定理證明例題

2021-07-16 14:53:01 字數 4759 閱讀 7146

定理設t(n)是乙個函式,t(n)>=n,則每乙個t(n)時間的多帶圖靈機都和某乙個o(t2(n))時間的單帶圖靈機等價

設t(n)是乙個函式,t(n)>=n,則每乙個t(n)時間的非確定型單帶圖靈機都與某乙個2 o(t(n))時間的確定型單帶圖靈機等價

定義 p是確定型單帶圖靈機在在多項式時間內可判定的語言類,換言之:p1)對於所有與確定型單帶圖靈機多項式的等價的計算模型來說,p是不變的2)p大致對應於在計算機上時即可解的那一類問題

定理path屬於p

證明 path的乙個多項式時間演算法m執行如下:

m=「對輸入,g是包含結點s和t的有向圖:1)在結點s上做標記2)重複下面步驟3,知道不再有節點被標記3)掃瞄g的所有邊,如果找到一條邊(a,b),a被標記而b沒有標記,那麼標記b4)若t被標記,則接受;否則,拒絕」分析該演算法,證明他在多項式時間內執行,顯然,步驟1和4只執行一次,步驟3最多執行m此,因為出最後一次外,每一次執行都要標記g中的乙個未標記的結點,所以用到的總步驟數最多是1+1+m,是g的規模的多項式,m的步驟1和4很容易用任何合理的確定型模型在多項式時間內實現,捕捉3需要掃瞄輸入,檢查某些結點是否被標記,這也容易在多項式時間內實現,所以m是path的多項式時間演算法

定理 relprime屬於p 歐幾里德演算法

證明歐幾里德演算法e如下:e=「對輸入,x和y是二進位制表示的自然數:1)重複下面的操作,知道y=0 2)賦值x←x mod y3)交換x和y的值 4)輸出x」算反r以e為子程式求解relprime,r=」對輸入x和y是二進位制表示的自然數:

1)在上執行e, 2)若結果為1,就接受;否則,就拒絕」顯然,若e在多項式時間內執行且正確,則r也在多項式時間內執行且正確,所以只需分析e的時候和正確性,步驟2的每一次執行(除了第一次有可能例外)都把x的值至少減少一半,執行步驟2以後,由函式mod的性質知xy因為這兩個值已經交換,於是當步驟2隨後執行時有x>y,若x/2>=y,則x mod y根號n正則的《上下文無關的《可判定的《圖靈可識別的

定理:adfa是乙個可判定語言

證明:首先檢查輸入,他表示輸入串w和dfa b,b的乙個合理的表示方法是簡單地列出它的五個元素q,∑,δ,q0及f,當m收到輸入時,首先檢查他是否正確地表示了dfa b和串w,如果不是,則拒絕。

然後m直接執行模擬,用在帶上寫下資訊的方法,他可以跟蹤b在輸入m上執行時的當前狀態和當前位置,執行開始時,b的當前狀態時q0,讀寫頭的當前位置是w的最左端符號,狀態和位置的更新是由轉移函式決定的,當m處理完w的最後乙個符號時,如果b處於接受狀態,則m接受這個輸入,如果不是,則m拒絕

定理:anfa是乙個可判定語言

證明:構造乙個判定anfa的tm n ,用m作為n的子程式,因為m被設計成只接受dfa作為輸入,故n先將作為輸入所受到的nfa轉換成dfa,然後再將它傳給m

n=「對於輸入,其中b是nfa,w是串:

1) 將nfa b 轉換成乙個等價的dfa c

2) 再輸入上像上面定理一樣執行tm m

3) 如果m解說,則接受,否則拒絕」

定理:arex是乙個可判定語言(正規表示式是否派生乙個給定的串)

證明下面的圖靈機判定arex,

p=「在輸入上,其中r是正規表示式,w是串:

1) 將正規表示式r轉換成乙個與之等價的nfa a

2) 再輸入上執行tm n

3) 如果n接受,則接受;如果n拒絕,則拒絕「

定理:edfa是乙個可判定語言(空性質測試)

證明 dfa接受乙個串當且僅當:從騎士裝他i出發,沿著此dfa的箭頭方向,能夠到達乙個接受狀態,為檢查這個條件,設計乙個使用標記演算法的tm t

t=「對於輸入,其中a是乙個dfa:

1) 標記a的起始狀態

2) 重複下列步驟,直到所有狀態都被標記

3) 對於乙個狀態,如果有乙個到達他的轉移是從某個已經標記過的狀態出發的,則將其標記

4) 如果沒有接受狀態被標記,則接受,否則拒絕「

定理:eqdfa是乙個可判定語言(檢查兩個dfa是否識別同乙個語言)

證明下面由a和b來構造乙個新的dfa c 使得c只接受這樣額串:a或b接受但不是都接受,這樣如果a和b識別相同的語言,則c什麼串也不接受,c的語言是l(c)=l(a) 交非l(b)並非 l(a)交l(b),因為正則語言了i再補,並和交下是封閉的,檢查l(c) 是否為空,如果是空的l(a)和l(b)必定相等

f=「對於輸入,氣宗a和b都是dfa

1) 如上面數那樣構造dfa c

2) 再輸入上檢查l(c)是否為空

3) 如果t接受,則接受;如果t拒絕,則拒絕「

定理:acfg是乙個可判定語言

證明識別acfg的tm s如下:

s=「對於輸入其中,g是乙個cfg,w是乙個串

1) 將g轉換成乙個與之等價的喬姆斯基文法

2) 列出所有2n-1步的派生其中n是w的長度,除非n=0,此時列出一步以內的派生

3) 如果這些派生中有乙個產生w,則接受;如果沒有,則拒絕「

定理:ecfg是乙個可判定語言(檢查乙個cfg是否不派生任何串)

