một trong các trạng thái đó, chẳng hạn qi. Trạng thái qi+1 ở thời điểm sau được xác định bởi qi và thông tin vào ai cho ở thời điểm i. Thông tin ra ở thời điểm i được xác định bởi trạng thái qi (hay bởi cả ai và qi). 1.1 Otomat hữu hạn đơn định Định nghĩa 1.1 Một otomat hữu hạn đơn định (Deterministic Finite Automata-DFA) là một bộ năm: A = <Q, Σ, δ, q0, F>, trong đó: + Q là một tập hữu hạn khác rỗng, được gọi là tập các trạng thái; + Σ là một bảng chữ cái, được gọi là bảng chữ vào; + δ: D → Q, là một ánh xạ từ D vào Q, trong đó D ⊆ Q×Σ , được gọi là hàm chuyển trạng thái (hay hàm chuyển); + q0 ∈ Q, được gọi là trạng thái khởi đầu; + F ⊆ Q được gọi là tập các trạng thái kết thúc. Trong trường hợp D = Q×Σ , ta nói A là otomat đầy đủ. Sau này ta sẽ thấy rằng mọi otomat hữu hạn đều đưa về được otomat hữu hạn đầy đủ tương đương. Hoạt động của otomat hữu hạn đơn định A = <Q, Σ, δ, q0, F> khi cho xâu vào ω = a1a2… an có thể được mô tả như sau: 28
• 29. làm việc, otomat ở trạng thái khởi đầu q0 và đầu đọc đang nhìn vào ô có ký hiệu a1. Tiếp theo otomat chuyển từ trạng thái q0 dưới tác động của ký hiệu vào a1 về trạng thái mới δ(q0, a1) = q1∈Q và đầu đọc chuyển sang phải một ô, tức là nhìn vào ô có ký hiệu a2. Sau đó otomat A có thể lại tiếp tục chuyển từ trạng thái q1 nhờ hàm chuyển δ về trạng thái mới q2 = δ(q1, a2) ∈ Q. Quá trình đó sẽ tiếp tục cho tới khi gặp một trong các tình huống sau: − Otomat A đọc hết xâu vào ω và δ(qn-1,an) = qn ∈ F, ta nói rằng A đoán nhận xâu ω. − Hoặc otomat A đọc hết xâu vào ω và δ(qn-1,an) = qn ∉ F, ta nói A không đoán nhận xâu ω. − Hoặc khi otomat A đọc đến aj , (j ≤ n) và hàm δ(qj-1, aj) không xác định, ta cũng nói A không đoán nhận xâu ω. H. 3.1. Mô tả quá trình đoán nhận xâu ω của otomat A 1.2 Biểu diễn otomat hữu hạn đơn định Hàm chuyển trạng thái là một bộ phận quan trọng của một otomat hữu hạn đơn định. Cho một otomat thực chất là cho hàm chuyển trạng thái của nó, có thể cho dưới dạng bảng chuyển hoặc cho dưới dạng đồ thị chuyển. Cho otomat bằng bảng chuyển Cho ôtômát A = <Q, Σ, δ, q0, F>, với Q = {q0, q1, q2, … , qm } là tập trạng thái, và bảng chữ cái Σ = {a1, a2, … , an}, khi đó hàm chuyển có thể cho bởi bảng sau; trong đó dòng i cột j của bảng là ô trống nếu (qi, aj) ∉ D, tức là δ(qi,aj) không xác định. H. 3.2. Bảng chuyển trạng thái của otomat A Trạng thái Ký hiệu vào a1 a2 … an q0 q1 q2 … qm δ(q0, a1) δ(q0, a2) … δ(q0, a2) δ(q1, a1) δ(q1, a2) … δ(q1, a2) δ(q2,a1) δ(q2, a2) … δ(q2, a2) … δ(qm, a1) δ(qm, a2) … δ(qm, a2) Cho bảng chuyển trạng thái, và chỉ rõ tập trạng thái kết thúc F, ta sẽ xác định được otomat A Cho otomat bằng đồ thị chuyển Cho otomat A = <Q, Σ, δ, q0, F>. Hàm chuyển δ có thể cho bằng một đa đồ thị có hướng, có khuyên G sau đây, được gọi là đồ thị chuyển của otomat A. Tập đỉnh của G được gán nhãn 29
• 30. tử thuộc Q, còn các cung được gán nhãn bởi các phần tử thuộc Σ, tức là nếu a∈Σ và từ trạng thái q chuyển sang trạng thái p theo công thức δ(q, a) = p thì sẽ có một cung từ đỉnh q tới đỉnh p được gán nhãn a. Đỉnh vào của đồ thị chuyển là đỉnh ứng với trạng thái ban đầu q0. Các đỉnh sẽ được khoanh bởi các vòng tròn, tại đỉnh q0 có mũi tên đi vào, riêng đỉnh với trạng thái kết thúc được phân biệt bởi vòng tròn đậm, hoặc hình vuông… Nói chung, với việc cho đồ thị chuyển là hoàn toàn xác định được otomat A. Thí dụ 1.1 Cho hai otomat hữu hạn đơn định: 1/. A1 = <{q0, q1, q2}, {a, b}, δ, q0, {q2}>, Với δ(q0, a) = q0, δ(q0, b) = q1, δ(q1, a) = q0, δ(q1, b) = q2, δ(q2, a) = q2, δ(q2, b) = q2. Ta có bảng chuyển trạng thái và đồ thị chuyển trạng thái của otomat A1 như sau: H. 3.3 Bảng chuyển trạng thái của A1 H. 3.4 Đồ thị chuyển trạng thái của A1 Dãy trạng thái của otomat A1 trong quá trình đoán nhận xâu vào α = ababbab là: H. 3.5 Quá trình đoán nhận xâu α = ababbab của A1 Như vậy, xâu α được đoán nhận bởi otomat A1. 