Recursive and Recursively Enumerable sets I

Σχετικά έγγραφα
Θεώρημα Υπάρχουν υπολογίσιμες συναρτήσεις που δεν είναι πρωταρχικές αναδρομικές.

Πολλοί τρόποι περιγραφής αλγορίθμων. Όλοι είναι μηχανιστικά ισοδύναμοι και ειδικά ισοδύναμοι με μερικές αναδρομικές συναρτήσεις.

Μη επιλυσιμότητα I. Απόδειξη. Ορίζουμε # # =

Πολλοί τρόποι περιγραφής αλγορίθμων. Όλοι είναι μηχανιστικά ισοδύναμοι και ειδικά ισοδύναμοι με μερικές αναδρομικές συναρτήσεις

Το 10ο πρόβλημα του Hilbert I

Τυχαιότητα (Randomness) I

Μηχανές Turing (T.M) I

Σχήματα McCarthy I. Το σχήμα McCarthy είναι ένα γενικότερο προγραμματιστικό σχήμα:

Απαρίθμηση ζευγών φυσικών αριθμών I. C(0, 0) = 0 C(2, 1) = 7 κωδικοποίηση κατά Cantor D 1 (7)=2, D 2 (7)=1 : αποκωδικοποίηση

Υπολογισιμότητα και Πολυπλοκότητα Computability and Complexity

Υπολογίσιμες Συναρτήσεις

Αυτόματα και Υπολογιστικά Μοντέλα Automata and Models of Computation

Υπολογισιμότητα και Πολυπλοκότητα Computability and Complexity

Θεωρία Υπολογισμού και Πολυπλοκότητα Αναγωγές

L A P. w L A f(w) L B (10.1) u := f(w)

Υπολογισιμότητα και Πολυπλοκότητα Computability and Complexity

Αναδρομικές Συναρτήσεις και Σχέσεις I

CSC 314: Switching Theory

Υπολογιστική Πολυπλοκότητα

Υπολογιστική Πολυπλοκότητα

Πολυπλοκότητα. Παράμετροι της αποδοτικότητας ενός αλγόριθμου: Χρόνος εκτέλεσης. Απαιτούμενοι πόροι, π.χ. μνήμη, εύρος ζώνης. Προσπάθεια υλοποίησης

Υπολογισιμότητα και Πολυπλοκότητα Computability and Complexity

num(m(w 1 ;... ; w k )) = f(num(w 1 ),..., num(w k ))

Θεωρία Υπολογισμού και Πολυπλοκότητα

Σημειώσεις Λογικής I. Εαρινό Εξάμηνο Καθηγητής: Λ. Κυρούσης

Θεωρία Υπολογισμού και Πολυπλοκότητα

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ. Πρόλογος στη δεύτερη έκδοση

Chapter 7, 8 : Time, Space Complexity

ΕΠΛ 211: Θεωρία Υπολογισμού και Πολυπλοκότητας. Διάλεξη 15: Διαγνωσιμότητα (Επιλυσιμότητα) ΙΙ

ΘΕΩΡΙΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΩΝ ΚΑΙ ΑΥΤΟΜΑΤΩΝ

10.1 Υπολογίσιμες συναρτήσεις και αναδρομικά σύνολα

Υπολογισιμότητα και Πολυπλοκότητα Computability and Complexity

Θεωρία Υπολογισμού και Πολυπλοκότητα

Παραλλαγές και επεκτάσεις αυτομάτων I

Θεωρία Υπολογισμού και Πολυπλοκότητα

ILP-Feasibility conp

Υπολογισιμότητα και Πολυπλοκότητα Computability and Complexity

Σειρά Προβλημάτων 5 Λύσεις

Μη-Αριθμήσιμα Σύνολα, ιαγωνιοποίηση

Αλγόριθµοι και Πολυπλοκότητα

Σειρά Προβλημάτων 5 Λύσεις

Σειρά Προβλημάτων 5 Λύσεις

ΕΠΛ 211: Θεωρία Υπολογισμού και Πολυπλοκότητας. Διάλεξη 16: Αναγωγές

CSC 314: Switching Theory. Chapter 3: Turing Machines

ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ ΚΑΙ ΠΟΛΥΠΛΟΚΟΤΗΤΑ Φεβρουάριος 2005 Σύνολο μονάδων: 91

