Теория автоматов. Учебное пособие. Теория автоматов Предмет теории автоматов

ТЕОРИЯ АВТОМАТОВ.

ВВОДНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

Теория автоматов – раздел дискретной математики, изучающий математические модели реальных (технических, биологических, экономических) или возможных устройств, перерабатывающих дискретную информацию дискретными временными тактами.

В этой теории достаточно четко выявляются ее направления, обусловленные:

выбором изучаемых типов автоматов (конечные, бесконечные, детерминированные, вероятностные, автономные, комбинационные, без выхода)

принятым уровнем абстракции (абстрактные и структурные автоматы)

спецификой применяемых математических (алгебраическая теория автоматов)

При этом в дискретных моделях рассматриваемых объектов учитывается лишь логика происходящих процессов изменений автомата без учета количественных характеристик.

Центральными проблемами читаемой теории являются проблемы синтаксиса и анализа (т.е. разработка функциональной схемы автомата по заданному его поведению и описание поведения автомата по известной его структуре). С этими проблемами тесно связаны задачи полноты, эквивалентности, минимизации числа состояний автоматов.

Далее автомат, как устройство, предназначенное для выполнения целенаправленных действий без участия человека, рассматривается либо как реализующий ту или иную формальную грамматику (абстрактный автомат), либо как множество элементов и схема их соединения (структурный автомат).

Основные понятия теории автоматов

Абстрактный конечный автомат U - модель , представляющая устройство, которое преобразует информацию по правилам R в виде «черного ящика», имеющего входной А и выходной В алфавиты, а также некоторое множество внутренних состояний Q.

a i  A , b j  B, q k  Q

Когда на вход подается сигнал a i , то в зависимости от него и текущего состояния q k  Q автомат переходит в следующее состояние q l  Q и выдает сигнал на выход b j  B. Это – один такт действия автомата q k a i  q l b j . Затем подается следующий сигнал, наступает следующий такт и т.д. Изменение сигнала на входе меняет состояние автомата и его выходной сигнал означает элементарное преобразование поступающей в виде сигналов информации.

Бесконечный автомат – абстрактный автомат, хотя бы одно из определяющих множеств A, B, Q которого бесконечно.

Ситохастический (вероятностный) автомат - абстрактный автомат, правила преобразования информации, которого R являются вероятностными.

Конечный автомат – дискретный автомат, в котором переход из одного состояния в любое другое может быть совершено за конечное число шагов (таким автоматом, например, является процессор).

Структурный автомат - конечный автомат, внутреннее устройство которого известно.

Формальная грамматика = - система правил построения P в заданном алфавите TH(T – терминальный алфавит, Н – нетерминальный алфавит, ТН=) конечных знаковых последовательностей, множество которых образует некоторый формальный язык () (JH, Н - аксиома).

Формальный язык - язык, построенный по правилам некоторого логического исчисления (иначе – язык, синтаксис которого определен формальной грамматикой ).

Слово – цепочка символов в некотором алфавите (принято цепочки в алфавите (TH) обозначать греческими буквами; так, например,  (TH)*).

Предложение – слово в терминальном алфавите.

Продукция (синтаксическое правило) – способ преобразования цепочки вида  (, ,  (TH)*) в цепочку вида  ((TH)*).

Дерево вывода (разбора) – форма наглядного представления вывода предложения в заданной грамматике.

АВТОМАТЫ И ФОРМАЛЬНЫЕ ЯЗЫКИ.

Описание формальных языков (как конечных или бесконечных множеств слов) конечными средствами осуществляют как автоматами, так и формальными грамматиками.

