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Pearson Studium Weitere Titel dieses Verlages anzeigen
Kapitel 1 Automaten: Die Grundlagen und Methoden | ||
1.1 Wozu dient das Studium der Automatentheorie?............. | ||
1.1.1 Einführung in endliche Automaten ................. | ||
1.1.2 Strukturelle Repräsentationen...................... | ||
1.1.3 Automaten und Komplexität....................... | ||
1.2 Einführung in formale Beweise........................... | ||
1.2.1 Deduktive Beweise............................... | ||
1.2.2 Reduktion auf Definitionen........................ | ||
1.2.3 Andere Formen von Sätzen........................ | ||
1.2.4 Sätze, die keine Wenn-dann-Aussagen zu sein scheinen . | ||
1.3 Weitere Formen von Beweisen............................ | ||
1.3.1 Beweise der Äquivalenz von Mengen................ | ||
1.3.2 Die Umkehrung ................................. | ||
1.3.3 Beweis durch Widerspruch........................ | ||
1.3.4 Gegenbeispiele.................................. | ||
1.4 Induktive Beweise ..................................... | ||
1.4.1 Induktive Beweise mit ganzen Zahlen ............... | ||
1.4.2 Allgemeinere Formen der Induktion mit ganzen Zahlen . | ||
1.4.3 Strukturelle Induktion............................ | ||
1.4.4 Gegenseitige Induktion ........................... | ||
1.5 Die zentralen Konzepte der Automatentheorie............... | ||
1.5.1 Alphabete...................................... | ||
1.5.2 Zeichenreihen .................................. | ||
1.5.3 Sprachen....................................... | ||
1.5.4 Probleme....................................... | ||
Zusammenfassung von Kapitel 1.......................... | ||
Inhaltsverzeichnis | ||
Vorwort | ||
Vorwort zur deutschen Auflage | ||
Kapitel 2 Endliche Automaten | 61 | |
2.1 | Eine informelle Darstellung endlicher Automaten | 63 |
2.1.1 | Die Grundregeln | 63 |
2.1.2 | Das Protokoll | 64 |
2.1.3 | Die Automaten dazu befähigen, Eingaben zu ignorieren | 66 |
2.1.4 | Das gesamte System aus Automaten darstellen | 68 |
2.1.5 Mithilfe des Produktautomaten die Gültigkeit des Protokolls | ||
überprüfen | 70 | |
2.2 | Deterministische endliche Automaten | 71 |
2.2.1 | Definition eines deterministischen endlichen Automaten | 71 |
2.2.2 | Wie ein DEA Zeichenreihen verarbeitet | 72 |
2.2.3 | Einfachere Notationen für DE As | 74 |
2.2.4 | Die Ubergangsfunktion auf Zeichenreihen erweitern | 75 |
2.2.5 | Die Sprache eines DEA | 79 |
2.2.6 | Übungen zum Abschnitt 2.2 | 79 |
2.3 | Nichtdeterministische endliche Automaten | 82 |
2.3.1 Eine informelle Sicht auf nichtdeterministische endliche | ||
Automaten | 83 | |
2.3.2 | Definition nichtdeterministischer endlicher Automaten | 85 |
2.3.3 | Die erweiterte Übergangsfunktion | 86 |
2.3.4 | Die Sprache eines NEA | 87 |
