ジェフリーシャリットのオートマタ理論の第2コースの第4章では、次の問題が未解決としてリストされています。
ましょう、その結果有理係数を有する多項式であるすべてについて。pの次数が\ leqslant 1である場合にのみ、のすべての整数のbase-k表現の言語がコンテキストフリーであることを証明または反証します。P (N )
現在の状況はどうですか(2018年10月現在)?それは証明されていますか?特別な場合はどうですか?
ジェフリーシャリットのオートマタ理論の第2コースの第4章では、次の問題が未解決としてリストされています。
ましょう、その結果有理係数を有する多項式であるすべてについて。pの次数が\ leqslant 1である場合にのみ、のすべての整数のbase-k表現の言語がコンテキストフリーであることを証明または反証します。P (N )
現在の状況はどうですか(2018年10月現在)?それは証明されていますか?特別な場合はどうですか?
回答:
もちろん、ここではK ≥ 2
かつて問題を解決すると主張するホルバスの原稿がありましたが、それはいくつかの場所で不明瞭であり、私の知る限り決して公表されませんでした。
私の知る限り、問題は未解決のままです。含意の一方向はもちろん簡単です。
これは、およびの証明のスケッチです。ここで、のバイナリ表現であり、。わかりやすくするために、バイナリ文字列の最下位ビットを左側に配置します(例:。K = 2
核となる考え方は、が文脈自由であると仮定し、それを単純な正規言語と交差させる「単純化」を試みることです。新しい言語L
L
有望なアプローチは、L
n 2 = 2 0 + 2 a((2 b − 1 )+ 2 b + c)、1 < a 、b 、c
(バイナリ表現が中央に1のシーケンスを除くすべて0
n n^2 n n^2
39 1521 111..1 1...11111.1
143 20449 1111...1 1....1111111..1
543 294849 11111....1 1.....111111111...1
2111 4456321 111111.....1 1......11111111111....1
8319 69205761 1111111......1 1.......1111111111111.....1
33023 1090518529 11111111.......1 1........111111111111111......1
LSB MSB LSB MSB
いくつかの努力により、次のことを証明できます。
定理:数値
2 0 + 2 a((2 b − 1 )+ 2 b + c);0 < c 、3 < a < b
b = 2 a − 3 、c = a − 3
(証拠はかなり長いので、ブログで公開します)
この時点で、我々は簡単にすることを証明することができるL ∩ Rは、
おそらく、同じ手法を任意のベースkに
証拠があると思う。この補題から証明が得られます。
補題。文脈自由言語Lの
したがって、u
補題の証明。条件を満足する長さw 1、… 、w n 6の n 6ワードが存在するように、十分に大きいnを
bとcが両方ともAから派生し、bがBから派生し、cがCから派生している場合、ルールA → B C
任意のw i
( n 2のみ2)
注意。これは、他の答えのはるかに詳細なバージョンです。それは十分に理解できるとは思えなかったからです。私はそれをより標準的なポンピング補題に似るように変換しようとしましたが、完全な証明は複雑になりました。最初の2つの補題の声明を読んで主要なアイデアを理解し、次に推論の声明、最後に最後を読んで、推論が質問に対する答えを暗示している理由を証明することをお勧めします。
この証明は、ポンピング補題の一般化に基づいています。必要な補題は非常に手の込んだものなので、すぐに説明するのではなく、簡単な一般化から始め、最終的にはより複雑な一般化を構築します。後で学んだように、これはいわゆる交換補題と非常に似ています。
ツインポンピング補題。すべての文脈自由言語のためのL
このステートメントは、本質的にポンピング補題と同じ方法で証明できます。同じルールがポンピングされるs
次に、ポンピング補題を一般化する別の方法を示します(後で2つを組み合わせます)。
