نظام شبه ثيو
في علوم الحاسوب النظرية والمنطق الرياضي ، يُعرف نظام إعادة كتابة السلاسل ( SRS ) ، والذي كان يُطلق عليه تاريخيًا نظام شبه-ثو ، بأنه نظام إعادة كتابة للسلاسل من أبجدية (عادةً ما تكون محدودة ) . بالنظر إلى علاقة ثنائيةبين سلاسل ثابتة على الأبجدية، تسمى قواعد إعادة الكتابة ، ويرمز لها بـ، يقوم نظام التكرار المتسلسل (SRS) بتوسيع علاقة إعادة الكتابة لتشمل جميع السلاسل التي يظهر فيها الجانب الأيسر والأيمن من القواعد كسلاسل فرعية ، أي، أين،،، وهي سلاسل نصية.
يتطابق مفهوم نظام شبه-ثو بشكل أساسي مع عرض أحادي . وبالتالي، فإنهما يشكلان إطارًا طبيعيًا لحل مشكلة الكلمات للأحاديات والمجموعات.
يمكن تعريف نظام إعادة كتابة السلاسل (SRS) مباشرةً كنظام إعادة كتابة مجرد . كما يمكن اعتباره نوعًا مقيدًا من أنظمة إعادة كتابة المصطلحات ، حيث لا يتجاوز عدد معاملات جميع رموز الدوال فيه 1. ومن الناحية الشكلية، تُعد أنظمة إعادة كتابة السلاسل كاملة تورينج . [ 1 ] يُشتق اسم "شبه-ثيو" من عالم الرياضيات النرويجي أكسل ثيو ، الذي قدم معالجة منهجية لأنظمة إعادة كتابة السلاسل في ورقة بحثية عام 1914. [ 2 ] قدم ثيو هذا المفهوم على أمل حل مشكلة الكلمات لأنصاف المجموعات المعروضة بشكل محدود. وفي عام 1947 فقط، تم إثبات أن المشكلة غير قابلة للتقرير - وقد حصل على هذه النتيجة بشكل مستقل كل من إميل بوست و أ. أ. ماركوف الابن. [ 3 ] [ 4 ]
تعريف
نظام إعادة كتابة السلاسل أو نظام شبه ثو هو عبارة عن مجموعة من العناصرأين
- هي أبجدية، يُفترض عادةً أنها محدودة. [ 5 ] عناصر المجموعة(* هي نجمة كلين هنا) هي سلاسل محدودة (ربما فارغة) علىتُسمى أحيانًا بالكلمات في اللغات الرسمية ؛ وسنسميها هنا ببساطة بالسلاسل النصية.
- هي علاقة ثنائية على السلاسل من، أي،كل عنصريُطلق عليها اسم قاعدة (إعادة الكتابة) وعادة ما تُكتب.
إذا كانت العلاقةإذا كان النظام متناظرًا ، فإنه يُسمى نظام ثو .
قواعد إعادة الكتابة فييمكن توسيع ذلك بشكل طبيعي ليشمل سلاسل أخرى فيعن طريق السماح بإعادة كتابة السلاسل الفرعية وفقًا لـبصورة أكثر رسمية، علاقة إعادة الكتابة بخطوة واحدةناتج عنعلىلأي سلاسل:
- إذا وفقط إذا كان هناكبحيث،، و.
منذهي علاقة علىالزوجانيتوافق مع تعريف نظام إعادة الكتابة المجردة . من الواضحهي مجموعة فرعية منيستخدم بعض المؤلفين رمزًا مختلفًا للسهم في(مثال)) وذلك لتمييزه عننفسها () لأنهم يريدون لاحقًا أن يكونوا قادرين على حذف الرمز السفلي مع الاستمرار في تجنب الالتباس بينوإعادة الكتابة بخطوة واحدة الناتجة عن.
من الواضح أنه في نظام شبه ثو، يمكننا تكوين سلسلة (محدودة أو غير محدودة) من السلاسل الناتجة عن البدء بسلسلة أوليةوإعادة كتابتها بشكل متكرر عن طريق استبدال سلسلة فرعية واحدة في كل مرة:
يمكن تمثيل إعادة الصياغة التي تتضمن صفرًا أو أكثر من الخطوات من خلال الإغلاق المتعدي الانعكاسي لـ، ويرمز إليه بـ(انظر نظام إعادة الكتابة المجرد#المفاهيم الأساسية ). يُطلق على هذا اسم علاقة إعادة الكتابة أو علاقة الاختزال .ناتج عن.
