Universität Stuttgart
Permanent URI for this communityhttps://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/1
Browse
2 results
Search Results
Item Open Access Reguläre Häufigkeitsberechnungen(2005) Austinat, Holger; Diekert, Volker (Prof. Dr.)Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Häufigkeitsberechnungen, einem rekursionstheoretischen Begriff, der in den 60er Jahren von Rose eingeführt wurde. Eine Funktion f ist berechenbar mit Frequenz m/n, wenn es einen Algorithmus gibt, der für je n verschiedene Eingaben n Ausgabewerte berechnet, von denen mindestens m mit den zugehörigen Funktionswerten von f übereinstimmen. Eine erste natürliche Fragestellung war: gibt es nicht-berechenbare Funktionen, die mit einer Frequenz nahe 1 berechnet werden können? Trakhtenbrot beantwortete diese Frage 1963 negativ, indem er zeigte, dass eine Funktion mit Frequenz echt größer als 1/2 bereits berechenbar im herkömmlichen Sinne ist. Andererseits gibt es überabzählbar viele Funktionen, die sich mit Frequenz 1/2 berechnen lassen. Also ist dieses Ergebnis optimal. Die Forschung auf diesem Gebiet intensivierte sich daraufhin: Wissenschaftler wie Dëgtev, Kinber und Trakhtenbrot selbst (in den 70er und 80er Jahren) und Beigel, Gasarch, Hinrichs, Kummer, Stephan, Tantau und Wechsung (ab den 90er Jahren) beschäftigten sich mit verschiedenen Aspekten von Häufigkeitsberechnungen und verwandten Berechenbarkeitsbegriffen. In der vorliegenden Arbeit beschäftigen wir uns vorwiegend mit regulären Häufigkeitsberechnungen, also solchen, die von endlichen Automaten vorgenommen werden können. Kinber untersuchte diesen Aspekt als erster im Jahre 1976 und behauptete, dass sich Trakhtenbrots Resultat auf endliche Automaten überträgt. Sein folgerte dies aus einem allgemeineren Resultats über separierbare Sprachen, das sich allerdings als falsch herausstellte (ein Gegenbeispiel wurde 2002 von Tantau angegeben). (Zwei disjunkte Sprachen A und B heißen separierbar, wenn ein Algorithmus alle Wörter aus A akzeptiert und alle Wörter aus B ablehnt). Die Frage, ob das Analogon von Trakhtenbrots Resultat für endliche Automaten gilt, stellte sich also von neuem. Diese Dissertation enthält folgende Ergebnisse. In Kapitel 2 geben wir zwei Beweise für Trakhtenbrots Resultat an. Zunächst präsentieren wir seinen Originalbeweis, um dann einen neuen kombinatorischen Beweis zu geben, der einen großen Vorteil besitzt: er erlaubt die Übertragung des Ergebnisses auf endliche Automaten. Zwei kleinere Resultate beschließen dieses Kapitel: der Nachweis, dass es überabzählbar viele nicht häufigkeitsberechenbare Sprachen gibt, und eine Darstellung des Zusammenhangs von Häufigkeitsberechnungen und sog. mulit-selektiven Mengen. In Kapitel 3 arbeiten wir den Fehler in Kinbers Beweis über separierbare Sprachen heraus und geben ein konkretes Gegenbeispiel an. Dann untersuchen wir die Separierbarkeit von sog. Pfad- und Anti-Pfadsprachen, die wie folgt definiert sind: sei alpha ein unendliches Wort über dem Alphabet { 0, 1 }; dann ist A(alpha) die Menge der endlichen Präfixe von alpha, und B(alpha) die Menge der Wörter von A(alpha), bei denen das letzte Bit negiert wurde. Wir zeigen, dass A(alpha) und B(alpha) genau dann separiert werden können, wenn die 1-Positionen von alpha berechnet werden können. Andererseits gibt es überabzählbar viele alpha, für die A(alpha) und B(alpha) mit Frequenz 1/2 berechnet werden können. Wenn (ab drei Eingaben) nur ein Fehler zugelassen ist, dann sind A(alpha) und B(alpha) bereits rekursiv. Dieses Ergebnis überträgt sich auch auf endliche Automaten. Zum Abschluss dieses Kapitels zeigen wir, dass sich Kinbers Vermutung (dass Trakhtenbrots Resultat auch für Sprachen gilt, die durch endliche Automaten separiert werden können) nicht retten lässt: für jede Konstante q < 1 gibt es Werte 1 <= m < n mit m/n > q und ein alpha derart, dass A(alpha) und B(alpha) durch endliche Automaten mit Frequenz m/n separiert werden können, jedoch nicht rekursiv separierbar sind. In Kapitel 4 untersuchen wir verschiedene Aspekte regulärer Häufigkeitsberechnungen. Wir zeigen zunächst, dass sich Trakhtenbrots Resultat auf endliche Automaten überträgt, indem wir den neuen Beweis aus Kapitel 2 nochmals