2.3.5 Äquivalenz deterministischer und nichtdeterministischer | ||
endlicher Automaten | 88 | |
2.3.6 | Ein ungünstiger Fall für die Teilmengenkonstruktion | 93 |
2.3.7 | Übungen zum Abschnitt 2.3 | 95 |
2.4 | Eine Anwendung: Textsuche | 97 |
2.4.1 | Zeichenreihen in Texten finden | 97 |
2.4.2 Nichtdeterministische endliche Automaten für die | ||
Textsuche | 98 | |
2.4.3 | Ein DEA, um die Menge von Schlüsselwörtern zu erkennen | 99 |
2.4.4 | Übungen zum Abschnitt 2.4 | 101 |
2.5 | Endliche Automaten mit ¿-Übergängen | 101 |
2.5.1 | Verwendungen von ¿ -Übergängen | 102 |
2.5.2 | Die formale Notation eines ¿-NEA | 103 |
2.5.3 | ¿-Hüllen | 104 |
2.5.4 | Erweiterte Übergänge und Sprachen für ¿-NEAs | 105 |
2.5.5 | ¿-Übergänge eliminieren | 107 |
2.5.6 | Übungen zum Abschnitt 2.5 | 110 |
Zusammenfassung von Kapitel 2 | 111 | |
Kapitel 3 Reguläre Ausdrücke und Sprachen | 113 | |
3.1 | Reguläre Ausdrücke | 114 |
3.1.1 | Die Operatoren regulärer Ausdrücke | 115 |
3.1.2 | Reguläre Ausdrücke bilden | 117 |
3.1.3 Auswertungsreihenfolge der Operatoren regulärer | ||
Ausdrücke | 120 | |
3.1.4 | Übungen zum Abschnitt 3.1 | 121 |
3.2 | Endliche Automaten und reguläre Ausdrücke | 122 |
3.2.1 | Von DE As zu regulären Ausdrücken | 122 |
3.2.2 DEA durch die Eliminierung von Zuständen | ||
in reguläre Ausdrücke umwandeln | 128 | |
3.2.3 | Reguläre Ausdrücke in Automaten umwandeln | 134 |
3.2.4 | Übungen zum Abschnitt 3.2 | 138 |
3.3 | Anwendungen regulärer Ausdrücke | 140 |
3.3.1 | Reguläre Ausdrücke in Unix | 140 |
3.3.2 | Lexikalische Analyse | 142 |
3.3.3 | Textmuster finden | 144 |
3.3.4 | Übungen zum Abschnitt 3.3 | 146 |
3.4 | Algebraische Gesetze für reguläre Ausdrücke | 147 |
3.4.1 | Assoziativität und Kommutativität | 147 |
3.4.2 | Identitäten und Annihilatoren | 148 |
3.4.3 | Distributivgesetze | 149 |
3.4.4 | Das Idempotenzgesetz | 150 |
3.4.5 | Gesetze bezüglich der Hüllenbildung | 150 |
3.4.6 | Gesetze für reguläre Ausdrücke entdecken | 151 |
3.4.7 Test eines für reguläre Ausdrücke geltenden Gesetzes | ||
der Algebra | 154 | |
3.4.8 | Übungen zum Abschnitt 3.4 | 156 |
Zusammenfassung von Kapitel 3 | 157 | |
Kapitel 4 Eigenschaften regulärer Sprachen | 159 | |
4.1 | Beweis der Nichtregularität von Sprachen | 160 |
4.1.1 | Das Pumping-Lemma für reguläre Sprachen | 161 |
4.1.2 | Anwendungen des Pumping-Lemmas | 162 |
4.1.3 | Übungen zum Abschnitt 4.1 | 164 |
4.2 | Abschluss-Eigenschaften regulärer Sprachen | 166 |
4.2.1 Abgeschlossenheit regulärer Sprachen bezüglich | ||
Boolescher Operationen | 166 | |
4.2.2 | Spiegelung | 173 |
4.2.3 | Homomorphismus | 174 |
4.2.4 | Inverser Homomorphismus | 176 |
4.2.5 | Übungen zum Abschnitt 4.2 | 182 |
4.3 | Entscheidbarkeits-Eigenschaften regulärer Sprachen | 185 |
4.3.1 | Wechsel zwischen Repräsentationen | 186 |