Тип языка () по Хомскому	Тип формальной грамматики Хомского	Автоматная модель языка
	Произвольная (алгоритмическая) грамматика типа 0 	Машина Тьюринга
	Грамматика типа 1 (контекстная грамматика, Н.С. грамматика, грамматика непосредственно составляющих) В	Автомат с линейно-ограниченной памятью
	Грамматика типа 2(контекстно-свободная грамматика, К.С. грамматика, бесконтекстная грамматика) В	Магазинный автомат
	Грамматика типа 3(автоматная, регулярная, конечная) ВаС, Ва	Конечный автомат

Классы языков по Хомскому являются иерархией, т.е. язык типа 3 является подклассом языка типа 2, т.е. ( 3) ( 2) ( 1)  ( 0). Следуя приведенной таблице, можно говорить, что

регулярный язык (т.е. язык, порождаемый грамматикой типа 3) распознается конечным автоматом и в этом плане является самым простым в математическом плане

бесконтекстный язык (т.е. язык ( 2)) распознается магазинным автоматом – бесконечным автоматом, внутренняя структура которого представляет собой стековую память

контекстный язык ( 1) распознается автоматом с линейно-ограниченной памятью, т.е. автоматом, которому для распознавания последовательности длины nN необходима память объемом не более k*n, где k – число, независящее от входного слова

произвольный формальный язык, т.е. ( 0), распознается машиной Тьюринга – математического понятия для формального уточнения интуитивного понятия «алгоритм»

Замечание : В синтаксическом правиле В являются контекстами (левый и правый), которые могут быть пустыми цепочками; ВН, а,, ,   (ТН).

ФОРМАЛЬНЫЕ ГРАММАТИКИ.

Формальные грамматики = как процедуры могут быть порождающими и распознающими. Порождающая грамматика по существу является частным случаем формальной системы FS / =<, D>-=. В этом случае A=TH, F(TH) * , JH, P= i  j  i , j  N ,  i ,  j (TH) * , т.е. правила вывода P позволяют получать слова в терминальном алфавите Т из единственной аксиомы J путем замещения нетерминальных символов цепочек в алфавите (TH).

Распознающая грамматика – алгоритм, распознающий по любой цепочке, является ли оно словом языка  T * .

Автомат для распознавания и порождения слов можно рассматривать как устройство обработки входных цепочек символов с целью:

определения их принадлежности формальному языку ()

порождений выходных цепочек символов

Выводом в грамматике  называется последовательность цепочек, в которой каждая из цепочек, кроме первой, получается из предыдущей применением какого-либо правила вывода (последняя цепочка в выводе – предложение, т.е. слово В в алфавите Т).

Пример 1 : Т=a, b, c, H=B, C, J=B, P=BaBС, BCc, Cb

Возможным выводом в этой грамматике может быть последовательность слов:

В, аВС, аСсС, аbсС, аbсbТ *

Эта грамматика порождает язык b, bc, abcb.

Пример 2 : множество нечетных чисел в унарном представлении – это множество терминальных слов вида а, ааа, ааааа….., т.е. язык =хТ * : ха 2 n -1 , nN. Этот язык порождается автоматной грамматикой  3 =<a, J, J, Ja, JaB, BaJ>.

Пример 3 : Язык =хТ * : х=a n b n  n  N порождается К.С. грамматикой, т.е.  2 =<a, b, J, J, JaJb, Jab>.

Пример 4 : Язык булевых формул с переменными x, y, z порождается К.С. грамматикой  2 =<x, y, z, , , , (,), J, J, J(JJ), J(JJ), JJ, Jx, Jy, JZ>.

ДЕРЕВЬЯ ВЫВОДА ПРЕДЛОЖЕНИЙ.

На практике вывод слов языка () в виде последовательности цепочек часто оказывается громоздким. Кроме того, такой способ не позволяет получить в удобном виде информацию о синтаксических конструкциях. Наилучшим способом компактного представления вывода слов в таком случае является дерево вывода (дерево синтаксического анализа, дерево грамматического разбора). Говорят, что задано стандартное дерево вывода, если правилу r i:  1 A 2  1  2 (здесь  1 ,  2 – контекст,  1 ,  2 (TH) *), АН, (TH) *) поставлено в соответствие элементарное поддерево t(r i) с вершиной А и кроной  1  2.

Пример 1 : Пусть 1=<a, b, c, A, B, C, D, J, J, JAAB, ABDBB, aBBabB, Aa, Da, BC, Cc>.