Blum Complexity. Αλγόριθμοι και Πολυπλοκότητα ΙΙ. Παναγιώτης Γροντάς. Δεκέμβριος

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 12: Θεωρία υπολογισµών

conp and Function Problems

Θεωρία Υπολογισμού και Πολυπλοκότητα Διαγνωσιμότητα

Μη Ντετερμινισμός και NP-Πληρότητα

Διάλεξη 18: Πρόβλημα Βυζαντινών Στρατηγών. ΕΠΛ 432: Κατανεμημένοι Αλγόριθμοι

Θεωρία Υπολογισμού Άρτιοι ΑΜ. Διδάσκων: Σταύρος Κολλιόπουλος. eclass.di.uoa.gr. Περιγραφή μαθήματος

Θεωρία Υπολογισμού Αρτιοι ΑΜ Διδάσκων: Σταύρος Κολλιόπουλος eclass.di.uoa.gr

Επίπεδα Γραφήματα : Προβλήματα και Υπολογιστική Πολυπλοκότητα

Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύ

Κεφάλαιο 3 ΠΑΡΑΓΩΓΟΣ. 3.1 Η έννοια της παραγώγου. y = f(x) f(x 0 ), = f(x 0 + x) f(x 0 )

ΕΠΛ 211: Θεωρία Υπολογισμού και Πολυπλοκότητας. Επανάληψη Μαθήματος

2 n N: 0, 1,..., n A n + 1 A

ΔΥΣΚΟΛΙΑ ΣΤΗΝ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΙΜΟΤΗΤΑ

Υπολογισιμότητα και Πολυπλοκότητα

Μη Ντετερμινισμός και NP-Πληρότητα

Απειροστικός Λογισμός Ι, χειμερινό εξάμηνο Λύσεις τέταρτου φυλλαδίου ασκήσεων. ( n(n+1) e 1 (

Υπολογιστική Πολυπλοκότητα Εξέταση Ιουνίου 2017 Σελ. 1 από 5

Λύσεις 4ης Σειράς Ασκήσεων

Σειρά Προβλημάτων 5 Λύσεις

Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών 4ο εξάμηνο ΣHMΜY

Πλακίδια του Wang C πεπερασμένο σύνολο χρωμάτων.

Φροντιστήριο 11 Λύσεις

ΑΚΟΛΟΥΘΙΕΣ ΣΕΙΡΕΣ. Ορισμός 1. Μια 1 1 (ένα προς ένα) συνάρτηση με πεδίο ορισμού το και πεδίο τιμών ένα υποσύνολο X του, δηλαδή μία 1 1 συνάρτηση

ΕΠΛ 211: Θεωρία Υπολογισμού και Πολυπλοκότητας. Διάλεξη 18: Χρονική και Χωρική Πολυπλοκότητα

Περιεχόμενα. Πρόλογος 3

Αλγόριθμοι για αυτόματα

Chapter 7, 8 : Time, Space Complexity

Μια TM µπορεί ένα από τα δύο: να αποφασίζει µια γλώσσα L. να αναγνωρίζει (ηµιαποφασίζει) µια γλώσσα L. 1. Η TM «εκτελεί» τον απαριθµητή, E.

Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύ

2.2 ΠΑΡΑΓΩΓΙΣΙΜΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ-ΠΑΡΑΓΩΓΟΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΗ

Θεωρία Γραφημάτων Θεμελιώσεις-Αλγόριθμοι-Εφαρμογές

Αποφασισιµότητα / Αναγνωρισιµότητα. Μη Επιλύσιµα Προβλήµατα. Η έννοια της αναγωγής. Τερµατίζει µια δεδοµένη TM για δεδοµένη είσοδο;