4.3.2 | Prüfen, ob eine reguläre Sprache leer ist | 189 |
4.3.3 | Zugehörigkeit zu einer regulären Sprache prüfen | 190 |
4.3.4 | Übungen zum Abschnitt 4.3 | 191 |
4.4 | Äquivalenz und Minimierung von Automaten | 191 |
4.4.1 | Prüfen, ob Zustände äquivalent sind | 192 |
4.4.2 | Prüfen, ob reguläre Sprachen äquivalent sind | 195 |
4.4.3 | Minimierung von DEAs | 198 |
4.4.4 | Warum minimierte DEAs unschlagbar sind | 201 |
4.4.5 | Übungen zum Abschnitt 4.4 | 203 |
Zusammenfassung von Kapitel 4 | 204 | |
Kapitel 5 Kontextfreie Grammatiken und Sprachen | 205 | |
5.1 | Kontextfreie Grammatiken | 206 |
5.1.1 | Ein informelles Beispiel | 206 |
5.1.2 | Definition kontextfreier Grammatiken | 208 |
5.1.3 | Ableitungen mithilfe einer Grammatik | 210 |
5.1.4 | Links-und rechtsseitige Ableitungen | 213 |
5.1.5 | Die Sprache einer Grammatik | 215 |
5.1.6 | Satzformen | 216 |
5.1.7 | Übungen zum Abschnitt 5.1 | 217 |
5.2 | Parse-Bäume | 219 |
5.2.1 | Parse-Bäume aufbauen | 219 |
5.2.2 | Der Ergebnis eines Parse-Baums | 221 |
5.2.3 | Inferenz, Ableitungen und Parse-Bäume | 222 |
5.2.4 | Von Inferenzen zu Bäumen | 223 |
5.2.5 | Von Bäumen zu Ableitungen | 225 |
5.2.6 | Von Ableitungen zu rekursiven Inferenzen | 228 |
5.2.7 | Übungen zum Abschnitt 5.2 | 230 |
5.3 | Anwendungen kontextfreier Grammatiken | 231 |
5.3.1 | Parser | 231 |
5.3.2 | Der YACC-Parsergenerator | 234 |
5.3.3 | Markup-Sprachen | 235 |
5.3.4 | XML und Dokumenttypdefinitionen | 238 |
5.3.5 | Übungen zum Abschnitt 5.3 | 244 |
5.4 | Mehrdeutigkeit von Grammatiken und Sprachen | 245 |
5.4.1 | Mehrdeutige Grammatiken | 246 |
5.4.2 | Mehrdeutigkeit aus Grammatiken tilgen | 248 |
5.4.3 Linksseitige Ableitungen als Möglichkeit zur Beschreibung | ||
von Mehrdeutigkeit | 251 | |
5.4.4 | Inhärente Mehrdeutigkeit | 252 |
5.4.5 | Übungen zum Abschnitt 5.4 | 255 |
Zusammenfassung von Kapitel 5 | 256 | |
Kapitel 6 Pushdown-Automaten | 259 | |
6.1 | Definition des Pushdown-Automaten | 260 |
6.1.1 | Informelle Einführung | 260 |
6.1.2 | Die formale Definition von Pushdown-Automaten | 262 |
6.1.3 | Eine grafische Notation für PDAs | 264 |
6.1.4 | Unmittelbare Beschreibungen eines PDA | 265 |
6.1.5 | Übungen zum Abschnitt 6.1 | 269 |
6.2 | Die Sprachen eines PDA | 270 |
6.2.1 | Akzeptanz durch Endzustand | 270 |
6.2.2 | Akzeptanz durch leeren Stack | 272 |
6.2.3 | Vom leeren Stack zum Endzustand | 272 |
6.2.4 | Vom Endzustand zum leeren Stack | 276 |
6.2.5 | Übungen zum Abschnitt 6.2 | 278 |
6.3 | Äquivalenz von PDAs und kontextfreien Grammatiken | 279 |
6.3.1 | Von Grammatiken zu PDAs | 280 |
6.3.2 | Von PDAs zu Grammatiken | 283 |
6.3.3 | Übungen zum Abschnitt 6.3 | 288 |
6.4 | Deterministische Pushdown-Automaten | 289 |
6.4.1 | Definition eines deterministischen PDA | 290 |
6.4.2 | Reguläre Sprachen und deterministische PDAs | 291 |