Вывод J, AAB, aAB, aDBB, aaBB, aabB, aaaBC, aabc представим деревом:

ЗдесьJ – корень дерева, J A , A a - поддеревья.

Раздел теоретической кибернетики, в котором изучаются математические модели (называемые автоматами, машинами) реально существующих (технических, биологических и т. п.) или принципиально возможных устройств, перерабатывающих дискретную информацию дискретными временными тактами. А. т. возникла гл. образом под влиянием запросов техники цифровых вычислительных и управляющих машин, а также внутренней потребности теории алгоритмов и математической логики. Понятие «автомата» заметно варьирует в зависимости от характера названных устройств, от принятого уровня абстракции и целесообразной степени общности (автоматы конечные, бесконечные, растущие, вероятностные, детерминированные, автономные и т. п.).

Вопрос же о выработке такого понятия «автомат», которое обладало бы макс. степенью общности и вместе с тем могло бы служить основой для постановки и решения достаточно содержательных задач, нельзя считать еще полностью решенным. Вместе с тем его можно рассматривать как частный случай общего понятия управляющей системы.

Термин «А. т.» вошел в обиход в 50-е годы 20 ст., хотя соответствующая проблематика в значительной мере начала складываться еще в 30-е годы в рамках теории алгоритмов и теории релейных устройств. Еще тогда в алгоритмов теории были сформулированы достаточно общие понятия вычисл. автомата (см. Тьюринга машина) и (неявно) понятие автомата конечного (головка машины Тьюринга). Было установлено, что для осуществления

всевозможных эффективных преобразований информации вовсе не обязательно строить каждый раз специализированные автоматы; в принципе все это можно сделать на одном универсальном автомате при помощи подходящей программы и подходящего кодирования. Этот теор. результат позже получил инженерное воплощение в виде современных универсальных вычисл. машин. Однако развернутое изучение процессов, протекающих в автоматах различного рода, и общих закономерностей, которым они подчинены, началось позднее лишь в рамках А. т. Различие в постановках между задачами теории алгоритмов и А. т. можно кратко охарактеризовать как различие между вопросами о том, что могут делать автоматы и как они это делают. Поскольку привлечение др. типов автоматов (отличных от машин Тьюринга) заведомо не расширяет запаса вычислимых преобразований информации, то для теории алгоритмов такое привлечение носит лишь эпизодический характер и связано только с применяемой техникой доказательств. С другой стороны, для А. т. такое рассмотрение становится уже самоцелью. Теор. и прикладные задачи автоматики, вычисл. техники и программирования, моделирования биол. поведения и др. продолжают стимулировать проблематику А. т. Однако наряду с этим, А. т. уже вырабатывает собственную внутреннюю проблематику. В А. т. широко применяется аппарат алгебры, логики математической, комбинаторного анализа (включая графов теорию) и вероятностей теории.

В А. т. достаточно четко вырисовываются отдельные ее направления, обусловленные выбором изучаемых типов автоматов (конечных, вероятностных и т. п.), принятым уровнем абстракции (см. Абстрактная теория автоматов, Структурная теория автоматов) или спецификой применяемых матем. методов (см. Алгебраическая теория автоматов). Наряду с этим родственные задачи и методы интенсивно развиваются в теории релейных устройств, в теории ЦВМ ив теории программирования, поэтому зачастую трудно бывает различать сферы действия этих теорий и А. т.