Ασκήσεις Επανάληψης. Επανάληψη Εαρινό Εξάμηνο 2019 Σελίδα 1

Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών

f(t) = (1 t)a + tb. f(n) =

Θεωρία Υπολογισµού Theory of Computation

Chapter 7, 8 : Completeness

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ

β) 3 n < n!, n > 6 i i! = (n + 1)! 1, n 1 i=1

2. Β Εξισώσεις Με Απόλυτες Τιμές

Περιεχόμενα. 1 Υπολογισιμότητα. Ιστορία - Εισαγωγή. Μαθηματικό Υπόβαθρο. LOOP: Μια απλή γλώσσα προγραμματισμού

Στοιχεία Θεωρίας Υπολογισμού

Κατανεμημένα Συστήματα Ι

Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών

Μη γράφετε στο πίσω μέρος της σελίδας

Αυτόματα και Υπολογιστικά Μοντέλα Automata and Models of Computation

Αυτόματα και Υπολογιστικά Μοντέλα Automata and Models of Computation

ΕΠΛ 211: Θεωρία Υπολογισμού και Πολυπλοκότητας. Διάλεξη 13: Παραλλαγές Μηχανών Turing και Περιγραφή Αλγορίθμων

Υπολογιστικά & Διακριτά Μαθηματικά

Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών

Σειρά Προβλημάτων 5 Λύσεις

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ

KΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΧΡΗΣΙΜΕΣ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ. { 1,2,3,..., n,...

ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ. x A αντιστοιχίζεται (συσχετίζεται) με ένα μόνο. = ονομάζεται εξίσωση της

Transcript:

Recursive and Recursively Enumerable sets I Ορισμός Το σύνολο A είναι αναδρομικό ανν η χαρακτηριστική του συνάρτηση X A είναι αναδρομική. Το σύνολο A είναι αναδρομικά αριθμήσιμο (recursively enumerable) ανν A = H ή A = πεδίο τιμών της f (A = ran(f)) για κάποια αναδρομική συνάρτηση f. Εξηγήσεις: - To σύνολο A είναι αναδρομικό (αποκρίσιμο) αν υπάρχει πρόγραμμα που μπορεί να αποφαίνεται για το ερώτημα: δεδoμένου του αριθμού n, είναι το n στοιχείο του συνόλου A;. - Το σύνολο A είναι αναδρομικά αριθμήσιμο (καταγράψιμο, r.e.) αν υπάρχει πρόγραμμα που (χωρίς είσοδο) δίνει στην έξοδο όλα τα στοιχεία του συνόλου A (σε οποιαδήποτε σειρά). Διδάσκων: Στάθης Ζάχος ( CoReLab - NTUA) Υπολ. & Πολυπλ. Φεβρουάριος 2017 158 / 310

Recursive and Recursively Enumerable sets II Παράδειγμα - Το K = tx φ x(x) Óu δεν είναι αναδρομικό (μη επιλυσιμότητα του προβλήματος τερματισμού). - Το K είναι r.e. (Μπορούμε να κατασκευάσουμε πρόγραμμα που ξεκινά διαδοχικά και τρέχει παράλληλα με τη μέθοδο dovetaling όλα τα προγράμματα while και όταν κάποιο από αυτά σταματάει βγάζει στην έξοδο το δείκτη του). - Το K δεν είναι ούτε r.e. (γιατί αν και το K και το K ήταν r.e., τότε το K θα ήταν αναδρομικό: λεπτομέριες αργότερα). Διδάσκων: Στάθης Ζάχος ( CoReLab - NTUA) Υπολ. & Πολυπλ. Φεβρουάριος 2017 159 / 310

Recursive and Recursively Enumerable sets III Θεώρημα 1 Το A είναι r.e. 2 ανν A = dom(f) (πεδίο ορισμού), όπου f P PR 3 ανν A = ran(f), όπου f P PR 4 ανν A = H ή A = ran(f), όπου f P P 5 ανν A = tx Dy R(x, y)u, όπου R αναδρομική 6 ανν το A είναι while-καταγράψιμο 7 ανν το A είναι Turing-καταγράψιμο 8 ανν το A είναι (while- ή) Turing-αποδεκτό (acceptable), δηλ. μπορεί να αναγνωριστεί από (πρόγραμμα while ή από) μηχανή Turing (η μηχανή Turing (πρόγραμμα while)) σταματά για κάθε x P A και δε σταματά για x R A) 9 αν = graph(f), όπου f P PR Διδάσκων: Στάθης Ζάχος ( CoReLab - NTUA) Υπολ. & Πολυπλ. Φεβρουάριος 2017 160 / 310