التطابق
بشكل عام، المجموعةتشكل السلاسل النصية على أبجدية ما شبه زمرة حرة مع العملية الثنائية لدمج السلاسل النصية ( يرمز لها بـوتُكتب بشكل ضربي عن طريق حذف الرمز). في نظام الاختزال البسيط، علاقة الاختزالمتوافق مع عملية المونويد، مما يعني أنيشير إلىلجميع السلاسل. منذهو بحكم التعريف طلب مسبق ،يشكل ترتيبًا جزئيًا أحاديًا .
وبالمثل، فإن الإغلاق الانعكاسي المتعدي المتناظر لـ، المشار إليه(انظر نظام إعادة الكتابة المجرد#المفاهيم الأساسية )، هي علاقة تطابق ، أي أنها علاقة تكافؤ (بحكم التعريف)، وهي متوافقة أيضًا مع دمج السلاسل النصية.يُطلق عليها اسم تطابق ثو الناتج عن R. في نظام ثو، أي إذا كان R متناظرًا، فإن علاقة إعادة الكتابةيتطابق مع تطابق ثو.
عرض أحادي العامل وعرض أحادي العامل
منذإذا كانت تطابقًا، فيمكننا تعريف أحادي العاملمن المونويد الحرباستخدام تطابق ثو بالطريقة المعتادة . إذا كان أحاديًامتماثل معثم نظام شبه ثويُطلق عليه اسم عرض أحادي لـ.
نحصل فورًا على بعض الروابط المفيدة جدًا مع مجالات أخرى في الجبر. على سبيل المثال، الأبجدية { a , b } مع القواعد { ab → ε, ba → ε}، حيث ε هي السلسلة الفارغة ، هي تمثيل للمجموعة الحرة على مولد واحد. أما إذا كانت القواعد { ab → ε} فقط، فسنحصل على تمثيل للمونويد ثنائي الدورة .
تتعزز أهمية أنظمة شبه-ثو كعرض للمونيدات من خلال ما يلي:
نظرية : كل أحادي له تمثيل على الشكلوبالتالي، يمكن تمثيلها دائمًا بنظام شبه-ثو، وربما على أبجدية لا نهائية. [ 6 ]
في هذا السياق، المجموعةتُسمى مجموعة مولدات، ويُطلق عليها مجموعة العلاقات المحددةيمكننا تصنيف المونيدات على الفور بناءً على طريقة عرضها.يُطلق عليه اسم
- مولدة بشكل نهائي إذامحدود.
- يتم تقديمها بشكل نهائي إذا كان كلاهماومحدودة.
عدم قابلية حل المسألة اللفظية
أثبت بوست أن مشكلة الكلمات (لأنصاف المجموعات) غير قابلة للتقرير بشكل عام، وذلك أساسًا عن طريق اختزال مشكلة التوقف [ 7 ] لآلات تورينج إلى حالة من مشكلة الكلمات (انظر مشكلة تطابق بوست ).
بشكل ملموس، ابتكر بوست ترميزًا على شكل سلسلة محدودة لحالة آلة تورينج بالإضافة إلى شريط، بحيث يمكن تنفيذ إجراءات هذه الآلة بواسطة نظام إعادة كتابة السلاسل الذي يعمل على ترميز السلسلة هذا. تتكون أبجدية الترميز من مجموعة واحدة من الأحرف.بالنسبة للرموز الموجودة على الشريط (حيث(فارغ)، مجموعة أخرى من الأحرفبالنسبة لحالات آلة تورينج، وأخيراً ثلاثة أحرفالتي لها أدوار خاصة في عملية الترميز.وهي حالات داخلية إضافية بديهية لآلة تورينج تنتقل إليها عند التوقف، بينمايشير إلى نهاية الجزء غير الفارغ من الشريط؛ آلة تصل إلىينبغي أن يتصرف بنفس الطريقة كما لو كان هناك فراغ، وكانت في الخلية التالية. تبدأ السلاسل التي تمثل ترميزات صالحة لحالات آلة تورينج بـ، متبوعًا بصفر أو أكثر من أحرف الرموز، متبوعًا بحرف حالة داخلي واحد فقط(الذي يرمز إلى حالة الآلة)، متبوعًا بحرف رمزي واحد أو أكثر، متبوعًا بنهاية. حروف الرمز مأخوذة مباشرة من محتويات الشريط، وحرف الحالة الداخلية يشير إلى موضع الرأس؛ الرمز الذي يلي حرف الحالة الداخلية هو الرمز الموجود في الخلية الموجودة حاليًا أسفل رأس آلة تورينج.