2/. A2 = <{q0, q1, q2, q3}, {0, 1}, δ, q0, {q0}>, trong đó δ(q0, 0) = q2, δ(q0, 1) = q1, δ(q1, 0) = q3, δ(q1, 1) = q0, δ(q2, 0) = q0, δ(q2, 1) = q3, δ(q3, 0) = q1, δ(q3, 1) = q2. 30
• 31. chuyển trạng thái và đồ thị chuyển trạng thái của otomat A2 được cho trong hình 3.6 và 3.7: H. 3.6 Bảng chuyển trạng thái của A2 H. 3.7 Đồ thị chuyển trạng thái của A1 Dãy trạng thái của otomat A2 trong quá trình đoán nhận xâu vào β = 1010100 là: H. 3.8 Quá trình đoán nhận xâu vào β = 1010100 Như vậy, otomat A2 không chấp nhận xâu β. Ta có thể mô tả quá trình đoán nhận xâu vào của otomat hữu hạn đơn định đầy đủ A bằng thuật toán mô phỏng sau: Input : − Một xâu ω, kết thúc bởi ký hiệu kết thúc file là eof. − Một otomat hữu hạn đơn định đầy đủ A với trạng thái đầu q0 và tập trạng thái kết thúc là F. Output: - Trả lời “Đúng” nếu A đoán nhận xâu ω. - Trả lời “Sai” nếu A không đoán nhận xâu ω. 31
• 32. ký hiệu tiếp theo; While C < > eof do begin S:= δ(S, C); C:= ký hiệu tiếp theo; end; if S in F return (True) else return (False); End. 1.3 Ngôn ngữ được đoán nhận bởi otomat đơn định Để mô tả hình thức quá trình đoán nhận một từ (xâu vào), người ta đưa vào ánh xạ mở rộng δ’ từ D ⊆ Q×Σ* vào Q như trong định nghĩa sau: Định nghĩa 1.2 Cho otomat hữu hạn đơn định A = <Q, Σ, δ, q0, F>. Mở rộng δ’ của δ là một ánh xạ từ D ⊆ Q×Σ * vào Q được xác định như sau: 1/. δ’ (q, ε) = q, ∀q∈Q, 2/. δ’ (q, ωa) = δ(δ’ (q, ω), a), ∀a∈Σ, ∀q∈Q, ∀ω ∈ Σ* sao cho δ’ (q, ω) được xác định. Chú ý rằng, ánh xạ δ chỉ khác ánh xạ δ’ khi ký hiệu vào là ε, hoặc là một xâu kí hiệu vào ω, do điều kiện 2/. trên Q×Σ , ta có thể đồng nhất δ’ với δ. Nếu không cần phân biệt, từ đây về sau ta viết δ thay cho δ’ , và được hiểu là ánh xạ δ trên miền Q×Σ, là ánh xạ δ’ trên miền Q×Σ* Định nghĩa 1.3 Cho otomat hữu hạn đơn định A = <Q, Σ, δ, q0, F>, và một xâu ω∈Σ* . Ta nói: + ω được đoán nhận bởi A nếu δ(q0, ω) ∈ F; + Ngôn ngữ được đoán nhận bởi otomat A và ký hiệu là T(A), là tập từ: T(A) = {ω∈Σ* | δ(q0, ω)∈F} Lưu ý rằng trong đồ thị chuyển của A, ω ∈ Σ* được đoán nhận bởi A khi và chỉ khi ω là xâu của các nhãn ứng với một đường đi từ đỉnh q0 đến một trong các đỉnh kết thúc. Cụ thể, nếu ω = a1a2…an thì đường đi là (q0, q1, …, qk) với cung (qi-1, qi) có nhãn ai (với 1 ≤ i ≤ k) và qk ∈ F. Như vậy, T(A) là tập hợp tất cả xâu ghi trên các đường đi từ q0 đến các đỉnh kết thúc. 32
• 33. Hai otomat hữu hạn A = <Q, Σ, δ, q0, F> và A’= <Q’, Σ’, δ’, q’0, F’> được gọi là tương đương nếu T(A) = T(A’). Thí dụ 1.2 Cho otomat hữu hạn: A3 = <{q0, q1, q2, q3, q4},{0, 1}, δ, q0, {q1, q2, q4}> với δ(q0,0) = q0, δ(q0,1) = q1, δ(q1,0) = q3, δ(q1,1) = q2, δ(q2,0) = q2, δ(q2,1) = q2, δ(q3,1) = q3, δ(q4,0) = q2, δ(q4,1) = q3. Đồ thị chuyển của A3 là: H. 3.9 Đồ thị chuyển của otomat A3 Trước hết, ta nhận thấy rằng không có đường đi từ q0 đến đỉnh kết thúc q4, tức là sẽ không có từ nào được đoán nhận bởi A3 với đỉnh kết thúc q4. Ngoài ra, cũng không có một đường đi nào từ q0 đến đỉnh một đỉnh kết thúc mà đi qua q3. Như vậy, ta có thể bỏ đi đỉnh q3 và q4 mà không ảnh hưởng đến việc đoán nhận các từ của otomat A3. Do đó