Поведение и структура. В основе А. т. лежат точные матем. понятия, формализующие интуитивные представления о функционировании и поведении автомата, а также о его структуре (внутреннем устройстве). С точки зрения их поведения, автоматы чаще всего рассматриваются как преобразователи словарной информации, т. е. преобразователи последовательностей букв в последовательности букв. Реализуемое преобразование интерпретируется обычно как вычисление значений некоторой ф-ции (оператора) по заданным значениям аргументов или как преобразование записей условий задач некоторого типа в записи соответствующих решений. В частности, т. н. распознающие автоматы, воспринимая входную информацию, реагируют на нее так, что некоторые входные последовательности сигналов они принимают, а другие - отвергают. В этом смысле они распознают или, как говорят еще, представляют мн-ва входных последовательностей. Наконец, порождающий автомат функционирует как автономная система, не связанная со входной информацией, его поведение определяется тем, какие выходные последовательности он способен порождать. Приведенная классификация в терминах преобразования, распознавания и порождения зависит от правил функционирования автомата, т. е. от программы взаимодействия его внутренних состояний со входными (поступающими из внешней среды) и выходными (вырабатываемыми во внешнюю среду) сигналами. Пусть Q, X, Y - соответственно мн-ва внутренних состояний входных и выходных сигналов автомата. Если это детерминированный автомат, его программа формализуется в терминах ф-ции переходов Ч и ф-ции выходов Ф, указывающих для каждого входного сигнала х и каждого состояния состояние в которое переходит автомат, и вырабатываемый им при этом выходной сигнал

Абстрактная А. т. характеризуется более высоким уровнем абстракции: в ней понятие автомата отождествляется с понятием программы автомата, т. е. с пятеркой (), при полном отвлечении от его структуры. Структура автомата отражает способ его организации из более простых взаимодействующих компонент (элементарных автоматов или просто - элементов), надлежащим образом соединенных в единую систему. Напр., вычисл. машина составлена из элементарных ячеек типа триггеров, инверторов и т. п.; нервная система построена из нейронов. Структурная классификация автоматов определяется характером допускаемых соединений (соединения могут быть жесткими или же изменяться в процессе работы, подвергнуты тем или иным геом. ограничениям), а также спецификой функционирования и взаимодействия употребляемых элементов (напр., элементы могут только обмениваться информацией или же они могут порождать новые элементы, наращивая структуру). Формализация структурных понятий осуществляется в терминах различного рода схем (см. Сеть логическая). А. Н. Колмогоров наметил подход, приведший к формулировке весьма общего, но все еще конструктивного понятия структуры автомата (см. Автоматы растущие), которое, по-видимому, охватывает все известные типы структур автоматов и все те, которые можно предвидеть на современном уровне науки. Вполне очевидно, что имеется тесная связь между структурой автомата и его поведением. Однако раздельное изучение каждого из этих двух аспектов при значительном отвлечении от другого не только возможно, но зачастую и полезно при постановке и решении многих важных проблем. Такое изучение производится соответственно в абстрактной (поведенческой) и структурной теории автоматов.

Типы автоматов. Наиболее распространенной является классификация автоматов и со-отв. разделов А. т., посвященных различным

типам автоматов, по следующим признакам.

1) Объем памяти. Конечные и бесконечные автоматы характеризуются соотв. конечностью и бесконечностью объема памяти (числа внутренних состояний). Конечными автоматами являются отдельные блоки современных вычисл. машин и даже машина в целом. Мозг также можно рассматривать как конечный автомат. Бесконечные автоматы представляют собой естественную матем. идеализацию, вырастающую из представления об автомате с конечным, но необозримо большим числом состояний. При этом имеется в виду лишь потенциальная бесконечность памяти, проявляющаяся в том, что память, хотя и остается конечной в каждый момент времени, может неограниченно возрастать. Такая идеализация возникла впервые в рамках теории алгоритмов в процессе уточнения интуитивного представления об алгоритме. Структурно-растущий автомат представляют в виде соединения элементов, способных к размножению и наращиванию схемы. Современные ЭВМ можно рассматривать как растущие (а вместе с тем и потенциально бесконечные) автоматы в следующем смысле: чтобы вычисления во всех случаях могли быть доведены до конца, приходится допускать возможность неограниченного наращивания внешней (ленточной) памяти.

2) Механизм случайного выбора. В детерминированных автоматах поведение и структура в каждый момент времени однозначно определены текущей входной информацией и состоянием автомата, сложившимся в непосредственно предшествующий момент. В вероятностных (стохастических) автоматах они зависят еще и от некоторого случайного выбора. Стохастические автоматы не следует смешивать с недетерминированными, в которых так же нарушено условие однозначности (однако без участия к.-л. механизма случайного выбора).