Recursive and Recursively Enumerable sets IV Παρατηρήσεις: Από το πρώτο ανν του θεωρήματος και από μια μηχανιστική απαρίθμηση tφ iu όλων των μερικών αναδρομικών συναρτήσεων μπορούμε να λάβουμε μια μηχανιστική απαρίθμηση tw iu όλων των r.e. συνόλων (= πεδίων ορισμού των tφ iu). K = tx φ x (x) Óu = tx x P W x u W i = tx φ i (x) Óu = dom(φ i ) Διδάσκων: Στάθης Ζάχος ( CoReLab - NTUA) Υπολ. & Πολυπλ. Φεβρουάριος 2017 161 / 310

Recursive and Recursively Enumerable sets V Θεώρημα Το A είναι αναδρομικό ανν το A και το A είναι r.e.. Απόδειξη. ñ : Έστω A αναδρομικό, δηλαδή υπάρχει πρόγραμμα π που αποφαίνεται για το A. Κατασκευάζουμε πρόγραμμα που εκτελεί το π επανειλημμένα για να αποφανθεί για όλες τις εισόδους: 0, 1, 2,.... Κατ αυτόν τον τρόπο μπορούν να απαριθμηθούν το A και το A. ð : Έστω A και A r.e., δηλ. υπάρχουν δύο προγράμματα π 1, και π 2 που απαριθμούν (καταγράφουν) το A και το A αντιστοίχως. Κατασκευάζουμε πρόγραμμα που ελέγχει αν n P A τρέχοντας εν παραλλήλω το π 1 και το π 2. Το n θα εμφανιστεί κάποτε είτε στην έξοδο του π 1 είτε στην έξοδο του π 2. Ετσι τότε θα αποφασίσει το πρόγραμμα αν n P A ή όχι (φυσικά δεν είναι γνωστό πόσος χρόνος θα χρειαστεί για να απαντηθεί το ερώτημα: n P A; ). Διδάσκων: Στάθης Ζάχος ( CoReLab - NTUA) Υπολ. & Πολυπλ. Φεβρουάριος 2017 162 / 310

Recursive and Recursively Enumerable sets VI Θεώρημα Το A είναι αναδρομικό ανν A = ran(f), όπου f γνησίως αύξουσα αναδρομική συνάρτηση ή το A είναι πεπερασμένο σύνολο. Απόδειξη: ð : Αν το A είναι πεπερασμένο, τότε είναι προφανώς και αναδρομικό. Αν A = ran(f), όπου f γνησίως αύξουσα, τρέχουμε διαδοχικά προγράμματα f(0), f(1),... μέχρι η f(k) να γίνει μεγαλύτερη ή ίση από την είσοδο μας x. Σε αυτό το σημείο αποφασίζεται αν x P A ή x R A. ñ : Εστω μη πεπερασμένο αναδρομικό σύνολο A. Αν διατάξουμε τα στοιχεία του A με αύξουσα σειρά, τότε η συνάρτηση f(x) = a x (x στοιχείο του A) είναι γνησίως αύξουσα και υπολογίζεται από το ακόλουθο πρόγραμμα π (με είσοδο x και έξοδο y): z := 0; y := 0; while z ď x do if y P A then z := z + 1; y := y + 1 end; y := y 1 Παρατήρηση: Επειδή το A είναι άπειρο η f είναι ολική. Διδάσκων: Στάθης Ζάχος ( CoReLab - NTUA) Υπολ. & Πολυπλ. Φεβρουάριος 2017 163 / 310

