多項式のコドメインのBase-k表現-コンテキストフリーですか?


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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 p(n)P N Np(n)NN NnN { P N | N 0 } {p(n)n0}P p11

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?


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もしk = 1k=1(単項表現)をも最も単純なp n = n 2p(n)=n2文脈自由(周知の非CF言語でないL = { 1 n 2 }L={1n2}
マルツィオデBIASI

@MarzioDeBiasiいわゆる単項表現はbase- 1ではありません11。実際の塩基でのみ整数表現11あろう00
エミールイェジャベクはモニカをサポートします

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@EmilJeřábek:多くのコンテキストで、base-1は "単項表現"のエイリアスだと思います。
マルツィオ

回答:


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もちろん、ここではK 2k2です。

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。


についてはすでに解かれていますか?(私はそれを証明するためのアイデア持って、それが動作するかどうか、同じ技術は、おそらく他の塩基にも適用することができる)k = 2 k = 2k=2k=2
マルツィオ・デ・BIASI

私の答えについて、あなたからのフィードバックをいただければ幸いです。
domotorp

申し立てられた解決策を理解できません、申し訳ありません。
ジェフリーシャリット

さらに詳細な回答を投稿しました。完全なステートメントは非常に複雑なので、その前にいくつかのより単純な補題を追加しました。
domotorp

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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 k=2L = { [ N 2 ] 2 | N 1 } L={[n2]2n1}[ N 2 ] 2 [n2]2N 2n2 [ 4 2 ] 2 = 00001[42]2=00001

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 LR RL RLRはまだコンテキストに依存せず、正方形のバイナリ表現を含む必要があります。次に、正方形の表現ではないバイナリ文字列を取得するために、CF言語にポンピング補題を適用します。

LL11桁の小さな有限数のみを含む通常の単語と交差させることは、有望ではありません。それは4つのその最大判明11R = { 0 * 1 } { 0 * 10 * 1 } { 0 * 10 * 10 * 1 } { 0 * 10 * 10 * 10 * 1 } (R={01},{0101},{010101},{01010101})我々 GET CF言語。と5 11 数字は、明らかに難しい数論の問題になります。

有望なアプローチは、LLR = 1を交差させることです。0 +1 +0 +1R=10+1+0+1 ; これは、 LLを正方形に制限するのと同じです。

n 2 = 2 0 + 2 a2 b1 + 2 b + c1 < a b c

n2=20+2a((2b1)+2b+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00を含む非公式の奇数の正方形)。1

    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 a2 b1 + 2 b + c;0 < c 3 < a < b20+2a((2b1)+2b+c);0<c,3<a<bは、次の場合にのみ正方形です。

b = 2 a 3 c = a 3

b=2a3,c=a3

(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、LR(我々はほとんどの二つの「セグメント」にポンピングすることができるポンプの補題を使って文脈自由ではありません100..0011 ... 1100.001100..0011...1100.001文字列)。したがって、LLもコンテキストに依存しません。

おそらく、同じ手法を任意のベースkにk適用できます。


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ベース2のn 2の結果は、長い間知られています。課題は、整数を整数にマッピングするすべての多項式とすべての基底に対して、このような構造を作成することです。(n2)
ジェフリーシャリット

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私たちも非常に似ているので、この問題について考えるのに最後の数日間を費やしましたが、まったく別のアプローチを取っています。
-domotorp

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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L場合、無限に多くのnに対してn、最初のn 2文字が同じで最後のn文字が異なる(ペアワイズ)等しい長さのn 6n6語がある場合、無限に多くあるようなBがあります対U V Lその最後のみが異なる同じ長さのBの文字。n2nBu,vLB

したがって、uuvvが2進数を表す場合、その差は最大で2 B2Bであり、多項式では不可能です。一方、いくつかの数論では、すべての整数多項式値のための条件が満たされることを示すことができるPはp:任意取るX 1... X nは6x1,,xn6れるF X IF XのJf(xi)f(xj)、および次に、それぞれに十分に大きい数NNを追加して、目的の単語f x i + N f(xi+N)