Проблемы и методы. К центр, проблемам А. т. относятся проблемы анализа, т. е. описания поведения автомата, исходя из заданной его программы или структуры, и синтеза - т. е. конструирования автоматов, поведение которых удовлетворяло бы заранее предъявляемым требованиям. С этими проблемами тесно связаны и многие др. задачи, которые интенсивно исследуются (полнота и универсальность, минимизация, языки, асимптотические оценки и др.). Более всего анализ и синтез исследованы в теории конечных детерминированных автоматов, причем они по-разному трактуются в абстрактной и в структурной теориях автоматов. Так, напр., в структурной теории под синтезом (см. Синтез автоматов структурный) подразумевается построение схемы из заданного ассортимента элементов, которая была бы оптим. (или близка к оптим.) в смысле некоторого выдвигаемого критерия сложности схем. Здесь преобладают комбинаторно-информационные методы и асимптотические оценки (К. Шэннон, С. В. Яблонский, О. Б. Лупанов и др.). В абстрактной теории автоматов довольствуются построением программы функционирования автомата (см. Синтез автоматов абстрактный), напр., в виде ф-ций перехода и выхода для конечного автомата, которая обычно служит исходным материалом для дальнейшего развертывания структурного синтеза. Здесь используются преимущественно алгебраические (С. К. Клини, В. М. Глушков и др.), математико-логич. (Б. А. Трахтенброт, Р. Бюхи и др.) и игровые (Р. Мак-Нотоп) методы и понятия. Проблема анализа и синтеза конечных детерминированных автоматов занимает видное место и в теории релейных устройств.

В теории экспериментов с автоматами (Э. Мур) разрабатываются методы, которые позволяют по сведениям, получаемым при внешнем наблюдении за поведением автомата, восстанавливать программу его функционирования или по крайней мере некоторые ее свойства. Эти методы можно рассматривать как своеобразный прием абстрактного синтеза и расшифровки автоматов (Я. М. Барздинь). Работы К. Шэннона, М. Рабина и др. послужили толчком к развитию теории вероятностных автоматов в следующих направлениях: 1) в какой мере понятия и методы теории детерминированных автоматов переносятся на стохастические автоматы; 2) какие упрощения вычисл. процесса достижимы при выходе из более узкого класса детерминированных автоматов в более широкий класс автоматов вероятностных. Изучение растущих автоматов сосредоточено в основном на следующих проблемах: 1) разработка моделей растущих автоматов и изучение отдельных их классов (автоматы итеративные - Ф. Хенни, автоматы регистровые - В. М. Глушков, автоматы самовоспроизводящиеся - Дж. фон Нейман, обобщенные растущие автоматы - А. Н. Колмогоров, Я. М. Барздинь); 2) оценка вычисл. способности и сложности вычислений растущих автоматов (Я. М. Барздинь, Б. А. Трахтенброт, Ю. Хартманис, Г. С. Цейтин, М. Рабин и др.).

Связь с другими научными направлениями.

Значение теории алгоритмов и теории релейных устройств для А. т. уже было разъяснено выше. Следует указать и на обратную отдачу А. т., методы которой позволили решить ряд задач, возникших в матем. логике и теории алгоритмов (Р. Бюхи). Проблематика, складывающаяся в теории растущих автоматов (напр., сложность вычислений), лежит по существу на стыке теории алгоритмов и асимптотических закономерностей структурного синтеза автоматов. Сильное взаимное проникновение А. т. и лингвистики математической, одним из важных понятий которой является грамматика порождающая, - объект весьма близкий к порождающему автомату. Поэтому отдельные довольно важные положения теории грамматик могут быть в принципе отнесены к А. т. В абстрактной теории автоматов матем. вопросы обучения, а также целесообразного поведения одного индивидуума или коллектива были уточнены и исследованы в терминах автоматов игр (М. Л. Цетлин). Полезной

оказалась также связь теории конечных автоматов с теорией проектирования ЦВМ и теорией программирования (В. М. Глушков, А. А. Летичевский).