Recursive and Recursively Enumerable sets VII Παρατήρηση Η κλάση των αναδρομικών σχέσεων είναι κλειστή ως προς: όλες τις λογικές πράξεις (ένωση, τομή, συμπλήρωμα) και ως προς φραγμένους ποσοδείκτες (bounded quantification, @ ă, D ă). Η κλάση (RE) των recursively enumerable σχέσεων είναι κλειστή ως προς: ένωση και τομή και όχι όμως και ως προς συμπλήρωμα. φραγμένο καθολικό ποσοδείκτη (bounded universal quantification: @ ă) και μη φραγμένο υπαρξιακό ποσοδείκτη (unbounded existential quantification: D). Διδάσκων: Στάθης Ζάχος ( CoReLab - NTUA) Υπολ. & Πολυπλ. Φεβρουάριος 2017 164 / 310

Recursive and Recursively Enumerable sets VIII Ορμώμενοι από τις αναγωγές που κάναμε του HP, για παράδειγμα, σε άλλα προβλήματα, εισάγουμε τώρα την έννοια της αναγωγιμότητας (reducibility). Ορισμός A ď m B : (A είναι (πολλά-ένα) αναγώγιμο στο B): Dg P R @n : (n P A Ø g(n) P B). Αν επιπλέον η g είναι 1-1, τότε γράφουμε A ď 1 B (το A είναι ένα προς ένα αναγώγιμο στο B). Αν η συνάρτηση g είναι πολυωνυμικής πολυπλοκότητας μιλάμε για αναγωγή πολυωνυμικού χρόνου και συμβολίζουμε A ď p m B (αναγωγή κατά Karp). Θεώρημα α) ď m είναι ανακλαστική και μεταβατική. β) A ď m B ñ A ď m B γ) A ď m B ^ B αναδρομικό ñ αναδρομικό [ή : A ď m B ^ A μη επιλύσιμο ñ B μη επιλύσιμο ] δ) A ď m B ^ B r.e. ñ A r.e. Διδάσκων: Στάθης Ζάχος ( CoReLab - NTUA) Υπολ. & Πολυπλ. Φεβρουάριος 2017 165 / 310

Recursive and Recursively Enumerable sets IX Ορισμός A m B : A ď m B ^ B ď m A Παρατήρηση Η m είναι σχέση ισοδυναμίας και διαβάζεται έχουν τον ίδιο βαθμό (μη) επιλυσιμότητας (have the same degree of unsolvability). Εστω C μια κλάση από σύνολα (π.χ. RE η κλάση των r.e. συνόλων). Ορισμός B είναι δύσκολο (hard) στην C ως προς ď m : @A P C : A ď m B Ορισμός B είναι πλήρες (complete) στην C ως προς ď m : B P C και είναι δύσκολο στην C ως προς ď m. Διδάσκων: Στάθης Ζάχος ( CoReLab - NTUA) Υπολ. & Πολυπλ. Φεβρουάριος 2017 166 / 310

Recursive and Recursively Enumerable sets X Παρατήρηση: Π.χ. αν C = NP έχουμε προβλήματα (ή σύνολα) πλήρη στην NP (NP είναι η κλάση προβλημάτων υπολογιστών μη ντετερμινιστικά σε πολυωνυμικό χρόνο) [ως προς αναγωγή πολυωνυμικού χρόνου]. Η χρησιμότητα της έννοιας του NP-πλήρους προβλήματος φαίνεται και από το εξής: Αν ένα NP-πλήρες πρόβλημα A αποδειχθεί ότι επιλύεται με πολυωνυμικού χρόνου ντετερμινιστικό αλγόριθμο, τότε κάθε NP πρόβλημα θα επιλύεται επίσης με πολυωνυμικό (ντετερμινιστικό) αλγόριθμο, αφού ανάγεται πολυωνυμικά στο A. Διδάσκων: Στάθης Ζάχος ( CoReLab - NTUA) Υπολ. & Πολυπλ. Φεβρουάριος 2017 167 / 310

Recursive and Recursively Enumerable sets XI Θεώρημα α) Το B είναι πλήρες στην RE B ď m C Το C είναι r.e. β) A και B είναι πλήρη στην RE ñ A m B γ) Το K είναι πλήρες στην RE.,. - ñ C πλήρες στην RE. Απόδειξη: Άσκηση Διδάσκων: Στάθης Ζάχος ( CoReLab - NTUA) Υπολ. & Πολυπλ. Φεβρουάριος 2017 168 / 310