Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Аппроксимация длин синхронизирующих слов для конечных автоматов Берлинков, Михаил Владимирович

Аппроксимация длин синхронизирующих слов для конечных автоматов
<
Аппроксимация длин синхронизирующих слов для конечных автоматов Аппроксимация длин синхронизирующих слов для конечных автоматов Аппроксимация длин синхронизирующих слов для конечных автоматов Аппроксимация длин синхронизирующих слов для конечных автоматов Аппроксимация длин синхронизирующих слов для конечных автоматов
>

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Берлинков, Михаил Владимирович. Аппроксимация длин синхронизирующих слов для конечных автоматов : диссертация ... кандидата физико-математических наук : 01.01.09 / Берлинков Михаил Владимирович; [Место защиты: Ин-т математики и механики УрО РАН].- Екатеринбург, 2011.- 86 с.: ил. РГБ ОД, 61 11-1/847

Введение к работе

Актуальность темы. Одной из самых простых и в то же время эффективных моделей дискретных систем являются конечные автоматы. Детерминированным конечным автоматом называется тройка объектов «й/ = (Q, Е, 8), где Q - множество состояний, Е - входной алфавит,, 8 : Q х Е —> Q - функция переходов автомата. В работе рассматривается только этот вид автоматов.

При моделировании систем конечными автоматами состояния автомата соответствуют возможным состояниям системы, а буквы входного алфавита соответствуют допустимым операциям системы. В силу внешних воздействий или внутренних причин в таких системах могут происходить некорректные переходы. Для того чтобы можно было вернуть контроль над системой после некорректных переходов, не прибегая к ее анализу, целесообразно проектировать систему таким образом, чтобы она обладала некоторой «перезагрузочной» последовательностью операций. Таким образом, вопрос существования перезагрузочной последовательности и вопрос о том, насколько короткой ее можно выбрать, являются существенными для рассматриваемых систем.

Введем теперь формальное определение синхронизирующих слов, играющих роль перезагрузочных последовательностей при моделировании систем конечными автоматами. Слово w Є Е* в автомате «й/ называется синхронизирующим, если его действие «перезагружает» автомат «г/, т. е. переводит автомат в некоторое состояние вне зависимости от того состояния, в котором автомат находился до применения этого слова. Иначе говоря, слово w синхронизирующее, если 8{q, w) = 8{р, w) для всех q,pe Q.

Если автомат «г/ обладает хотя бы одним синхронизирующим словом, то он называется синхронизируемым, а длина кратчайшего синхронизирующего слова для «й/ обозначается через ((«й/). Само отображение , ставящее в соответствие автомату «й/ число ((«й/), будем называть функцией Черни. В качестве примера рассмотрим изображенный на рис. 1 автомат Чо±. Нетрудно проверить, что автомат ^4 синхронизируем и что кратчайшим синхронизирующим словом этого автомата является Ъо?Ъо?Ъ. Следовательно, () = 9. Этот пример принадлежит к серии автоматов, построенной в 1964 году словацким математиком Яном Черни [7]. В [7] впервые явно появилось понятие синхронизируемого автома-

та и построена серия п-автоматов1 ^ с кратчайшим синхронизирующим словом длины (п — I)2.

Рис. 1: Автомат Черни ^4

Черни предположил, что серия Чоп реализует наихудший в смысле скорости синхронизации случай, т. е. что любой синхронизируемый п-автомат обладает синхронизирующим словом длины не более (п — I)2. Это предположение получило название гипотезы Черни. Несмотря на простоту формулировки и многочисленные попытки доказать или опровергнуть эту гипотезу, в общем случае она остается открытой и доказана лишь в некоторых частных случаях. Наилучшая известная на момент написания диссертации оценка сверху на число ((«g/) для гг-автомата «й/ равна п ~п. (Эта оценка была доказана около 30 лет назад Пэном [14] при помощи комбинаторного результата Франкля [10].) Так как предполагаемая верхняя оценка на функцию Черни для гг-автоматов есть квадратичная функция от п, то принципиальной задачей является получение квадратичной оценки для как можно более широкого класса гг-автоматов.