ネストされたポンピング補題。すべての文脈自由言語のためのL
インデックスi j
入れ子になったオグデンの補題。すべての文脈自由言語のためのL
残念ながら、このアプリケーションではp k
ディルワース・オグデンの補題。すべての文脈自由言語のためのL
ケース(i):s = u v 1 … v k w x k … x 1 y
ケース(II):S = U 、V 1 、W 1 、X 1 ... V ℓ W ℓ X ℓ Y
その結果∀ I 1 ≤
場合(I)ワードuはV I 1 ... V iは、mは、W 、X iがmで ... xはI 1、Y ∈ Lを
ケース(ii)においてワードUは、V iは1 1 wは1 X I 1 1 ... Vのi個のℓの ℓ W ℓ X I ℓ ℓ Y ∈ L
証明:sを
これで、大きな組み合わせの補題を述べる準備ができました。
スーパー補題。すべての文脈自由言語のためのL
スーパー補題の証明スケッチ:各s iに
残念ながら、この補題から得られる数N
特別補題。 すべての文脈自由言語のためのL
(i)の場合: ∃ I < kの
ケース(II): ∀ I < K
そして(両方の場合のために)∀ iが V iはxはiはマークを含み、すべてのシーケンスのための(I 、J )m個のJ = 1つのワードˉ U ˉ V I 1 ... ˉ V iがm個ˉ W ˉ X I メートル ... ˉ X I 1 ˉ Y ∈ L、ˉ Zはを表し、Z又はZ '、すなわち、私たちは自由からの中間サブワードを混在させることができ、SとS "が、唯一のようにˉ U = uの場合にのみˉ Y = Yなど、OR
ケース(iii): sおよびs ′はs = u v 1 w 1 x 1 v 2 w 2 x 2 yおよびs ′ = u ′ v ′ 1 w ′ 1 x ′ 1 v ′ 2 w ′ 2と書くことができます。X " 2 yの"ように| あなた| = | u ′ |と| v 1 w 1 x 1 | = | v ′ 1 w ′ 1 x ′ 1 | 、及び∀ iは V iはxはiはマークを含み、uは、V H 1 wの1 のx H 1 V 2 wが2 X 2 Y ∈ LとU ' のV H 1 wの1つのx H 1 V' 2 wの ' 2、X ' 2、Y'∈L。
証明は、k ( n2)ケース(i)の単語の可能なオプション( n2)ケース(ii)のオプション、ケース(iii)には( n2)オプション。
当然。すべてのための場合は、Pあり、T及びNとN ≥ P (T + 1 )+は、Tが存在するように、Nは= N 3つの長さの単語N文脈自由言語でL最初のP (T + 1 )文字であります各単語で同じで、最後のt文字はペアまたは単語ごとに異なります(つまり、単語はs i = s b e gのように見えます)私の男私はdは私の電子をN dは、私、このようなことを| s b e g i | =p(t+1)、| s m i d i | =n−p(t+1)−t、| s e n d i | =トン、および∀I≠J S BのEのG iが = S BのEのGの J及び S E N D iは ≠ S E N D jが)、そこである B単語の無限に多くのペアが存在するように、 H ≠ bはH ∈ Lその同じ長さのは最後の B文字のみが異なります。
証明:テイクK = T + 1と私たちのために特別な補助定理を適用するN個の使用単語Nを= N 3 ≥ P (T + 1 )N 2、第1の印P (T + 1 )文字を(すべての単語に同じです)s = u v 1 … v t + 1 w x t + 1 … x 1 yおよびsを取得する′ = u ′ v ′ 1 … v ′ t + 1 w ′ x ′ t + 1 … x ′ 1 y ′ OR s = u v 1 w 1 x 1 v 2 w 2 x 2 yおよび s ′ = u ′ v ′ 1 w ′ 1 x ′ 1 v ′2 w ′ 2 x ′ 2 y′。