otomat A3 tương đương với otomat A4 sau: A4 = <{q0, q1, q2}, {0, 1}, δ, q0, {q1, q2}>, trong đó δ(q0,0) = q0, δ(q0,1) = q1, δ(q1,1) = q2, δ(q2,0) = q2, δ(q2,1) = q2. Đồ thị chuyển của A4 được cho trong hình 3.10:: H. 3.10 Đồ thị chuyển của otomat A4 Các đường đi từ q0 đến đỉnh kết thúc q1 ứng với các xâu 0n 1, n ≥ 0. Các đường đi từ q0 đến đỉnh kết thúc q2 ứng với các xâu 0n 11ω, n ≥ 0, ω∈{0, 1}* . Vậy ngôn ngữ được đoán nhận bởi các otomat trên là: T(A3) = T(A4) = {0n 1, 0n 11ω / n ≥ 0, ω∈{0, 1}* }. Bổ đề 1.1 Cho otomat hữu hạn đơn định A = <Q, Σ, δ, q0, F>. Khi đó ∀ω1, ω2 ∈ Σ* , ∀q∈Q sao cho δ(q, ω1ω2) xác định, ta có: δ(q, ω1ω2) = δ(δ(q, ω1), ω2) (1) 33
• 34. chứng minh đẳng thức trên bằng quy nạp theo độ dài của ω2. + Khi |ω2| = 1 hay ω2 = a, a ∈ Σ, ta có δ(q, ω1a) = δ(δ(q, ω1),a). Đẳng thức (1) đúng. + Giả sử đẳng thức (1) đúng với mọi ω2 có độ dài |ω2| ≤ n. Ta cần chứng minh nó cũng đúng với ω2 có độ dài |ω2| = n + 1. Đặt ω2 = ω’2a, với ω’2 ∈ Σ* , |ω’2| = n, a ∈ Σ. Ta có δ(q, ω1ω2) = δ(q, ω1ω’2a) = δ(δ(q, ω1ω’2), a) = δ(δ(δ(q, ω1), ω’2), a) = δ(δ(q, ω1), ω’2a) = δ(δ(q, ω1), ω2). Do đó đẳng thức (1) đúng với ω2 có độ dài n + 1. Bổ đề được chứng minh. Chú ý: Với otomat hữu hạn đơn định A = <Q, Σ, δ, q0, F> bất kỳ, ta luôn có thể xây dựng một otomat hữu hạn đơn định đầy đủ A’ tương đương với A. Thật vậy, lấy S∉Q (do đó S∉F), đặt Q’= Q∪{S} và δ’: Q’ x Σ → Q’ xác định bởi: ∀q∈Q, ∀a∈Σ, δ’(q, a) = δ(q, a) nếu δ(q, a) được xác định, δ’(q, a) = S nếu δ(q, a) không được xác định và δ’(S, a) = S. Khi đó A’ là otomat hữu hạn đơn định đầy đủ mà T(A’) = T(A). Ta thường chọn S = ∅, và không cần bổ xung S vào Q. §2. Otomat hữu hạn không đơn định 2.1 Otomat hữu hạn không đơn định Định nghĩa 2.1 Một otomat hữu hạn không đơn định (Nondeterministic Finite Automata- NFA) là một bộ năm: A = <Q, Σ, δ, q0, F> trong đó Q, Σ, q0, F như trong định nghĩa 1.1 và δ: Q×Σ → 2Q , ở đây 2Q (hay P(Q), là ký hiệu tập hợp các tập con của Q) gọi là ánh xạ chuyển. Rõ ràng ở đây ánh xạ δ là một hàm đa trị (hàm không đơn định), vì vậy otomat A trong định nghĩa trên đây được gọi là không đơn định. Trong trường hợp δ(q, a) xác định ∀q ∈ Q, ∀a ∈ Σ, ta nói ôtômát A là đầy đủ. Nếu δ(q, a) = {p1, p2, …, pk} thì ta nói rằng otomat A ở trạng thái q gặp ký hiệu a thì có thể chuyển đến một trong các trạng thái p1, p2, …, pk. Nếu δ(q, a) = {p} thì ở trạng thái q gặp ký hiệu a, otomat A chỉ chuyển đến một trạng thái duy nhất p. Nếu δ(q, a) khô ng xác đ ịnh (ta thường viết δ(q, a) = ∅ ) thì ở trạng thái q gặp ký hiệu a, otomat A không thể chuyển đến trạng thái nào, cũng tương tự như với otomat hữu hạn đơn định. Như vậy, ta thấy rằng một otomat hữu hạn đơn định là một trường hợp đặc biệt của một otomat hữu hạn không đơn định. Hoạt động của otomat hữu hạn không đơn định A = <Q, Σ, δ, q0, F> khi cho xâu vào ω = a1a2… an có thể được mô tả như sau: 34
• 35. làm việc, otomat ở trạng thái đầu q0 và đầu đọc đang nhìn vào ô có ký hiệu a1. Từ trạng thái q0, dưới tác động của ký hiệu vào a1, δ(q0, a1) = {p1,…, pk}, otomat xác định các trạng thái có thể tiếp theo là p1, …, pk và đầu đọc chuyển sang phải một ô, tức là nhìn vào ô có ký hiệu a2. Tiếp tục với mỗi pi (1≤ i ≤ k) và ký hiệu tiếp theo là a2, các trạng thái tiếp theo có thể đến được là δ(p1, a2)∪…∪δ(pk, a2). Quá trình đó sẽ tiếp tục cho tới khi gặp một trong các tình huống sau: + Trong trường hợp tập trạng thái tiếp theo sau khi đọc aj nào đó là rỗng hoặc sau khi đọc ký hiệu an là Q’ mà Q’∩F = ∅, ta nói rằng A không đoán nhận ω. + Trường hợp tập trạng thái tiếp theo sau khi đọc ký hiệu an là Q’ mà Q’∩F ≠ ∅, ta nói rằng otomat A đoán nhận ω. Một otomat hữu hạn không đơn định có thể biểu diễn dưới dạng bảng chuyển hoặc đồ thị chuyển như trong trường hợp otomat hữu hạn đơn định. Nếu δ(q, a) = {p1, p2, …, pk} thì trong đồ thị chuyển có k cung từ q sang p1, …, pk được ghi cùng một nhãn a. Thí dụ 2.1 Cho otomat hữu hạn không đơn định: A = <{q0, q1, q2, q3, q4}, {0, 1}, δ, q0, {q2, q4}>, Với δ(q0,0) = {q0,q3}, δ(q0, 1) = {q0,q1}, δ(q1, 0) = ∅, δ(q1, 1) = {q2}, δ(q2, 0) = {q2}, δ(q2, 1) = {q2}, δ(q3, 0) = {q4}, δ(q3,1) = ∅, δ(q4, 0) = {q4}, δ(q4, 1) = {q4}. Bảng chuyển trạng thái và đồ thị chuyển trạng thái của otomat A cho trong hình 3.11 và 3.12: H. 3.11 Bảng chuyển của otomat không đơn định A H. 3.12 Đò thị chuyển của otomat không đơn định A 35
• 36. được đoán nhận bởi otomat hữu hạn không đơn định Định nghĩa 2.2 Cho otomat hữu hạn không đơn định A = <Q, Σ, δ, q0, F>. Mở rộng của δ là ánh xạ δ’ từ tập Q×Σ * vào 2Q được xác định như sau: 1) δ’ (q, ε) = {q}, ∀q ∈ Q, 2) δ’ (q, ωa) = , ∀q∈Q, ∀a∈Σ, ∀ω∈ΣU ),( ),(' aqp p δ ωδ ∈ * sao cho δ’ (q, ω) được xác định. Ta có δ’ (q, a) = δ’ (q , εa) = = = δ(q, a), ∀q ∈ Q, ∀a∈Σ, tức là trên Q×Σ ta có thể đồng nhất δ U ),( ),(' aqp p δ εδ ∈ U ),( aqp p δ∈ ’ với δ. Vì vậy, cũng như trường hợp otomat hữu hạn đơn định, ta có thể sử dụng ký hiệu δ thay cho δ’ và được hiểu là ánh xạ δ trên miền Q×Σ , là ánh xạ δ’ trên Q×Σ * . Định nghĩa 2.3 Cho otomat hữu hạn không đơn định A = <Q, Σ, δ, q0, F>, ω ∈ Σ* và L là một ngôn ngữ trên Σ. Ta nói: − ω được đoán nhận bởi A nếu δ(q0, ω) ∩ F ≠ ∅; − L được đoán nhận bởi A nếu L = {ω∈Σ* | δ(q0, ω) ∩ F ≠ ∅} và ký hiệu L là T(A). Thí dụ 2.2 Cho otomat hữu hạn không đơn định: A = <{q0, q1, q2}, {a, b}, δ, q0, {q2}>, trong đó δ(q0, a) = {q0}, δ(q0, b) = {q0, q1}, δ(q1, a) = {q1}, δ(q1, b) = {q1, q2}, δ(q2, a) = {q2}, δ(q2, b) = {q2}. Bảng chuyển và đồ thị chuyển của otomat A được cho trong hình 3.13 và 3.14: H. 3.13 Bảng chuyển của otomat A trong thí dụ 2.2 H. 3.14 Đồ thị chuyển của otomat A trong thí dụ 2.2 Có thể kiểm tra được rằng từ ω = an bn ∈ T(A), tuy nhiên otomat A không đoán nhận ngôn ngữ L = { an bn | ∀ n ≥ 1}. Ngôn ngữ được đoán nhận bởi otomat A là: T(A) = {ω1bω2bω3 | ω1, ω2, ω3∈{a, b}* }. 36
• 37. hóa các otomat Trước hết ta cần nhắc lại rằng hai ôtômát hữu hạn A và A’(đơn định hay không đơn định) được gọi là tương đương nếu chúng cùng đoán nhận một ngôn ngữ, tức là T(A) = T(A’). Giả sử A = <Q, Σ, δ, q0, F> là một otomat không đơn định, khi đó ta có thể xây dựng otomat đơn định và đầy đủ M tương đương với otomat A (theo nghĩa cùng đoán nhận một ngôn ngữ). Việc xây dựng M được thực hiện theo thuật toán sau đây, được gọi là thuật toán đơn định hóa otomat. Thuật toán đơn định hóa: Input: Otomat hữu hạn không đơn định A = <Q, Σ, δ, q0, F> Output: Otomat hữu hạn đơn định M = <Q’, Σ, δ’, s0, F’> Phương pháp: Bước 1: Xây dựng hàm hai biến T: 2Q × Σ → 2Q thỏa mãn các điều kiện: 1/. ∀ q ∈ Q, ∀ a ∈ Σ thì T(q, a) = {q’ ∈ Q | q’ = δ(q, a) } 2/. ∀ B ⊆ Q mà δ(q, a) = B, ∀ a ∈ Σ thì T(B, a) = UBp apT ∈ ),( Bước 2: Xác định tập trạng thái mới Q’ = {s0, s1, …, sk | k ≤ 2| Q | -1}: 1/. Đặt s0 = {q0}, s1 = {q1}, … si = {qi} ∀ {q0}, {q1}, …, {qi} ∈ Q, 2/. Đặt si+1 = B1, si+2 = B2,… ∀ B1, B2 … ⊆ Q mà δ(qj, a) = Bj. 3/. Nếu otomat A là không đầy đủ, đặt sk = ∅ và thêm vào hàm chuyển δ’ các giá trị δ’(sk, a) = sk ∀ a ∈ Σ để otomat M là otomat đầy đủ. 4/. Trạng thái khởi đầu của otomat M là s0. 5/. Tập trạng thái kết thúc của otomat M là F’ = {s ∈ Q’ | s ∩ F ≠ ∅ }. Bước 3: Xác định hàm chuyển δ’: Q’ × Σ → Q’ của otomat M: ∀ s ∈ Q’, ∀ a ∈ Σ thì δ’(s, a) = T(s, a) Việc chứng minh T(A) = T(M) là khá dễ dàng, dành cho sinh viên như là bài tập. Thí dụ 2.3 Cho otomat A = <{p0, p1, p2}, {a, b, c}, δ , p0, {p1, p2}> với hàm chuyển δ cho bởi bảng sau: 37