6.4.3 | DPDAs und kontextfreie Sprachen | 292 |
6.4.4 | DPDAs und mehrdeutige Grammatiken | 293 |
6.4.5 | Übungen zum Abschnitt 6.4 | 294 |
Zusammenfassung von Kapitel 6 | 295 | |
Kapitel 7 Eigenschaften kontextfreier Sprachen | 297 | |
7.1 | Normalformen kontextfreier Grammatiken | 298 |
7.1.1 | Eliminierung unnützer Symbole | 298 |
7.1.2 | Berechnung der erzeugenden und erreichbaren Symbole | 301 |
7.1.3 | 8-Produktionen eliminieren | 302 |
7.1.4 | Einheitsproduktionen eliminieren | 306 |
7.1.5 | Chomsky-Normalform | 311 |
7.1.6 | Übungen zum Abschnitt 7.1 | 316 |
7.2 | Das Pumping-Lemma für kontextfreie Sprachen | 319 |
7.2.1 | Die Größe von Parse-Bäumen | 319 |
7.2.2 | Aussage des Pumping-Lemmas | 320 |
7.2.3 Anwendungen des Pumping-Lemmas für kontextfreie | ||
Sprachen | 323 | |
7.2.4 | Übungen zum Abschnitt 7.2 | 326 |
7.3 | Abschluss-Eigenschaften kontextfreier Sprachen | 328 |
7.3.1 | Substitutionen | 328 |
7.3.2 | Anwendungen des Substitutions-Theorems | 331 |
7.3.3 | Spiegelung | 332 |
7.3.4 | Durchschnitt mit einer regulären Sprache | 332 |
7.3.5 | Inverse Homomorphismen | 337 |
7.3.6 | Übungen zum Abschnitt 7.3 | 339 |
7.4 | Entscheidbarkeits-Eigenschaften kontextfreier Sprachen | 341 |
7.4.1 Komplexität der Umwandlung von kfGs in PDAs und | ||
umgekehrt | 342 | |
7.4.2 Ausführungszeit der Umwandlung in Chomsky- | ||
Normalform | 343 | |
7.4.3 | Prüfen, ob eine kontextfreie Sprache leer ist | 345 |
7.4.4 | Die Zugehörigkeit zu einer kontextfreien Sprache prüfen | 347 |
7.4.5 | Vorschau auf unentscheidbare kfL-Probleme | 351 |
7.4.6 | Übungen zum Abschnitt 7.4 | 352 |
Zusammenfassung von Kapitel 7 | 353 | |
Kapitel 8 Einführung in Turing-Maschinen | 355 | |
8.1 | Probleme, die Computer nicht lösen können | 356 |
8.1.1 | Programme, die »Hello, World« ausgeben | 357 |
8.1.2 | Der hypothetische »Hello, World«-Tester | 359 |
8.1.3 | Ein Problem auf ein anderes Problem reduzieren | 362 |
8.1.4 | Übungen zum Abschnitt 8.1 | 365 |
8.2 | Die Turing-Maschine | 366 |
8.2.1 Das Streben danach, alle mathematischen Fragen zu | ||
entscheiden | 367 | |
8.2.2 | Die Notation der Turing-Maschine | 368 |
8.2.3 | Unmittelbare Beschreibungen für Turing-Maschinen | 369 |
8.2.4 | Übergangsdiagramme für Turing-Maschinen | 373 |
8.2.5 | Die Sprache einer Turing-Maschine | 376 |
8.2.6 | Turing-Maschinen und das Halteproblem | 377 |
8.2.7 | Übungen zum Abschnitt 8.2 | 378 |
8.3 | Programmiertechniken für Turing-Maschinen | 379 |
8.3.1 | Speicher im Zustand | 380 |
8.3.2 | Mehrere Spuren | 381 |
8.3.3 | Unterprogramme | 383 |
8.3.4 | Übungen zum Abschnitt 8.3 | 386 |
8.4 | Erweiterungen für die einfache Turing-Maschine | 386 |
8.4.1 | Turing-Maschinen mit mehreren Bändern | 386 |
8.4.2 | Äquivalenz zwischen ein- und mehrbändigen TMn | 388 |
8.4.3 | Ausführungszeit und die Viele-Bänder-in-eins-Konstruktion | 390 |