我々は、(i)特別補題の場合であれば、すなわち、そこにある私、このようなことを| x i | = | x ′ i | = 0、| u v 1 … v i − 1 | = | u ′ v ′ 1 … v ′ i − 1 | 、および| v i | = | v ′ i | 、次にu v 1… v i − 1 = u ′ v ′ 1 … v ′ i − 1および v i = v ′ iも成立します。これは、 v i + 1 w x i + 1にマーク文字を含める必要があるため、 v iの前のサブワード + 1はマークされた文字のみで構成され、これらは sと s 'で同じです。単語 a h = uを取ることができますV 1 ... VのH I ... のV T W X T ... X 1つの Y及び B H = UがV 1 ... V H I V ' I + 1 ... V ' T W ' 、X ' 、T ... X ' 1、Y '得ること望ましいペア; これらの単語は sおよび s 'と同じ方法で終了するため、 a h ≠b hおよびそれらは、最後に区切られた多くの文字のみが異なります。
私たちはケース内にある場合(ⅱ)特別補題の、すなわち、∀ I < K | x i | ≥ 1、| x ′ i | ≥ 1、| u v 1 … v t | = | u ′ v ′ 1 … v ′ t | と| v t + 1 w x t + 1 | = | v ′ t+ 1 w′x ′ t + 1 | 、それからuv1…vt=u′v ′ 1 …v ′ tも前の場合と同様に成り立つ。これで、h=uv1…vtv h t + 1 wx h t + 1 xt…x1yおよびbh = u v 1 … v t v h t + 1 w x h t + 1 x ′ t … x ′ 1 y ′ ; 以来 | x t … x 1 y | = | x ′ t … x ′ 1 y ′ | ≥ トン、これらの単語は確かに異なって終了し、最後に区切られた多くの文字でのみ異なる場合があります。(これは、1つの単語をもう1つの単語のサブワードと組み合わせて使用できることが本当に必要な唯一の場所であることに注意してください。)
特別補題の場合(iii)、つまりs = u v 1 w 1 x 1 v 2 w 2 x 2 yおよびs ′ = u ′ v ′ 1 w ′ 1 x ′ 1 v ′ 2 w 「2のx " 2 yの"ように| あなた| = | u ′ | と| v 1w 1 x 1 | = | v ′ 1 w ′ 1 x ′ 1 | 、その後、 u = u ′および v 1 w 1 x 1 = v ′ 1 w ′ 1 x ′ 1も前の場合と同様に成り立つ。これで、h = u v h 1 w 1 x h 1 v 2 w 2X 2、Y ∈ Lと B H = Uは、V H 1を wは1 X H 1、V ' 2 wの' 2、X ' 2、Y ' ∈ L。以来、 V 2、マークされた文字が含まれています | v 2 w 2 x 2 y | ≥ トン、従って、これらの言葉は確かに違っ終了し、彼らの最後の有界多くの手紙だけが異なることができます。
これで結果の証明が終わりました。それでは、結果から元の質問を証明する方法を見てみましょう。
最終証明。 最初に、すべての整数値多項式fについて、系の条件が満たされることを示します。十分に大きいC = C (f )に対してt = p − 1およびn = C pを設定します。計画は、f (x i)≠ f (x jであるいくつかの数値x 1、… 、x 2 N(N = 2 n 3)を取ることです。)、次に、それぞれに十分に大きな数 zを追加して、目的の単語 s i = f (x i + z )を取得します fの次数が dの場合、最大で d個の数値が同じ値を取ることができるため、最初の 2 d N個の数値から x 1、… 、x 2 Nを選択できます。つまり、 log (d n )桁。この場合、 f (xi)= O ((d N )d)、したがって各 f (x i)は最大で d log N + O (1 )= O (log n )桁です。我々が選択した場合、Zがであると、N / Dの桁数は、 fは(zは)必要があります N桁、およびそれぞれについて、F (X I + Z )最後のO (log n )桁のみが異なります。F (X I + zが)全てがありますN又はN + 1桁、従って少なくとも半分、すなわち、Nそれらは同じ長さを有します。これらはs iです。
系の結論から、数a hとb hの無限に多くのペアを取得します。a h − b h | ≤ 2 B多項式のために明らかに不可能です。