مرحلة انتقالية حيث تكون الآلة في حالةورؤية الرمزيكتب الرمز الخلفييتحرك إلى اليمين، وينتقل إلى الحالةيتم تنفيذ ذلك عن طريق إعادة الكتابة
بينما يتم تنفيذ هذا الانتقال، بدلاً من الانتقال إلى اليسار، عن طريق إعادة الكتابة
مع وجود نسخة واحدة لكل رمزفي تلك الخلية إلى اليسار. في حالة وصولنا إلى نهاية الجزء الذي تمت زيارته من الشريط، نستخدم بدلاً من ذلك
- ،
إطالة السلسلة بحرف واحد. لأن جميع عمليات إعادة الكتابة تتضمن حرف حالة داخلي واحد.بما أن الترميزات الصحيحة لا تحتوي إلا على حرف واحد من هذا النوع، وكل عملية إعادة كتابة تُنتج حرفًا واحدًا فقط من هذا النوع، فإن عملية إعادة الكتابة تتبع بدقة مسار آلة تورينج المُرمّزة. وهذا يُثبت أن أنظمة إعادة كتابة السلاسل النصية كاملة تورينج.
سبب وجود رمزين متوقفينويكمن هدفنا في أن تنتهي جميع آلات تورينج المتوقفة عند نفس الحالة الكلية ، وليس عند حالة داخلية معينة فقط . وهذا يتطلب مسح الشريط بعد التوقف، لذايلتهم الرمز الموجود على يساره حتى يصل إلى، حيث يتحول إلىوالذي بدلاً من ذلك يلتهم الرمز الموجود على يمينه. (في هذه المرحلة، لا يُحاكي نظام إعادة كتابة السلسلة آلة تورينج، لأنها لا تستطيع إزالة الخلايا من الشريط). بعد اختفاء جميع الرموز، نكون قد وصلنا إلى السلسلة النهائية..
سيؤدي إجراء اتخاذ القرار بشأن المسألة اللفظية أيضًا إلى إجراء لتحديد ما إذا كانت آلة تورينج المعطاة ستتوقف عند بدء تشغيلها في حالة كلية معينة.، عن طريق اختبار ما إذاوتنتمي هذه العناصر إلى نفس فئة التوافق فيما يتعلق بنظام إعادة كتابة السلاسل النصية هذا. من الناحية الفنية، لدينا ما يلي:
اللمة. ليكنأن تكون آلة تورينج حتمية وكن نظام إعادة كتابة السلاسل الذي يتم تنفيذهكما هو موضح أعلاه. ثمسيتوقف عند بدء التشغيل من الحالة الكلية المشفرة كـإذا وفقط إذا(أي، إذا وفقط إذاوهل هذه متطابقة لـ).
الذي - التيلويتوقف عند بدء التشغيل منمباشرة من عملية البناء(ببساطة تشغيلإلى أن يتوقف، يقوم ببناء برهان على)، لكنكما يسمح ذلك لآلة تورينجالتراجع إلى الوراء. وهنا يصبح من المهم أنهو حتمي، لأنه في هذه الحالة تكون جميع الخطوات الأمامية فريدة؛ فيالمشي منليجب أن تتبع الخطوة الأخيرة للخلف نظيرتها كخطوة للأمام، لذا فإن هاتين الخطوتين تلغي إحداهما الأخرى، وبالاستقراء يمكن حذف جميع الخطوات للخلف من هذه المسيرة. وبالتالي إذالا يتوقف عند بدء التشغيل منأي، إذا لم يكن لديناإذن، ليس لدينا أيضاًلذلك، اتخاذ القراريُخبرنا هذا بحل مشكلة التوقف لـ.
يتمثل أحد القيود الواضحة لهذه الحجة في أنه من أجل إنتاج شبه مجموعةفي حالة المسائل الكلامية غير القابلة للحل، يجب أولاً أن يكون لدينا مثال ملموس لآلة تورينجحيث تكون مشكلة التوقف غير قابلة للحل، ولكن جميع آلات تورينغ المختلفة التي تدخل في إثبات عدم قابلية حل مشكلة التوقف العامة تتضمن كعنصر آلة تورينغ افتراضية تحل مشكلة التوقف، لذا لا يمكن لأي من هذه الآلات أن توجد فعليًا؛ كل ما يثبته ذلك هو وجود آلة تورينغ ما تكون مشكلة القرار فيها غير قابلة للحل. ومع ذلك، فإن وجود آلة تورينغ ما ذات مشكلة توقف غير قابلة للحل يعني أن مشكلة التوقف لآلة تورينغ شاملة غير قابلة للحل (لأنها تستطيع محاكاة أي آلة تورينغ)، وقد تم بناء أمثلة ملموسة لآلات تورينغ شاملة.