• 38. chuyển của otomat A trong thí dụ 2.3 Hãy xây dựng otomat M = <Q’, {a, b, c}, δ’, s0, F’> đơn định và đầy đủ, tương đương với otomat A. 1/. Xây dựng hàm T: 2Q × Σ → 2Q + T(p0, a) = {p1}, T(p0, b) = {p1, p2}, T(p0, c) = {p2}, + T(p1, a) = {p2}, T(p1, b) = ∅ , T(p1, c) = {p0, p2}, + T(p2, a) = {p1}, T(p2, b) = {p1}, T(p2, c) = {p2}, + T({p1, p2}, a) = T(p1,a) ∪ T(p2,a) = {p2} ∪{p1} = {p1, p2}, T({p1, p2}, b) = ∅ ∪ {p1} = {p1}, T({p1, p2}, c) = {p0, p2} ∪{p2} = {p0, p2}, + T({p0, p2}, a) = {p1}, T({p0, p2}, b) = {p1, p2}, T({p0, p2}, c) = {p2} 2/. Đặt s0 = {p0}, s1 = {p1}, s2 = {p2}, s3 = {p1, p2}, s4 = {p0, p2}, s5 = ∅ ta có: + Tập trạng thái mới Q’ = {s0, s1, s2, s3, s4, s5}. + Trạng thái khởi đầu của M là s0, + Tập trạng thái kết mới: F’ = {s1, s2, s3, s4}. 3/. Hàm chuyển mới δ’: Q’ × Σ → Q’ được xác định như sau: H. 3.16 Bảng chuyển của otomat đơn định M trong thí dụ 2.3 Rõ ràng otomat M = <{s0, s1, s2, s3, s4, s5}, {a, b, c}, δ’, s0, {s1, s2, s3, s4}> với hàm chuyển δ’ cho bởi bảng trên là otomat hữu hạn đơn định và đầy đủ. Có thể thây rằng otomat M là tương đương với otomat A. 38
• 39. Cho otomat không đơn định: A = <{q0, q1}, {a, b}, δ, q0, {q1}>, trong đó δ(q0, a) = {q0}, δ(q0, b) = {q0, q1}, δ(q1, a) = {q0, q1}, δ(q1, b) = ∅. Đồ thị chuyển của A là: H. 3.17 Đồ thị chuyển của otomat A trong thí dụ 2.4 Ta xây dựng otomat M = <Q’, {a, b}, δ’, t0, F’> tương đương với A theo thuật toán đơn định hóa, ta có: + Q’ = {t0, t1, t2, t3}, với t0 = {q0}, t1 = {q1}, t2 = {q0, q1}, t 3 = ∅. + δ’(t0, a) = t0, δ’(t0, b) = t2, δ’(t1, a) = t2, δ’(t1, b) = t3, δ’(t2, a) = {q0}∪{q0, q1} = t2, δ’(t2, b) = {q0, q1} ∪ ∅ = t2, δ’(t3, a) = t3, δ’(t3, b) = t3. Ta có bảng chuyển của M: H. 3.18 Bảng chuyển của otomat đơn định M trong thí dụ 2.4 + Do t1 ∩ F = {q1} ≠ ∅ , t2 ∩ F ={q1} ≠ ∅ nên F’ = {t1, t2}. Rõ ràng otomat M là đơn định và có đồ thị chuyển như sau: H. 3.19 Đồ thị chuyển của otomat M trong thí dụ 2.4 39
• 40. chuyển và đồ thị chuyển của M, ta thấy ngay rằng không có đường đi nào từ t0 đến được đỉnh kết thúc t1, vì vậy otomat M sẽ tương đương với otomat M’ có đồ thị chuyển như sau: H. 3.19 Đồ thị chuyển của otomat M’ trong thí dụ 2.4 và ta có T(A) = T(M) = T(M’) = {an bω | n ≥ 0, ω∈{a, b}* }. 2.4 Sự tương đương giữa otomat đơn định và otomat không đơn định Cá định lý dưới đây sẽ cho ta thấy sự tương đương giữa otomat hữu hạn đơn định và không đơn định. Định lý 2.1 Nếu ngôn ngữ L được đoán nhận bởi một otomat hữu hạn không đơn định thì tồn tại một otomat hữu hạn đơn định đoán nhận L. Việc chứng minh định lý này được suy từ thuật toán đơn định hóa các otomat. Định lý 2.2 Lớp ngôn ngữ được sinh bởi otomat hữu hạn đơn định là trùng với lớp ngôn ngữ được sinh bởi otomat hữu hạn không đơn định. Chứng minh: Ta gọi LN là lớp ngôn ngữ sinh bởi các otomat hữu hạn không đơn định, LD là lớp ngôn ngữ sinh bởi các otomat hữu hạn đơn định, ta cần chứng minh LN = LD. Ta sẽ chứng minh hai bao hàm thức: • LN ⊆ LD. Giả sử L là một ngôn ngữ tùy ý thuộc lớp LN, tức là tồn tại một otomat không đơn định A đoán