證明 r=「對於輸入,其中g是乙個cfg

1)將g中所有的終結符的全都作上標記,重複下列步驟,直到找不到可以做標記的變元

2)重複下列步驟,直到找不到可以做標記的變元

3)如果g有規則a→u1u2…uk,且u1,u2,…uk中的每個符號都已被做過標記,則將變元a做標記

4)如果起始狀態沒有被標記,則接受;否則拒絕「

eqcfg是不可判定的

定理:每個上下文無關語言都是可判定的

證明設g是a的乙個cfg,下面設計乙個判定的tm mg他在自己內部建立g的乙個備份,其工作方式如下:

mg=」對於輸入w:

1) 再輸入上執行tm s

2) 如果該機器接受,則接受;否則拒絕」

定理 halttm是不可判定的(確定乙個圖靈機對給定的輸入是否停機)

證明為了得到矛盾,假設tm r判定halttm,由之可以構造tm s來判定atm,其構造如下:

s=「再輸入上,此處 是tm m的和串w的編碼:

1) 在輸入 上執行tm r

2) 如果r拒絕,則拒絕

3) 如果r接受,則在w上模擬m,直到他停機

4) 如果m已經接受,則接受;如果m已經拒絕,則拒絕「

顯然,如果r判定halttm,則s判定atm,因為atm是不可判定的,故halttm也必定是不可判定的

定理 etm是不可判定的(圖靈機不接受任何串l(m)=ф)

證明 m1=」再輸入x上:

1)如果x不等於w,則拒絕2)如果x=w則在x上執行m,當m接受時,就接受」

這個機器以w作為他的描述的一部分,檢查x=w是否成立的方法很顯然,即掃瞄輸入並且乙個字元乙個字元第將他與w進行比較,就可確定他們是否相同,在假設tm r判定etm,如下構造判定atm的tm s:

s=「再輸入上,此處 是tm m的和串w的編碼:

1) 用m和w的描述來構造上述tm m12)再輸入上執行r3)如果r接受,則拒絕;如果r拒絕,則接受「如果r是etm的判定其,則s就是atm的判定其,而後者是不存在的,故我們知道etm必定是不可判定的

定理 regulartm是不可判定的(測定乙個給定的圖靈機是否有乙個與之等價的有窮自動機問題)

證明設r是判定regulartm的乙個tm ,下面構造判定atm的tm s,s的執行方式如下:

s=「對於輸入其中m是tm,w是串:

1) 構造下述tm m2:m2=」再輸入x上:a)如果x具有形式0n1n,則接受b)如果x不具有此形式,則在輸入w上執行m,如果m接受w,則接受」2)再輸入上執行r3)如果r接受,則接受;如果r拒絕,則拒絕」

定理 eqtm是不可判定的

證明設tm r判定eqtm,如下構造判定etm 的tm s:

s=「對於輸入,其中m是tm:1)在輸入上執行r,其中m1是拒絕所有輸入的圖靈機2)如果r接受;則接受;如果r拒絕,則拒絕」

如果r判定eqtm,則s判定etm,但etm是不可判定的,故eqtm也必定是不可判定的

定理如果a《mb且b是可判定的,則a也是可判定的

證明設m是b的判定其,f是a都b的歸約,a的判定器n的描述如下:n=「對於輸入w:1)計算f(w)2)在f(w)上執行m,輸出m的輸出」顯然,如果w屬於a則f(w)屬於b,因為f是從a到b的歸約,因此,只要w屬於a,則m接受f(w),故n的執行正如所求

遞迴定理設t是計算函式t:∑**∑*→∑*的乙個圖靈機,則存在計算函式r:∑*→∑*的乙個圖靈機r,是的對每乙個w,有r(w)=t(,w)

定理乙個語言在np中,當且僅當它能被某個非確定型多項式時間圖靈機判定

證明對於該定理從左向右的方向,設a屬於np,要證a被多項式時間ntm n判定,由np的定義,存在a的多項式時間驗證機v,假設v是乙個在時間nk內執行的tm,構造n如下:n=「對長為n的輸入w: 1)非確定地選擇最長為nk的字串c2)再輸入上執行v3)若v接受,則接受,否則拒絕」為了證明該定理的另乙個方向,假設a唄多項式時間ntm n判定,構造多想時間驗證機v如下:

v=「對輸入,這裡w,c是字串:1)在輸入w上模擬n,把c的每乙個符號看做是對每一步所做的非確定性選擇的描述2)若n的計算分支接受,則接受;否則,拒絕」

定理 clique屬於np

證明下面是clique的驗證機v v=「對輸入<,c>: 1)檢查c是否是g中k個結點的集合2)檢查g是否包含連線c終結點的所有邊3)若兩項檢查都通過,則接受;否則,拒絕」

定義如果語言b滿足下面兩個條件,就稱為np完全的:1)b屬於np並且2)np中的每個a都多項式時間可歸約到b

定理若上述的b是np完全的,且b屬於p,則p=np

定理若上述的b是np完全的,且b《=pc,c屬於np,則c是np完全的

薩維奇定理對於任何函式f:n→r+,其中f(n)>=n,nspace(f(n))包含於space(f2(n))

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