الروابط مع المفاهيم الأخرى
يُعد نظام شبه-ثو أيضًا نظامًا لإعادة كتابة المصطلحات ، وهو نظام يحتوي على كلمات أحادية (دوال) تنتهي بنفس المتغير الذي تنتهي به مصطلحات الجانبين الأيمن والأيسر، [ 8 ] على سبيل المثال قاعدة المصطلحاتوهو ما يعادل قاعدة السلسلة.
يُعدّ نظام شبه ثو نوعًا خاصًا من أنظمة ما بعد الكلاسيكية ، ولكن يمكن اختزال أي نظام ما بعد كلاسيكي إلى نظام شبه ثو. كلا النظامين كاملان تورينج ، وبالتالي فهما مكافئان لقواعد نعوم تشومسكي غير المقيدة ، والتي تُسمى أحيانًا قواعد شبه ثو . [ 9 ] لا تختلف القواعد الرسمية عن نظام شبه ثو إلا في فصل الأبجدية إلى رموز طرفية وغير طرفية، وتحديد رمز بداية من بين الرموز غير الطرفية. يُعرّف عدد قليل من المؤلفين نظام شبه ثو على أنه ثلاثي.، أينتُسمى هذه مجموعة البديهيات . وفقًا لهذا التعريف "التوليدي" لنظام شبه-ثو، فإن القواعد النحوية غير المقيدة هي ببساطة نظام شبه-ثو ذو بديهية واحدة، حيث تُقسّم الأبجدية إلى رموز طرفية وغير طرفية، وتُجعل البديهية رمزًا غير طرفي. [ 10 ] إن الحيلة البسيطة المتمثلة في تقسيم الأبجدية إلى رموز طرفية وغير طرفية هي حيلة قوية؛ إذ تسمح بتعريف التسلسل الهرمي لتشومسكي بناءً على تركيبة الرموز الطرفية وغير الطرفية التي تحتويها القواعد. كان هذا تطورًا حاسمًا في نظرية اللغات الرسمية .
في الحوسبة الكمومية، يمكن تطوير مفهوم نظام ثو الكمومي. [ 11 ] وبما أن الحوسبة الكمومية قابلة للعكس بطبيعتها، فإن قواعد إعادة الكتابة على الأبجديةيشترط أن تكون ثنائية الاتجاه (أي أن النظام الأساسي هو نظام ثو، وليس نظام شبه ثو). على مجموعة فرعية من أحرف الأبجديةيمكن للمرء أن يلحق مساحة هيلبرتويمكن لقاعدة إعادة الكتابة التي تنقل سلسلة فرعية إلى أخرى أن تُجري عملية وحدوية على حاصل الضرب الموتري لفضاء هيلبرت المرفق بالسلاسل؛ وهذا يعني أنها تحافظ على عدد الأحرف من المجموعةعلى غرار الحالة الكلاسيكية، يمكن للمرء أن يثبت أن نظام ثو الكمومي هو نموذج حسابي عالمي للحوسبة الكمومية، بمعنى أن العمليات الكمومية المنفذة تتوافق مع فئات الدوائر الموحدة (مثل تلك الموجودة في BQP عند ضمان إنهاء قواعد إعادة كتابة السلسلة في غضون عدد كبير من الخطوات في حجم الإدخال)، أو بشكل مكافئ آلة تورينج الكمومية .
التاريخ والأهمية
طُوِّرت أنظمة شبه-ثو كجزء من برنامج لإضافة بنيات إضافية إلى المنطق ، بهدف إنشاء أنظمة مثل منطق القضايا ، التي تسمح بالتعبير عن النظريات الرياضية العامة بلغة رسمية ، ثم إثباتها والتحقق منها بطريقة آلية. كان الأمل معقودًا على إمكانية اختزال عملية إثبات النظريات إلى مجموعة من العمليات المحددة على مجموعة من السلاسل النصية. لاحقًا، تبيّن أن أنظمة شبه-ثو متماثلة مع القواعد النحوية غير المقيدة ، والتي بدورها متماثلة مع آلات تورينج . وقد تكللت هذه الطريقة البحثية بالنجاح، وأصبح بالإمكان الآن استخدام الحواسيب للتحقق من براهين النظريات الرياضية والمنطقية.