genauer betrachten. Anschließend zeigen wir, dass aperiodische Automaten, die Häufigkeitsberechnungen durchführen, nur aperiodische reguläre Sprachen berechnen können (aperiodische Sprachen entsprechen sternfreien Sprachen). Dann beweisen wir ein sog. Iterationskriterium, das vergleichbar mit dem bekannten Pumping-Lemma für reguläre Sprachen ist und uns für viele konkrete Beispielsprachen den Nachweis erlaubt, dass diese nicht häufigkeitsberechenbar sind. Im letzten Teil untersuchen wir dann Abschlusseigenschaften der Klasse der regulär häufigkeitsberechenbaren Sprachen: wir zeigen, dass sie eine boolesche Algebra bilden, jedoch nicht unter Spiegelung abgeschlossen sind. Darüberhinaus ist die Vereinigung zweier Sprachen, die mit Frequenz 1/n erkennbar sind, in der Regel nicht 1/n-erkennbar. Wir beweisen eine untere Schranke, die sehr nah an der besten bekannten oberen Schranke liegt.Item Open Access Ambiguity functions of context-free grammars and languages(2005) Wich, Klaus; Diekert, Volker (Prof. Dr.)This thesis investigates the relationship between the ambiguity functions for context-free grammars and for context-free languages. It also examines which functions are ambiguity functions and how different ambiguity classes relate to each other. The results can be applied to generalise known results on sequential and parallel parsing of context-free grammars. To understand the main results we define some notions briefly: The ambiguity of a word with respect to a context-free grammar is the number of its derivation trees. The ambiguity function of a context-free grammar maps an integer n to the maximal ambiguity of a word whose length is bounded by n. A context-free language L is f-ambiguous if f is the ambiguity function of some context-free grammar generating L and, roughly speaking, no context-free grammar generating L has a substantially lower ambiguity. A function is an inherent ambiguity function if there is an f-ambiguous context-free language. A homomorphism which maps a symbol either to itself or to the empty word is called a projection. A symbol a is called bounded in a language L if there is a constant c such that no word in L has more than c occurrences of the symbol a. A projection is a bounded contraction for a language L if it erases only symbols which are bounded in L. The main results are: 1. The set of ambiguity functions for cycle-free context-free grammars and the set of inherent ambiguity functions coincide. 2. A technical statement which implies the following two facts: 2.1. The class of context-free languages with polynomially bounded ambiguity is the closure of the class of unambiguous context-free languages under bounded contractions. 2.2. Each reduced cycle-free context-free grammar G is either exponentially ambiguous or its ambiguity is bounded by a polynomial which can be computed from G. (2.2. was already part of the authors Diploma thesis, but the new proof yields in many cases a better polynomial (a polynomial with a lower degree), but never a worse polynomial.) 3. For each computable divergent total non-decreasing function f there is a divergent ambiguity function g such that g(n) is lower than or equal to f(n) for each positive integer n. In fact, the same ambiguity functions occur for the generation of rational trace languages over special independence alphabets. (A rational trace language T is generated by a regular (word) language R if T is the set of traces which are represented by the words in R. The ambiguity of a trace t is the number of representatives in R. It is now straightforward to define the ambiguity function for the generation of T by R.) In addition the thesis contains generalisations for known results on sequential and parallel parsing of context-free grammars. In particular, the thesis considers the (sequential) Earley parsing time of context-free grammars with sublinear ambiguity functions (known to exist due to result 3). Moreover it is shown that each reduced context-free grammars with a polynomially bounded ambiguity can be parsed in logarithmic time on a CREW-PRAM. This is an immediate consequence of 2.1. and a known result for the parallel parsing time of unambiguous context-free grammars.