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teorema de greibach

En informática teórica , en particular en teoría del lenguaje formal , el teorema de Greibach establece que ciertas propiedades de las clases de lenguaje formal son indecidibles . Lleva el nombre de la científica informática Sheila Greibach , quien lo demostró por primera vez en 1963. [1] [2]

Definiciones

Dado un conjunto Σ, a menudo llamado "alfabeto", el conjunto (infinito) de todas las cadenas construidas a partir de miembros de Σ se denota por Σ * . Un lenguaje formal es un subconjunto de Σ * . Si L 1 y L 2 son lenguajes formales, su producto L 1 L 2 se define como el conjunto { w 1 w 2  : w 1L 1 , w 2L 2 } de todas las concatenaciones de una cadena w 1 de L 1 con una cuerda w 2 de L 2 . Si L es un lenguaje formal y a es un símbolo de Σ, su cociente L / a se define como el conjunto { w  : waL } de todas las cadenas que pueden convertirse en miembros de L añadiendo una a . Se conocen varios enfoques de la teoría del lenguaje formal para denotar un lenguaje formal mediante una descripción finita, como una gramática formal o una máquina de estados finitos .

Por ejemplo, usando un alfabeto Σ = { 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 }, el conjunto Σ * consta de todos (representaciones decimales de) números naturales, con ceros a la izquierda permitidos, y la cadena vacía, denotada como ε. El conjunto L div3 de todos los naturales divisibles por 3 es un lenguaje formal infinito sobre Σ; se puede describir de forma finita mediante la siguiente gramática regular con símbolo inicial S 0 :

Ejemplos de lenguajes finitos son {ε,1,2} y {0,2,4,6,8}; su producto {ε,1,2}{0,2,4,6,8} produce los números pares hasta 28. El cociente del conjunto de números primos hasta 100 por el símbolo 7, 4 y 2 produce el lenguaje {ε,1,3,4,6,9}, {} y {ε}, respectivamente.

Declaración formal del teorema.

El teorema de Greibach es independiente de un enfoque particular para describir un lenguaje formal. Simplemente considera un conjunto C de lenguajes formales sobre un alfabeto Σ∪{#} tal que

Sea P cualquier subconjunto no trivial de C que contenga todos los conjuntos regulares sobre Σ∪{#} y esté cerrado bajo el cociente por cada símbolo en Σ∪{#}. [nota 2] Entonces la cuestión de si LP para una descripción dada de un lenguaje LC es indecidible.

Prueba

Sea M ⊆ Σ * , tal que MC , pero MP . [nota 3] Para cualquier LC con L ⊆ Σ * , defina φ( L ) = ( M* ) ∪ (Σ * # L ). A partir de una descripción de L , se puede calcular efectivamente una descripción de φ( L ).

Entonces L = Σ * si y sólo si φ( L ) ∈ P :

Por lo tanto, si la pertenencia a P sería decidible para φ( L ) a partir de su descripción, también lo sería la igualdad de L con Σ * a partir de su descripción, lo que contradice la definición de C. [3]

Aplicaciones

Utilizando el teorema de Greibach, se puede demostrar que los siguientes problemas son indecidibles:

Prueba: La clase de lenguajes libres de contexto y el conjunto de lenguajes regulares satisfacen las propiedades anteriores de C y P , respectivamente. [nota 4] [4]
Prueba: la clase de lenguajes libres de contexto y el conjunto de lenguajes libres de contexto que no son inherentemente ambiguos satisfacen las propiedades anteriores de C y P , respectivamente. [5]

Véase también Gramática libre de contexto#Estar en un nivel inferior o superior de la jerarquía de Chomsky .

Notas

  1. ^ Esto queda implícito en Hopcroft, Ullman, 1979: PC debe contener todos estos lenguajes regulares.
  2. ^ Es decir, si LP , entonces L / aP para cada a ∈ Σ∪{#}.
  3. ^ La existencia de tal M es requerida por el requisito algo vago anterior de que P sea "no trivial".
  4. ^ Los lenguajes habituales no tienen contexto: gramática libre de contexto#Subclases ; Los lenguajes libres de contexto están cerrados con respecto a la unión y la concatenación (incluso general): Gramática libre de contexto#Propiedades de cierre ; la igualdad con Σ * es indecidible para lenguajes libres de contexto: Gramática libre de contexto#Universalidad ; Los lenguajes regulares están cerrados bajo cocientes (incluso generales): Lenguaje regular#Propiedades de cierre .

Referencias

  1. ^ Sheila Greibach (1963). "La indecidibilidad del problema de ambigüedad para gramáticas lineales mínimas". Información y Control . 6 (2): 117–125. doi :10.1016/s0019-9958(63)90149-9.
  2. ^ Sheila Greibach (1968). "Una nota sobre las propiedades indecidibles de los lenguajes formales". Teoría de sistemas matemáticos . 2 (1): 1–6. doi :10.1007/bf01691341. S2CID  19948229.
  3. ^ John E. Hopcroft ; Jeffrey D. Ullman (1979). Introducción a la teoría, los lenguajes y la computación de autómatas . Addison-Wesley. ISBN 0-201-02988-X.pág.205-206
  4. ^ Hopcroft, Ullman, 1979, p.205, Teorema 8.15
  5. ^ Hopcroft, Ullman, 1979, p.206, Teorema 8.16