nhận L, tức là ta có T(A) = L. Theo định lý 2.1, tồn tại một otomat đơn định M sao cho L = T(M), vậy L thuộc lớp LD, hay LN ⊆ LD. • LD ⊆ LN. Giả sử L là một ngôn ngữ tùy ý thuộc lớp LD, tức là tồn tại một otomat đơn định M đoán nhận L, ta có T(M) = L. Tuy nhiên, ta luôn luôn có thể xem hàm chuyển đơn định δ(q, a) = p ∈ Q trong otomat đơn định như là một trường hợp đơn giản của hàm chuyển không đơn định δ(q, a) = {p} ∈ 2Q trong otomat không đơn định. Như vậy, một otomat đơn định có thể được xem là một trường hợp đặc biệt của otomat không đơn định. Và vì thế, ngôn ngữ L nói trên có thể xem là được đoán nhận bởi otomat không đơn định. Do đó LD ⊆ LN. Từ đó ta có LD = LN. Định lý được chứng minh. 40
• 41. chính quy và biểu thức chính quy Trong chương trước, ta đã định nghĩa các ngôn ngữ chính quy thông qua các văn phạm chính quy. Trong phần này, ta sẽ định nghĩa các ngôn ngữ chính quy trực tiếp từ các khái niệm về ngôn ngữ, ta cũng sẽ chỉ ra rằng các định nghĩa này là tương đương. Đồng thời với các ngôn ngữ chính quy, chúng ta đưa ra các khái niệm về biểu thức chính quy, là công cụ để biểu diễn các ngôn ngữ chính quy. 3.1 Ngôn ngữ chính quy và biểu thức chính quy Định nghĩa 3.1 Cho bảng chữ cái Σ = {a1, a2, …, an}, khi đó ngôn ngữ chính quy (regular languages) được định nghĩa đệ quy như sau: 1/. Các ngôn ngữ ∅ và {ai} ( i = 1, 2, …, n) được gọi là các ngôn ngữ chính quy trên bảng chữ cái Σ. 2/. Nếu R và S là hai ngôn ngữ chính quy trên bảng chữ cái Σ thì R ∪ S; R.S; R+ (hay S+ ) là các ngôn ngữ chính quy trên bảng chữ cái Σ. 3/. Không có các ngôn ngữ chính quy nào khác trên bảng chữ cái Σ ngoài các ngôn ngữ chính quy được định nghĩa như trên. Có thể thấy rằng định ngghĩa 3.1 trên đây là tương đương với định nghĩa ngôn ngữ chính quy thông qua các văn phạm chính quy. Thật vậy, có thể chỉ ra các văn phạm chính quy sinh ra các ngôn ngữ ∅ và ngôn ngữ {a} (xem thí dụ 4.7, §4, Ch. 1). Ngoài ra, trong chương 1 cũng đã chỉ ra rằng lớp các ngôn ngữ chính quy là đóng đối với các phép toán hợp, nhân ghép và lặp trên các ngôn ngữ. Như vậy lớp ngôn ngữ chính quy được định nghĩa theo định nghĩa trên đây là trùng với lớp ngôn ngữ chính quy đã được định nghĩa theo văn phạm. Như vậy, từ định nghĩa 3.1, ta có định lý sau: Định lý 3.1 Mọi ngôn ngữ chính quy trên bảng chữ cái Σ đều nhận được từ các ngôn ngữ hữu hạn bằng cách áp dụng một số hữu hạn lần các phép toán hợp, nhân ghép và phép lặp. Chú ý: 1/. Các văn phạm chính quy không chứa các quy tắc sinh từ rỗng (còn gọi là các quy tắc rỗng, là các quy tắc có dạng A → ε, với A là ký hiệu phụ), vì vậy các ngôn ngữ chính quy cũng không chứa từ rỗng ε. 2/. Ngôn ngữ chính quy suy rộng là các ngôn ngữ chính quy có chứa từ rỗng ε, văn phạm chính quy có chứa quy tắc rỗng được gọi là văn phạm chính quy suy rộng Để diễn đạt các ngôn ngữ chính quy, ta đưa vào khái niệm biểu thức chính quy, được định nghĩa như sau: Định nghĩa 3.2 Cho bảng chữ cái Σ = {a1, a2, …, an}, khi đó biểu thức chính quy (regular expresions) được định nghĩa đệ quy như sau: 1/. ∅ và a (với a ∈ Σ) là các biểu thức chính quy trên bảng chữ cái Σ biểu diễn ngôn ngữ ∅ và ngôn ngữ {a} 41