8.4.4 | Nichtdeterministische Turing-Maschinen | 391 |
8.4.5 | Übungen zum Abschnitt 8.4 | 393 |
8.5 | Beschränkte Turing-Maschinen | 396 |
8.5.1 | Turing-Maschinen mit semi-unendlichen Bändern | 397 |
8.5.2 | Maschinen mit mehreren Stacks | 400 |
8.5.3 | Zählermaschinen | 403 |
8.5.4 | Die Leistungsfähigkeit von Zählermaschinen | 404 |
8.5.5 | Übungen zum Abschnitt 8.5 | 406 |
8.6 | Turing-Maschinen und Computer | 407 |
8.6.1 | Eine Turing-Maschine mit einem Computer simulieren | 407 |
8.6.2 | Einen Computer mit einer Turing-Maschine simulieren | 409 |
8.6.3 Laufzeitvergleich zwischen Computern und | ||
Turing-Maschinen | 413 | |
Zusammenfassung von Kapitel 8 | 416 | |
Kapitel 9 Unentscheidbarkeit | 419 | |
9.1 | Eine nicht rekursiv aufzählbare Sprache | 421 |
9.1.1 | Binärzeichenreihen aufzählen | 421 |
9.1.2 | Codes für Turing-Maschinen | 422 |
9.1.3 | Die Diagonalisierungssprache | 423 |
9.1.4 | Der Beweis, dass Lj nicht rekursiv aufzählbar ist | 425 |
9.1.5 | Übungen zum Abschnitt 9.1 | 425 |
9.2 | Ein unentscheidbares Problem, das rekursiv aufzählbar ist | 426 |
9.2.1 | Rekursive Sprachen | 426 |
9.2.2 Komplemente rekursiver und rekursiv aufzählbarer | ||
Sprachen | 427 | |
9.2.3 | Die universelle Sprache | 430 |
9.2.4 | Unentscheidbarkeit der universellen Sprache | 433 |
9.2.5 | Übungen zum Abschnitt 9.2 | 434 |
9.3 | Unentscheidbare Probleme über Turing-Maschinen | 436 |
9.3.1 | Reduktionen | 436 |
9.3.2 | Turing-Maschinen, die die leere Sprache akzeptieren | 438 |
9.3.3 Der Satz von Rice und Eigenschaften der rekursiv | ||
aufzählbaren Sprachen | 441 | |
9.3.4 Probleme bezüglich Spezifikationen von | ||
Turing-Maschinen | 444 | |
9.3.5 | Übungen zum Abschnitt 9.3 | 444 |
9.4 | Das Postsche Korrespondenz-Problem | 446 |
9.4.1 | Definition des Postschen Korrespondenz-Problems | 446 |
9.4.2 | Das »modifizierte« PKP | 449 |
9.4.3 | Fertigstellung des Beweises der PKP-Unentscheidbarkeit | 452 |
9.4.4 | Übungen zum Abschnitt 9.4 | 458 |
9.5 | Andere unentscheidbare Probleme | 459 |
9.5.1 | Probleme bei Programmen | 459 |
9.5.2 Unentscheidbarkeit der Mehrdeutigkeit | ||
kontextfreier Grammatiken | 459 | |
9.5.3 | Das Komplement einer Listensprache | 462 |
9.5.4 | Übungen zum Abschnitt 9.5 | 465 |
Zusammenfassung von Kapitel 9 | 466 | |
Kapitel 10 Nicht handhabbare Probleme | 469 | |
10.1 | Die Klassen V und MP | 471 |
10.1.1 | Mit polynomialem Zeitaufwand lösbare Probleme | 471 |
10.1.2 | Beispiel: Der Kruskal-Algorithmus | 472 |
10.1.3 | Nichtdeterministischer polynomialer Zeitaufwand | 476 |
10.1.4 | Ein NP-Beispiel: Das Problem des Handlungsreisenden | 477 |
10.1.5 | Polynomzeit-Reduktionen | 478 |
10.1.6 | NP-vollständige Probleme | 480 |
10.1.7 | Übungen zum Abschnitt 10.1 | 482 |
10.2 | Ein NP-vollständiges Problem | 483 |