補題の証明。条件を満足する長さw 1w n 6の n 6ワードが存在するように、十分に大きいnをn取ります。w iごとに、文脈自由文法から生成される方法を修正します。(警告!私はこの分野の専門家ではないので、適切な用語を使用しないかもしれません。)n6w1,,wn6wi

bcが両方ともAから派生し、bBから派生し、cCから派生している場合、ルールA B CABC の適用により、最終単語の2文字bc分割されるとします。各ルールは、最大でO 1 )個w iの文字を互いに分割します。bcbcAbBcCO(1)wi

任意のw iwiには、最初のn 2文字の間にΩ n )のΩ(n)連続した文字があり、これらの規則を適用している間、最後のn文字の2 文字が互いに分割されないように、いくつかの連続した規則によって互いに分割されます。私たちは手紙のために、まとめこれらのルールを記述する場合のw としてA IB 1 I B 2 I ... B nは、私は、最後からの手紙n個の文字が由来されていないBのjの私がのためにn2nwiAiB1iB2iBninBjij < nj<n、および B 1 i B 2 iB n 1 iB1iB2iBn1iはすべて、最初の n 2n2文字の一部に変換されます。nが十分に大きい場合、ポンピング補題をルール A iB 1 i B 2 iB n iにAiB1iB2iBni適用できます。n

n 2のみ2(n22) ΩnΩ(n)文字の間隔の選択、OnO(n)ポンピング補題が与えるものに関するオプション(O1)のO(1)長さがあるので)同じ。しかし、その後、これらの2つの単語の任意の長さの共通の初期部分を取得できますが、最後のnnビットのみが異なることがわかります。


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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LLが存在するPpいずれかからように、p個のpワードS 1... S PLs1,,spL我々は、2つの、選択することができssのように記述することができ、S = U 、V 、W のX 、Ys=uvwxyおよびSは' = U ' 、V ' 、W ' 、X ' 、Y 's=uvwxyように1 | v x| P1|vx|p 1 | v x | P1|vx|pと各単語 ˉ U ˉ V 1 ... ˉ V N ˉ W ˉ X N ... ˉ X 1つのˉ YLu¯v¯1v¯nw¯x¯nx¯1y¯L ˉ Wは、w¯のいずれかであることができる wのw又は W 'w、および同様に、 ˉ V iはv¯iいずれかとすることができる、Vv又は v vおよびˉ X iはx¯iいずれかとすることができるXxまたはX'xが、それだけよう ˉ V iは=Vのv¯i=v場合にのみ ˉ X I=Xx¯i=x(従って ˉ V iは=Vをv¯i=v場合にのみ ˉ X I=X'x¯i=x)、及び ˉ U =uのu¯=u場合にのみ ˉ Y =Yy¯=y及び ˉ U =U'u¯=u場合にのみ ˉ Y= y y¯=y。また、代わりの場合、Pp、我々が与えられる Pは N + 44p(n+44)長さnのn単語、さらに選択された2つの単語について| あなた| =| u| |u|=|u|| v| =| v| |v|=|v|| w| =| w| |w|=|w|| x| =| x| |x|=|x|| y| =| y| |y|=|y|

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sss 'sを選択するだけです。これは、ルールの数が一定しかないため、ppが十分に大きい場合に実行できます。実際、同じルールがポンプで送られる必要はありませんが、ポンプされたルールで非終端記号が同じであることだけが必要です。また一部のために、予告長さのワードのためにそのNnだけ存在する N + 44(n+44)オプションは5つのサブワードに分割できます。したがって、ステートメントは鳩の巣の原則に従います。

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LLあり、Ppいずれかのように、Kkの任意のワードS LのsLように書くことができ、S = U 、V 1 ... VのK W 、X 、K ... X 1 Ys=uv1vkwxkx1yようiは1 | v i x i | P i 1|vixi|p、すべての配列についてのI 、J m個のJ = 1(ij)mj=1ワードUは、V 、I 1 ... V iは、mは、W 、X iがmで ... xはI 1、Y Luvi1vimwximxi1yL