• 42. và s là hai biểu thức chính quy biểu diễn các ngôn ngữ chính quy R và S trên bảng chữ cái Σ thì: • r + s là biểu thức chính quy trên bảng chữ cái Σ biểu diễn ngôn ngữ R ∪ S • r.s là biểu thức chính quy trên bảng chữ cái Σ biểu diễn ngôn ngữ R.S • r+ (hay s+ ) là biểu thức chính quy trên bảng chữ cái Σ biểu diễn ngôn ngữ R+ (hay S+ ) 3/. Không có các biểu thức chính quy nào khác trên bảng chữ cái Σ ngoài các biểu thức chính quy được định nghĩa như trên. Từ định nghĩa ngôn ngữ chính quy và biểu thức chính quy, ta có các kết quả sau về các ngôn ngữ chính quy: Định lý 3.2 Một ngôn ngữ trên bảng chữ cái Σ là chính quy khi và chỉ khi nó được biểu diễn được bằng một biểu thức chính quy. Chú ý: 1/. Biểu thức chính quy suy rộng chấp nhận ε là biểu thức chính quy biểu diễn ngôn ngữ {ε}, và chấp nhận phép toán lặp (*), tức là nếu r là biểu thức chính quy biểu diễn ngôn ngữ chính quy R thì r* là biểu thức chính quy suy rộng biểu diễn ngôn ngữ chính quy suy rộng R* . Trong hầu hết các trường hợp, khi không cần phân biệt, ta dùng khái niệm “biểu thức chính quy” chung cho cả “biểu thức chính quy” và “biểu thức chính quy suy rộng” 2/. Trong các biểu thức chính quy ta có thể bỏ qua các dấu ngoặc và quy ước thứ tự các phép toán là phép lặp, phép nhân ghép và cuối cùng là các phép hợp. Nếu r, s, t là các biểu thức chính quy thì ta có các kết quả sau: • r+s = s+r, • (r+s)+t = r+(s+t), • r+r = r, • (rs)t = r(st), • r(s+t) = rs+rt, (s+t)r = sr+tr, • ∅* = ε, • (r* )* = r* , (r+ ) + = r+ Có thể chứng minh các kết quả trên bằng cách chỉ ra rằng hai biểu thức chính quy ở hai vế của mỗi đẳng thức đều biểu diễn cùng một ngôn ngữ chính quy. Xin dành việc chứng minh này cho sinh viên như là bài tập. Thí dụ 3.1 Xác định ngôn ngữ chính quy được biểu diễn bởi biểu thức r = (01* +02)1. Ta có: r = (01* +02)1 = 01*1+021, vậy ngôn ngữ chính quy biểu diễn bởi r là: L (r) = L(01*1+021) = L(01*1) ∪ L(021) = {01n , 021 | n ≥ 1} 42
• 43. hệ giữa otomat hữu hạn và ngôn ngữ chính quy Trong chương trước ta đã thấy rằng với mọi ngôn ngữ chính quy đều tồn tại một văn phạm chính quy sinh ra nó, và ngược lại ngôn ngữ sinh bởi văn phạm chính quy là ngôn ngữ chính quy. Trong phần này, ta sẽ thấy có một sự liên hệ tương tự như vậy giữa otomat hữu hạn và ngôn ngữ chính quy Định lý 3.3 Nếu L là một ngôn ngữ chính quy thì tồn tại một otomat hữu hạn không đơn định A đoán nhận L, tức là L = T(A). Chứng minh: Giả sử L là ngôn ngữ bởi văn pham chính quy G = <Σ, Δ, S, P>, tức là L = L(G). Xét otomat hữu hạn không đơn định A = < Q, Σ, δ, q0, F>, trong đó: + Q = Δ ∪ {E}, với E là ký hiệu mới và E ∉ Σ∪Δ, + q0 = S; + F = {E} nếu quy tắc S → ε ∉ P và F = {E, S} nếu S → ε ∈ P, + ∀A∈Δ, ∀a∈Σ ta đặt δ(A, a) = {B ∈ Δ | A→aB∈P}∪{E | A→a ∈ P} và δ(E, a) = ∅ Ta chứng minh L = T(A). 1/. Lấy ω ∈ L: • nếu ω = ε: trong văn phạm G có quy tắc S→ε ∈ P, do đó S∈F. Trong trường hợp này δ(S, ε)={S} nên ε∈T(A). • nếu ω = a1a2 …an ≠ ε: Ta có suy dẫn S├ a1A1├ a1a2A2├…├ a1a2…an-1An-1├ a1…an-1an Do đó tồn tại dãy quy tắc S→a1A1, A1→a2A2, …, An-1→an trong P. Từ định nghĩa của δ, ta có A1 ∈ δ(S, a1), A2 ∈ δ(A1, a2), …, An-1 ∈ δ(An-2, an-1), E ∈ δ(An-1, an). Như vậy, E ∈ δ(S, a1a2… an) hay ω ∈ T(A). Vậy L ⊆ T(A) 2/. Lấy ω∈T(A): • nếu ω = ε: δ(S, ε)∩F ≠ ∅ hay S∈F, vậy có quy tắc S→ε ∈P, do đó ε ∈ L(G) • nếu ω = a1a2 …an ≠ ε: δ(S, ω)∩F ≠ ∅ với ω ≠ ε hay E ∈ δ(S, ω), do đó tồn tại các trạng thái A1, A2, …, An-1∈Δ sao cho A1∈ δ(S, a1), A2∈δ(A1, a2),…, An-1∈ δ(An-2, an-1), E∈δ(An-1, an). Từ đó ta có S→a1A1, A1→a2A2, …, An-1→an∈P hay trong G có một suy dẫn là S├ a1A1├ a1a2A2├ …├ a1a2…an-1An-1├ a1…an-1an = ω. Vì vậy ω ∈ L. Hay T(A) ⊆ L Vậy ta đã chứng minh L = T(A), tức là tồn tại một otomat hữu hạn không đơn định đoán nhận L. Thí dụ 3.2 Cho ngôn ngữ L = {ωabn ab | n≥0, ω∈{a, b}* }. Ta có L = L(G) trong đó G = <{a, b}, {S, A, B}, S, {S→aS, S→bS, S→aA, A→bA, A→aB, B→b}> là văn phạm chính quy. Xây dựng otomat hữu hạn không đơn định A = <{S, A, B, E}, {a, b}, δ, S, {E}>, trong đó δ(S, a) = {S, A}, δ(S, b) = {S}, δ(A, a) = {B}, δ(A, b) = {A}, δ(B, a) = ∅, δ(B, b) = {E}, δ(E, a) = ∅, δ(E, b) = ∅. Đồ thị chuyển của A được cho trong hình 3.20: 43