Лит.: Гаврилов М А. Теория релейно-контактных схем. М.- Л., 1950 [библиогр. с. 298-299]; «Труды математического института им. В. А. Стеклова АН СССР», 1958, т. 51; Глушков В. М. Синтез цифровых автоматов. М., 1962 [библиогр. с. 464- 469]; Кобр инский Н. Е., Трахтенброт Б. А. Введение в теорию конечных автоматов. М., 1962 [библиогр. с. 399-402]; Цетлин М. Л. Исследования по теории автоматов и моделированию биологических систем. М., 1969 [библиогр. с. 306-316]; Трахтенброт Б. А., Барздинь Я. М. Конечные автоматы (Поведение и синтез). М., 1970 [библиогр. с. 389-395]; Автоматы. Пер. с англ. М., 1956. Б. А, Трахтенброт.

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ»

Кафедра ИТ-4 «Персональные компьютеры и сети»

«УТВЕРЖДАЮ»

Заведующий кафедрой ИТ-4

Михайлов Б.М.

«___»__________________2007г.

ЛЕКЦИИ

По дисциплине 1425 «Теория автоматов»

Для студентов 2 курса факультета ИТ

Специальности 230101

«Вычислительные машины, комплексы, системы и сети»

Обсуждены на заседании кафедры

«___»________________2007г.

Протокол № _____

Москва 2007

^ Общие положения

Цели и задачи дисциплины

Целью дисциплины является изложение принципов организации программных и аппаратных средств, в рамках персональных ЭВМ с использованием теории автоматов, овладение навыками разработки программного обеспечения и аппаратных средств ЭВМ.

^ Требования к уровню освоения содержания дисциплины

Знания, приобретенные в результате освоения дисциплины:

Принципы и основные понятия теории автоматов;
Применение теории автоматов для построения трансляторов алгоритмических языков;
Применение теории автоматов при разработке устройств и дискретной аппаратуры в рамках персональных ЭВМ;

Умения и навыки, приобретенные в результате освоения дисциплины:

Применение теории автоматов для решения прикладных задач;
Проектирование дискретных устройств;
Проектирование трансляторов;

Основная литература

1. Савельев А.Я. Основы информатики: учебник для вузов.-М.:Издательство МГТУ им. Н.Баумана,2001.-328с.

2. Карпов Ю.Г.Теория автоматов:СПб.:Питер,2003.-224 с.:ил.

3. Зайцев Е.И. Теория автоматов: Учебное пособие.-М.:МГАПИ,2002.-59с.

Дополнительная литература

1. Хопкрофт Д., Мотвани Р., Введение в теорию автоматов, языков и вычислений: пер с англ.-М.:Издат. Дом Вильямс,2002.-528с.

Лекция №1.

Основные понятия и определения

Продолжительность: 2 часа (90) минут

1.1. Ключевые (основные) вопросы (моменты)

Место дисциплины «Теория автоматов» в ряду дисциплин, читаемых на кафедре

Объекты Теории автоматов

Задачи Теории автоматов

Основные понятия и определения.

^ ТЕОРИЯ АВТОМАТОВ.

1.2.1. Основные положения теории автоматов. До 20 минут

Автомат (от греческого   - самодействующий) - управляющая система , являющаяся конечным автоматом или некоторой его модификацией, полученной путем изменения его компонент или функционирования. Основное понятие - конечный автомат - возникло в середине 20 века в связи с попытками описать на математическом языке функционирование нервных систем, универсальных вычислительных машин и других реальных автоматов. Характерной особенностью такого описания является дискретность соответствующих математических моделей и конечность областей значений их параметров, что приводит к понятию конечного автомата.

Теория автоматов - это раздел теории управляющих систем , изучающий математические модели преобразователей дискретной информации, называемые автоматами . С определенной точки зрения такими преобразователями являются как реальные устройства (вычислительные машины, автоматы, живые организмы и т.д.), так и абстрактные системы (например, формальная система, аксиоматические теории и т.д.). Наиболее тесно связана с теорией алгоритмов .