10.2.1 | Das Erfüllbarkeitsproblem | 484 |
10.2.2 | SAT-Instanzen repräsentieren | 485 |
10.2.3 | NP-Vollständigkeit des SAT-Problems | 486 |
10.2.4 | Übungen zum Abschnitt 10.2 | 493 |
10.3 | Ein eingeschränktes Erfüllbarkeitsproblem | 493 |
10.3.1 | Normalformen für Boolesche Ausdrücke | 494 |
10.3.2 | Ausdrücke in KNF konvertieren | 495 |
10.3.3 | NP-Vollständigkeit von CSAT | 498 |
10.3.4 | NP-Vollständigkeit von 3SAT | 503 |
10.3.5 | Übungen zum Abschnitt 10.3 | 504 |
10.4 | Weitere NP-vollständige Probleme | 505 |
10.4.1 | NP-vollständige Probleme beschreiben | 506 |
10.4.2 | Das Problem unabhängiger Mengen | 506 |
10.4.3 | Das Problem der Knotenüberdeckung | 511 |
10.4.4 | Das Problem des gerichteten Hamiltonschen Kreises | 512 |
10.4.5 Ungerichtete Hamiltonsche Kreise und das | ||
Problem des Handlungsreisenden | 519 | |
10.4.6 | Zusammenfassung NP-vollständiger Probleme | 521 |
10.4.7 | Übungen zum Abschnitt 10.4 | 521 |
Zusammenfassung von Kapitel 10 | 526 | |
Kapitel 11 Zusätzliche Problemklassen | 529 | |
11.1 | Komplemente von Sprachen, die in MV enthalten sind | 531 |
11.1.1 | Die Sprachklasse Co-A/'P | 531 |
11.1.2 | NP-vollständige Probleme und Co -MV | 532 |
11.1.3 | Übungen zum Abschnitt 11.1 | 533 |
11.2 | Probleme, die mit polynomialem Speicherplatz lösbar sind | 534 |
11.2.1 | Turing-Maschinen mit polynomialer Platzbegrenzung | 534 |
11.2.2 Beziehung von VS und MVS zu früher definierten | ||
Klassen | 535 | |
11.2.3 Deterministischer und nichtdeterministischer | ||
polynomialer Speicherplatz | 537 | |
11.3 | Ein für VS vollständiges Problem | 540 |
11.3.1 | PS-Vollständigkeit | 540 |
11.3.2 | Quantifizierte Boolesche Formeln | 541 |
11.3.3 | Quantifizierte Boolesche Formeln auswerten | 542 |
11.3.4 | PS-Vollständigkeit des QBF-Problems | 544 |
11.3.5 | Übungen zum Abschnitt 11.3 | 550 |
11.4 | Sprachklassen basierend auf Randomisierung | 550 |
11.4.1 Quicksort: Ein Beispiel für einen zufallsabhängigen | ||
Algorithmus | 551 | |
11.4.2 Ein auf Zufallsabhängigkeit basierendes Modell | ||
einer Turing-Maschine | 552 | |
11.4.3 | Die Sprache einer zufallsabhängigen Turing-Maschine | 554 |
11.4.4 | Die Klasse 1ZV | 556 |
11.4.5 | In 7ZV enthaltene Sprachen erkennen | 558 |
11.4.6 | Die Klasse ZW | 559 |
11.4.7 | Beziehung zwischen VSP und ZW | 560 |
11.4.8 | Beziehungen zu den Klassen T^und MP | 562 |
11.5 | Die Komplexität des Primzahltests | 562 |
11.5.1 | Die Bedeutung des Primzahltests | 563 |
11.5.2 | Einführung in Modular-Arithmetik | 565 |
11.5.3 | Die Komplexität modular-arithmetischer Berechnungen | 567 |
11.5.4 | Zufallsabhängig-polynomiales Primzahl-Testen | 568 |
11.5.5 | Nichtdeterministische Primzahltests | 570 |
11.5.6 | Übungen zum Abschnitt 11.5 | 573 |
Zusammenfassung von Kapitel 11 | 574 | |
Literaturverzeichnis | 577 | |
Stichwortverzeichnis | 587 | |