インデックスi jij11からkkまでの任意のものであり、同じインデックスが複数回出現する可能性があることに注意してください。入れ子になったポンピング補題の証明は、元のポンピング補題と本質的に同じです。使用する必要があるのは、それ自体から同じ非終端記号をkk回取得することです。これは、p k 1 + 1p(k1)+1ステップ(元のポンピング補題からのpのp代わり)。同様の方法でオグデンの補題を強化することもできます。

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LLあり、Ppいずれかのように、Kkの任意の少なくともマーキングのp k個のpk任意の単語の位置S LがsL、それはのように書くことができ、S = U 、V 1 ... VのK W 、X 、K ... X 1つの Yがs=uv1vkwxkx1yその結果I 1  i 1 '内のマークの#V I X Ivixi ' のp Kpk、すべての配列についてIJ m個のJ = 1(ij)mj=1ワード Uは、V 、I 1 ... V iは、mは wは、X iは、mは ... xはIを1つの Y Luvi1vimwximxi1yL

残念ながら、このアプリケーションではp kpkが大きすぎるため、ネストされていないv ivi - x ixiペアを許可するために結論を弱める必要があります。幸い、ディルワースを使用すると、構造はシンプルなままです。

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LLあり、PpいずれかのようにK k,任意少なくともマーキングのp k個のℓのpk任意の単語の位置S LをsL、それがいずれかのように書くことができます。

ケース(i):s = u v 1v k w x kx 1 ys=uv1vkwxkx1yまたはas

ケース(II):S = U 、V 1 、W 1 、X 1 ... V W X Ys=uv1w1x1vwxy

その結果I 1  i 1 '内のマークの#V I X Ivixi ' PのK pk、すべての配列についてのI 、J m個のJ = 1(ij)mj=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uvi1vimwximxi1yL、そして

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 W X I Y Luvi11w1xi11viwxiyL

証明:sをs生成する派生ツリーを取得します。派生ツリーで自身の下に再び表示される場合、非ターミナルを繰り返し呼び出します。ルールセットを拡張することにより、派生ツリーですべての非終端記号が繰り返し発生していると想定できます。(これは、我々が彼らの再発をなくしたかもしれないことを理解すべきであり、これは問題ではない、ポイントは、彼らがポンピングすることができるということである。)少なくともありのp k個のℓのpk葉がマークされた位置に対応します。2つのマークされた文字が分割されているノードを確認します。このようなノードは少なくともΩ p k such )ありΩ(pk)ます。鳩の巣原理によって、少なくともΩ p個のk個のΩ(pk)同じ非端末に対応します。ディルワースを使用して、 Ω Ω(pk)それらの p kはチェーンまたはΩPのΩ(p)場合、それぞれの場合に式(I)を与え、antichainであり、および(ii)pがp十分な大きさです。

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LLあり、PpいずれかのようにK k,同じ少なくともマーキングのp k個のℓのpk中に位置N 最大P 、N 2 、K + 2P N 3 + 1Nmax(pn2k+2,pn3+1)ワードS 1は... sはNLs1,,sNLの長さのそれぞれ、nはn、二つの単語があり、s'ss = u v 1v k w x kx 1 ys=uv1vkwxkx1yおよびs = u v 1v k w x kx 1 y s=uv1vkwxkx1y ORまたはs = u V 1 、W 1 、X 1 ... V W X Ys=uv1w1x1vwxyそしてsは' = U ' 、V ' 1、W ' 1、X ' 1 ... V ' W ' X ' Y 's=uv1w1x1vwxyこのようなサブワードのそれぞれの長さが全て同じこと、すなわち、| あなた| = | u | |u|=|u|| v i | = | v i | |vi|=|vi|など、および私はi V iのxはIをvixiマークが含まれており、すべてのシーケンスのためのI 、J m個のJ = 1つの(ij)mj=1ワードˉ U ˉ V I 1 ... ˉ V iがm個ˉ W ˉ X iは、mは ... ˉ X I 1 ˉ YLu¯v¯i1v¯imw¯x¯imx¯i1y¯L OR ˉ U ˉ V Iを1 1 ˉ ワット 1 ˉ X I 1 1 ... ˉ のV のi ˉ W ˉ X I ˉ YLu¯v¯i11w¯1x¯i11v¯iw¯x¯iy¯Lそれぞれ、 ˉ Zはz¯を表し、Zz又はZ'z、すなわち、我々は自由から中間サブワードを混在させることができ、Ssおよびsは'sが、唯一のよう ˉ U =uのu¯=u場合のみなら ˉ Y =Yy¯=y