Большинство задач теории автоматов - общие для основных видов управляющих систем. К ним относятся задачи анализа и синтеза автоматов, задачи полноты, минимизации, эквивалентных преобразований автоматов и другие. Задача анализа состоит в том, чтобы по заданному автомату описать его поведение или по неполным данным об автомате и его функционированию установить те или иные его свойства. Задача синтеза автоматов состоит в построении автомата с наперед заданным поведением или функционированием. Задача полноты состоит в выяснении, обладает ли множество M"  M автоматов свойством полноты, т.е. совпадает ли с M множество всех автоматов, которые получаются путем конечного числа применений некоторых операций к автоматам из заданного подмножества автоматов M" . Задача эквивалентных преобразований в общем виде состоит в том, чтобы найти систему правил преобразований (так называемую полную систему правил) автоматов, которые удовлетворяют определенным условиям и позволяют преобразовать произвольный автомат в любой эквивалентный ему автомат (два автомата эквивалентны, если они имеют одинаковое поведение автомата. Поведение автомата - математическое понятие, описывающее взаимодействие автомата с внешней средой. Примером внешней среды конечного автомата является множество входных слов, а поведением - словарная функция, реализуемая автоматом, или событие, представимое автоматом.)

Помимо перечисленных, в теории автоматов имеются специфические проблемы, характерные для автоматов. Так, в зависимости от условий задачи поведение автомата удобно задавать на разных языках, в связи с чем важными задачами являются выбор достаточно удобного адекватного языка и перевод с одного языка на другой. В тесной связи с задачами синтеза и эквивалентных преобразований находится задача минимизации числа состояний автомата, а также получение соответствующих оценок. Близкий круг вопросов возникает в связи с моделированием поведения автоматов одного класса автоматами другого класса. Здесь также представляют интерес вопросы минимизации моделирующих автоматов и оценки их сложности. Специальный раздел теории автоматов связан с так называемыми экспериментами с автоматами (т.е. способами получения информации о внутренней структуре автоматов по их поведению). Основная задача здесь состоит в том, чтобы получить определенные сведения о строении автомата путем наблюдения его реакции на те или иные внешние воздействия. При этом возникает большой круг задач, связанный с классификацией экспериментов и с вопросами разрешимости задач определенными видами экспериментов, а также с оценками длин минимальных экспериментов, достаточных для решения тех или иных задач. Понятие эксперимента с автоматами используется также в задачах надежности и контроля управляющих систем, в частности контроля автоматов. Многие из перечисленных выше задач могут рассматриваться как алгоритмические проблемы. Для конечных автоматов большинство из них имеют положительное решение.

Теория автоматов находит применение как и в других областях математики, так и в решении практических задач. Например, средствами теории автоматов доказывается разрешимость некоторых формальных исчислений. Применение методов и понятий теории автоматов к изучению формальных и естественных языков привело к возникновению математической лингвистики (математическая лингвистика - математическая дисциплина, предметом которой является разработка формального аппарата для описания строения естественных и некоторых искусственных языков.) Понятие автомата может служить модельным объектом в самых разнообразных задачах, благодаря чему возможно применение теории автоматов в различных научных и прикладных исследованиях.

^ 1.2.2. Проблемы и задачи, решаемые теорией автоматов. До 30 минут

В этой теории достаточно четко выявляются ее направления, обусловленные:

выбором изучаемых типов автоматов (конечные, бесконечные, детерминированные, вероятностные, автономные, комбинационные, без выхода)
принятым уровнем абстракции (абстрактные и структурные автоматы)
спецификой применяемых математических (алгебраическая теория автоматов)

Каждый вопрос размещен на одной отдельной странице (кроме одного - "Алгебраическая и структурная теория КА", который занимает две страницы). Формат шпаргалки: doc.