بناءً على اقتراح ألونسو تشيرش ، أثبت إميل بوست في ورقة بحثية نُشرت عام 1947 أن "مسألة معينة من مسائل ثو" غير قابلة للحل، وهو ما ذكره مارتن ديفيس بأنه "...أول برهان على عدم قابلية حل مسألة من الرياضيات الكلاسيكية - في هذه الحالة مسألة الكلمات الخاصة بأنصاف المجموعات." [ 12 ]
ويؤكد ديفيس أيضًا أن البرهان قدمه بشكل مستقل أ. أ. ماركوف . [ 13 ]
انظر أيضاً
- نظام L
- خوارزمية ماركوف - نوع من أنظمة إعادة كتابة السلاسل
- لغز MU
ملحوظات
- ↑ انظر القسم "عدم قابلية حل المسألة اللفظية" في هذه المقالة.
- ↑ بوك وأوتو، ص 36
- ↑ أبرامسكي وآخرون، ص 416
- ↑ سالوما وآخرون، ص 444
- ↑ في كتاب وأوتو، يتم تعريف نظام شبه-ثو على أبجدية محدودة في معظم الكتاب، باستثناء الفصل 7 عندما يتم تقديم عرض أحادي، حيث يتم إسقاط هذا الافتراض بهدوء.
- ↑ بوك وأوتو، النظرية 7.1.7، ص 149
- ↑ يستفيد بوست، متأثرًا بتورينغ ، من الناحية التقنية من عدم قابلية حسم مشكلة الطباعة (ما إذا كانت آلة تورينغ ستطبع رمزًا معينًا أم لا)، لكن المشكلتين تؤولان إلى بعضهما البعض. في الواقع، يُضيف بوست خطوة إضافية في تصميمه تُحوّل طباعة الرمز المُراقب فعليًا إلى توقف.
- ↑ ناحوم ديرشوفيتز وجان بيير جوانو . أنظمة إعادة الكتابة (1990) ص. 6
- ↑ ديا كوهين ، مقدمة في نظرية الحاسوب، الطبعة الثانية، وايلي-الهند، 2007، رقم ISBN 81-265-1334-9، ص 572
- ↑ دان أ. سيموفيتشي، ريتشارد ل. تيني، نظرية اللغات الرسمية مع تطبيقاتها ، وورلد ساينتيفيك، 1999، رقم ISBN 981-02-3729-4الفصل الرابع
- ↑ ج. باوش، ت. كوبيت، م. أوزولز، تعقيد سلاسل الدوران الثابتة انتقاليًا ذات البعد المحلي المنخفض ، حوليات هنري بوانكاريه 18(11)، 2017، doi : 10.1007/s00023-017-0609-7 ، ص 3449-3513
- ↑ مارتن ديفيس (محرر) (1965)، غير القابل للتقرير: أوراق أساسية حول القضايا غير القابلة للتقرير، والمسائل غير القابلة للحل، والدوال القابلة للحساب ، بعد الصفحة 292، دار رافين للنشر ، نيويورك
- ^ أ.أ ماركوف (1947) دوكلادي أكاديمي ناوك SSSR (NS) 55: 583–586
مراجع
دراسات متخصصة
- رونالد ف. بوك وفريدريك أوتو، أنظمة إعادة كتابة السلاسل ، سبرينغر، 1993، رقم ISBN 0-387-97965-4.
- ماتياس جانتزن، إعادة كتابة السلسلة المتموجة ، بيركهاوزر، 1988، ISBN 0-387-13715-7.
الكتب الدراسية
- مارتن ديفيس ، رون سيغال، إيلين جيه. ويوكر، الحوسبة، والتعقيد، واللغات: أساسيات علوم الحاسوب النظرية ، الطبعة الثانية، دار النشر الأكاديمية، 1994، رقم ISBN 0-12-206382-1الفصل السابع
- إيلين ريتش ، الأوتوماتا، والحوسبة، والتعقيد: النظرية والتطبيقات ، برنتيس هول، 2007، رقم ISBN 0-13-228806-0، الفصل 23.5.
استطلاعات الرأي
وثائق تاريخية
- بوست، إميل (1947). " عدم إمكانية حل مسألة ثو بشكل متكرر" . مجلة المنطق الرمزي . 12 (1): 1-11 . doi : 10.2307/2267170 . JSTOR 2267170. S2CID 30320278. مؤرشف من الأصل بتاريخ 29-09-2019 . تم الاسترجاع بتاريخ 29-09-2019 .
- اللغات الرسمية
- نظرية الحوسبة
- أنظمة إعادة الكتابة