Дюбук [8] в 1998 году доказал гипотезу Черни для циклических автоматов, т. е. автоматов, у которых некоторая буква действует как циклическая перестановка на всем множестве состояний. Естественным обобщением циклических автоматов являются одпокластерпые автоматы, т. е. автоматы, в которых некоторой буквой помечен ровно один простой цикл. Однокластерными автоматами являются декодеры полных префиксных кодов и свойство синхронизации для таких декодеров равносильно свойству самокоррекции для соответствующих кодов. Поэтому получение оценок кратчайшей длины синхронизирующих слов

хДля краткости здесь и ниже под n-автоматом понимается автомат с п состояни-

для однокластерных автоматов представляет большой интерес как с практической точки зрения, так и с точки зрения продвижения на пути доказательства квадратичной оценки в общем случае. Эта задача рассматривается в первой главе диссертации.

Одним из основных методов доказательства квадратичных верхних оценок на функцию Черни является метод расширения. Этот метод получил широкое применение в последние 15 лет и стал основой нескольких впечатляющих результатов. Кроме уже упомянутого результата Дюбу-ка [8], можно отметить работу Кари [12], в которой гипотеза Черни была подтверждена для автоматов с эйлеровым графом. И. К. Рысцов, используя метод расширения, доказал квадратичную верхнюю оценку для автоматов, в которых каждая буква либо переставляет состояния, либо фиксирует все состояния, кроме одного [1], а также для так называемых регулярных автоматов [15].

Заметим, что доказательство квадратичных оценок легко сводится к случаю сильно-связных автоматов (см., напр., [19, предл. 3]). Пусть <й/ = {Q,T.,8) - сильно-связный синхронизируемый п-автомат. Через S.v будем обозначать образ подмножества состояний S С Q под действием слова v Є Е*. Идея метода расширения заключается в том, чтобы построить последовательность относительно коротких расширяющих слов г>і, г>2, , ^k и выбрать состояние q так, чтобы последовательность множеств Si,S2,...,Sk таких, что

{q} = Si, S2.vi = Si,... Sk-Vk = Sk-i,

возрастала по мощности и достигала Q, т.е.

1 = {Sil < \S2\ < < \Sk\ = \Q\ = п.

Ясно, что для любой такой последовательности слово VkVk-i f і синхронизирует автомат. Легко видеть, что описанный метод позволяет построить синхронизирующее слово для любого сильно-связного синхронизируемого автомата. Заметим, что длина цепочки к не больше п—1, так как мощности множеств Si строго возрастают. Следовательно, для получения квадратичных оценок сверху на функцию Черни для гг-автоматов достаточно, чтобы длины слов 1 были линейно ограничены от п. Ввиду этого аргумента принципиально важной задачей является доказательство или опровержение гипотез, позволяющих получать линейные оценки на длину расширяющих слов. Эта задача также рассматривается в первой главе диссертации.

На практике часто встречаются системы, для которых необходима быстрая перезагрузка. Один раз найдя кратчайшее синхронизирующее слово автомата, соответствующего такой системе, можно применять его многократно, экономя время и ресурсы при перезагрузке. Таким образом, задача поиска относительно короткого синхронизирующего слова или его длины является одной из основных не только с теоретической, но и с практической точки зрения. К сожалению, точный вариант этой задачи является труднорешаемым. А именно, известно, что вопрос о том, существует ли для данного синхронизируемого автомата «й/ синхронизирующее слово, длина которого не превосходит данного числа , является iVP-полной задачей (см., напр., [9]). Из этого, однако, не следует, что синхронизирующее слово на один символ длиннее кратчайшего не может быть найдено эффективным алгоритмом. Следовательно, ключевым становится вопрос о возможности приближенного вычисления длины кратчайшего синхронизирующего слова. Этот вопрос, поставленный в недавнем обзоре М.В.Волкова [20], рассматривается во второй главе диссертации.