Вопросы шпаргалки

Предмет теории автоматов
Классификация автоматов
Приложения теория автоматов
Двоичное умножение
Умножение в инверсных кодах
Деление
Деление в инверсных кодах. Особенности
Особенности выполнения операций в формате с плавающей запятой
Двоично-десятичные коды. Сложение в ДДК
Модель дискретного преобразователя Глушкова
Микропрограммирование
Структуры операционных автоматов
Синтез операционного автомата (ОА) процедурного типа
Синтез ОА структурного типа
Автоматные языки. Формальное задание Автомата
Модели автоматов Мили и Мура
Эквивалентность конечных автоматов (КА). Теорема Мура
Минимизация конечных автоматов
Эквивалентность автомата Мили и Мура
Виды управляющего автомата (УА)
Структурные схемы УА. Мили и Мура
Этапы синтеза управляющего автомата с жесткой логикой (УАЖЛ)
Примеры синтеза УАЖЛ
Гонки и способы борьбы с ними
УА с программируемой логикой (УАПЛ)
Алгебраическая и структурная теория КА
Объединение нескольких УА в один
Программная реализация КА. Варианты реализации. Шаблон Состояние
Назначение и краткая характеристика VHDL
Реализация УА на VHDL
Понятие о языке моделирования UML
Понятие о языках и формальных грамматиках
Классификация языков
Лемма о накачке
Понятие о НКА. Получение ДКА по НКА
Регулярные выражения. Синтаксические диаграммы. Теорема Клини
Применение РВ. Различные нотации РВ
КС-грамматики и магазинные автоматы
Машины Тьюринга
Использование МТ для анализа алгоритмов

Пример вопроса из шпаргалки

Предмет теории автоматов

Автомат – объект (идеальный, материальный или более конкретно – устройство), осуществляющий переработку информации.

Изучение способов преобразования информации является предметом теории автоматов в широком смысле.

Теория автоматов является частью кибернетики, как науки о способах хранения, восприятия, передачи и переработки информации в машинах и живых организмах.

Теория автоматов использует различные математические модели. Наиболее общие из них изучают абстрактная теория автоматов и алгебраическая ТА.

С точки зрения абстрактной ТА автомат представляет собой совокупность множеств и отображений. Например, автомат может задаваться как шестерка объектов: А = , где:

X – множество входных символов автомата
Y – множество выходных символов автомата
Q – множество состояний автомата
q0 – начальные состояния автомата
A – функция перехода: Q x X -> Q
B – функция выхода: Q x X -> Y

Автоматные преобразования: выходные слова автомата зависят не только от выходных слов состояний, но и от значений слов в предыдущем состоянии.

Математический автомат рассматривается иногда как алгебра, при этом выделяется множество состояний автомата и операции над этим множеством.

Технический автомат – физическое устройство, для которого важно не только поведение или закон функционирования, но и его внутренняя структура, получение этой структуры, поэтому в технике рассматривают структурную теорию автомата, предметом которой является изучение структуры автомата, анализ и синтез схем автомата с заданными свойствами.

Можно выделить следующие виды Теорий Автоматов:

Абстрактные ТА (математические);
Структурные ТА (технические);
Общие ТА;
Прикладные ТА;

ПТЦА - дискретный автомат – устройство, выполняющее преобразование цифровой информации по заданному алгоритму.

ТТ-автомат – устройство, выполняющее преобразование (распознавание) входных слов (текста).

Печать

Также интересно:

Морской коктейль замороженный: состав, польза и рецепты приготовления

(1 вариант, сочинение-рассуждение)

Пилотируемые перспективы

Рекомендуем почитать:

2024-04-14 00:29:32

Немой язык жестов глухонемых

2024-04-11 00:30:05

Претеритум в немецком языке - употребление и особенности

2024-04-10 00:28:31

Инструктаж для детей «Безопасность детей в период летних каникул Тб в летний период

В продолжение темы:

Модные советы

Самое древнее государство в мире Самая древняя страна в мире и вообще на земле

Первые государства появились в южных регионах нашей планеты, там, где для этого были наиболее благоприятные природно-географические условия. Они зародились примерно в один...

Новые статьи