• 44. thị chuyển của otomat A trong thí dụ 3.2 Theo định lý trên, otomat A đoán nhận ngôn ngữ chính quy L, thật vậy ta có: T(A) = {ωabn ab | n ≥ 0, ω∈{a, b}* } = L Định lý 3.4 Nếu L là ngôn ngữ được đoán nhận bởi một otomat hữu hạn đơn định thì L là một ngôn ngữ chính quy. Chứng minh: Giả sử L = T(M), với M = <Q, Σ, δ, q0, F> là một otomat hữu hạn đơn định. Xét văn phạm G = <Σ, Q, q0, P>, trong đó P = {q→ap | δ(q, a) = p} ∪ {q→a | δ(q, a) = p∈F}. Khi đó G là một văn phạm chính quy. • Ta chứng minh L(G) = L, với giả thiết ε ∉ L. 1/. Lấy ω = a1a2 …an ∈ L(G), ω ≠ ε, trong G tồn tại suy dẫn q0╞ ω hay q0├ a1q1├ a1a2q2├ … ├ a1a2…an-1qn-1├ a1…an-1an = ω. Do đó q0→a1q1, q1→a2q2, …, qn-1→an-1qn-1, qn-1→an ∈ P hay ta có p1 = δ(q0, a1), p2 = δ(q1, a2), …, qn-1 = δ(qn-2, an-1), qn∈F tức là δ(q0, ω) = qn∈ F hay ω ∈T(A) = L 2/. Lấy ω = a1a2 …an ∈ L, ω ≠ ε, khi đó tồn tại dãy trạng thái q1, q2, …, qn sao cho δ(q0, a1) = p1, δ(q1, a2) = q2, …, δ(qn-2, an-1) = qn-1, δ(qn-1, an) = qn∈F. Do đó trong G có các quy tắc q0→a1q1, q1→a2q2, …, qn-1→an-1qn-1, qn-1→an ∈ P, ta có suy dẫn trong G: q0 ├ a1q1├ a1a2q2├ …├ a1a2…an-1qn-1├ a1…an-1an = ω hay ω∈L(G). • Trong trường hợp ε ∈ L, ta xây dựng G’ tương đương với G trong đó ký hiệu xuất phát không xuất hiện trong bất kỳ vế phải của quy tắc nào, đồng thời thêm vào G’ quy tắc q0→ε để nhận được văn phạm chính quy G’ sao cho L(G’) = L(G) ∪ {ε}. Vậy ta luôn có L(G) = L. Vậy định lý được chứng minh. Thí dụ 3.3 Cho otomat hữu hạn đơn định A = <{q0, q1, q2}, {0, 1}, δ, q0, {q2}>, trong đó δ(q0, 0) = q1, δ(q1, 0) = q2, δ(q1, 1) = q0, δ(q2, 1) = q0. Đồ thị chuyển của A là: H. 3.21 Đồ thị chuyển của otomat A trong thí dụ 3.3 Dễ thấy rằng T(A) = {ω00 | ω∈{01, 001}* } là ngôn ngữ chính quy. 44
• 45. các định lý trên ta có kết luận về sự liên hệ giữa otomat hữu hạn và ngôn ngữ chính quy như sau: 1/. Gọi D là lớp các ngôn ngữ được đoán nhận bởi otomat hữu hạn đơn định, N là lớp các ngôn ngữ được đoán nhận bởi otomat hữu hạn không đơn định và R là lớp các ngôn ngữ chính quy. Định lý 2.1 cho biết D = N. Định lý 3.3 cho biết R ⊂ N. Định lý 3.4 cho biết D ⊂ R Vậy D = N = R. 2/. Ngôn ngữ L là chính quy khi và chỉ khi: a/. Tồn tại một biểu thúc chính quy biểu diễn L, b/. Tồn tại một văn phạm chính quy sinh ngôn ngữ L, c/. Tồn tại một otomat hữu hạn đoán nhận L Thí dụ 3.4 Với ngôn ngữ chính quy L = {01n , 021 | n ≥ 1}, ta có: • Biểu thức chính quy biểu diễn L (xem thí dụ 3.2) là: r = 01*1+021 • Văn phạm chính quy sinh ngôn ngữ L: G = <{0, 1, 2}, {S, A, B, C}, S, {S→0A, A→1A, A→1, S→0B, B→2C, C→1}> • Otomat hữu hạn A đoán nhận L có đồ thị chuyển là: H. 3.22 Đồ thị chuyển của otomat A trong thí dụ 3.4 §4. Điều kiện cần của ngôn ngữ chính quy Khi một ngôn ngữ được đoán nhận bởi otomat hữu hạn, hoặc được sinh bởi một văn phạm chính quy, hoặc được xác định bởi một biểu thức chính quy thì nó là ngôn ngữ chính quy. Như vậy việc chứng minh một ngôn ngữ là chính quy là khá dễ dàng bằng cách chỉ ra rằng nó được xác định bằng một trong những cách trên. Tuy nhiên, để khẳng định một ngôn ngữ L không phải là ngôn ngữ chính quy thì lại không hề đơn giản. Dù ta không xây dựng 45