При моделировании систем конечными автоматами иногда встречаются такие системы, в которых определены возможные переходы между состояниями и набор допустимых операций, но не определено соответствие («раскраска») между операциями и переходами, либо соответствие задано, но его можно переопределить («перераскрасить»). При этом рассматриваются те же вопросы, что и для автоматов, но с учетом возможности перераскраски: задача перераскраски заданного автомата в синхронизируемый и задача перераскраски автомата в синхронизируемый с как можно более коротким синхронизирующим словом. Например, на рис. 2 слева изображен граф автомата Чо±, в центре изображен сам автомат ^4, а справа еще одна синхронизирующая раскраска Opt^ этого графа с кратчайшим синхронизирующим словом о?. Заметим, что раскраска Opt4 является оптимальной, т. е. обладает кратчайшим синхронизирующим словом среди всех возможных раскрасок графа автомата ^4- Значение функции Черни для оптимальной синхронизируемой раскраски заданного графа G называется значением оптимальной раскраски и обозначается OPT{G).

Задача о возможности раскраски орграфа в синхронизируемый автомат первоначально возникла в символической динамике, см. [2]. Для исключения из рассмотрения тривиальных случаев достаточно рассматривать только сильно-связные графы, у которых степени исхода всех вер-

b a

b ^b

Рис. 2: Граф автомата ^4 и две его раскраски

шин одинаковы и длины циклов взаимно просты в совокупности. Такие графы называются AGW-графами, поскольку гипотеза о существовании синхронизирующей раскраски для любого такого графа была сформулирована в статье Адлера, Гудвина и Вэйса [3] в 1977 году. Эта гипотеза, получившая название гипотезы о раскраске дорог, привлекала внимание многих исследователей на протяжении более 30 лет и только недавно была подтверждена Трахтманом [18]. Основной открытой задачей является точный или приближенный поиск оптимальной раскраски или ее значения для заданного AGW-графа. Этот вопрос, который также был поставлен в обзоре М. В. Волкова [20], рассматривается в третьей главе диссертации.

Перечислим основные цели работы: опровержение гипотез различных авторов, справедливость которых обеспечивает линейные оценки на длины расширяющих слов; модернизация опровергнутых подходов и доказательство на основе этих модернизированных подходов квадратичной оценки сверху на функцию Черни для класса однокластерных автоматов; доказательство полиномиальной неаппроксимируемости значения функции Черни; доказательство полиномиальной неаппроксимируемости значения оптимальной раскраски и самой оптимальной раскраски с относительной погрешностью меньше 2.

Научная новизна. Все результаты диссертации являются новыми.

Теоретическая и практическая ценность. Диссертационная работа носит теоретический характер. Полученные результаты могут быть использованы в теории конечных автоматов, теории формальных языков и теории сложности вычислений.

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертации докладывались на Российско-индийском семинаре по алгебре, комбинаторике и сложности (Екатеринбург, 2008), международной конференции "Симпозиум по компьютерным наукам в России" CSR 2010 (Казань, Россия, 2010), 14-ой международной конференции по теории формальных языков DLT 2010 (Лондон, Канада, 2010), международном семинаре по автоматам DAAST (Вена, Австрия, 2010) и заседаниях семинара "Компьютерные науки" (УрГУ).

Ссылки на результаты диссертации присутствуют в работах других авторов: [11,13,16,17].

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в [21-23]. Результаты из [21] были независимо доказаны автором диссертации и французскими математиками Беал и Перрэном, а совместная работа [21] возникла в результате слияния в один статью текстов, подготовленных автором и французскими коллегами. При этом результат, полученный автором диссертации, был несколько точнее, чем результат Беал и Перрэна, и в тексте совместной статьи приведен именно он. Работа [21] опубликована в издании, входящем в перечень утвержденных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и списка литературы. Объем диссертации составляет 86 страниц. Библиографический список содержит 47 наименований.