スーパー補題の証明スケッチ:各s iにsiディルワースオグデンの補題を適用します。あります n + 2 k + 22 K + 2(n+2k+22k+2)及び N+3+13 + 1(n+3+13+1)のサブワード境界それぞれの可能なオプションは、sはiがsiあってもよいです。そこ非端末の一定数は、場合従って鳩の巣原理により、言語であり、pがp十分な大きさであり、同じ非端末がでポンピングされるKk/ℓの、少なくとも二つの単語のためのルールss、すなわちサブワード境界も同じです。

残念ながら、この補題から得られる数NNは、アプリケーションには大きすぎます。ただし、サブワード間の一致を少なくすることで、それを減らすことができます。次に、使用する補題を示します。

特別補題。 すべての文脈自由言語のためのLLあり、PpいずれかのようなKk少なくとも同じマーキングのp k個pkの位置N = PのK N 2N=pkn2ワードS 1... sはNLはs1,,sNL、長さの各Nn、ある二つs = u v 1v k w x k …のように記述できる単語ssおよびs sX 1、Ys=uv1vkwxkx1yおよび sの' = U ' 、V ' 1 ... V ' K W ' 、X ' 、K ... X ' 1、Y 's=uv1vkwxkx1yその結果、いずれか

(i)の場合: I < kのi<kように| x i | = | x i | = 0|xi|=|xi|=0| u v 1v i 1 | = | u v 1v i 1 | |uv1vi1|=|uv1vi1|、および| v i | = | v i | |vi|=|vi|(つまり、後者の2つの条件は、V 私はviの位置と同じである V 私はvi)、OR

ケース(II): I < K i<k | x i | 1|xi|1| x i | 1|xi|1| u v 1v k 1 | = | u v 1v k 1 | |uv1vk1|=|uv1vk1|| v k w x k | = | v k w xK | |vkwxk|=|vkwxk|(つまり、これら2つの条件は、vkwxkvkwxkの位置がvk wxkvkwxkの位置と同じであることを意味します)、

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 YLˉ 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、SS "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 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 || 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 LU ' 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NN 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ように見えます)私はdは電子をN dは、私、このようなことを| s b e g i | =pt+1| s m i d i | =npt+1t| s e n d i | =トン、およびIJ 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、 HbはHL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 3P 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 1v t + 1 w x t + 1x 1 yおよびsを取得する = u v 1v t + 1 w x t + 1x 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 w2 x2 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、このようなことを| x i | = | x i | = 0| u v 1v i 1 | = | u v 1v i 1 | 、および| v i | = | v i | 、次にu v 1v i 1 = u v 1v 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 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 hb 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 1v t | = | u v 1v t | | v t + 1 w x t + 1 | = | v t+ 1 wxt + 1 | 、それからuv1vt=uv1vtも前の場合と同様に成り立つ。これでh=uv1vtv h t + 1 wx h t + 1 xtx1yおよびbh = u v 1v t v h t + 1 w x h t + 1 x tx 1 y ; 以来 | x tx 1 y | = | x tx 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 | | 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 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 if x jであるいくつかの数値x 1x 2 NN = 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 1x 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 hb hの無限に多くのペアを取得しますa hb h | 2 B多項式のために明らかに不可能です。

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