2.8

Леммы о накачке

[20/55%]
Показать
LaTeX
Пример 2.58

{0p∣p — простое число}\left\{ 0^{p} \mid p\text{ — простое число}\right\} не является регулярным языком.

?
Пример 2.60

{0n1n∣n≥0}\left\{ 0^{n} 1^{n} \mid n \geq 0\right\} не является регулярным языком.

?
Пример 2.61

Покажите, что L={ββR∣β∈{0,1}+}L=\left\{ \beta \beta^{R} \mid \beta \in \left\{ 0,1\right\}^{+}\right\} не является регулярным языком.

?
Пример 2.62

Покажите, что L={ββRγ∣β∈{0,1}+,γ∈{0,1}∗}L=\left\{ \beta \beta^{R} \gamma \mid \beta \in \left\{ 0,1\right\}^{+}, \gamma \in \left\{ 0,1\right\}^{*}\right\} не является регулярным.

?
Пример 2.63

Покажите, что язык L={0n10m10p10q∣n,m,p≥1,q≡nm( mod p)}L=\left\{ 0^{n} 10^{m} 10^{p} 10^{q} \mid n, m, p \geq 1, q \equiv n m(\bmod p)\right\} не является регулярным.

?
Пример 2.64

Рассмотрим следующую таблицу умножения на {a,b,c}\left\{ a, b, c\right\}:

×\timesaabbcc
aaaaaacc
bbccaabb
ccbbccaa

Напомним, из примера 2.28, что для любой строки xx из {a,b,c}+\left\{ a, b, c\right\}^{+}, value⁡(x)\operatorname {value}(x) обозначает значение, получаемое перемножением символов xx слева направо. Покажите, что множество

L={xy  :  x,y∈{a,b,c}∗,∣x∣=∣y∣,value⁡(x)=value⁡(y)} L=\left\{ x y \; : \; x, y \in \left\{ a, b, c\right\} ^{*},\left|x\right|=\left|y\right|, \operatorname {value}(x)=\operatorname {value}(y)\right\}

не является регулярным.

?
Пример 2.65

Покажите, что множество LL всех строк над алфавитом

Γ={[000],[100],[010],[001],[110],[101],[011],[111]} \Gamma =\left\{ \left[\begin{smallmatrix} 0 \\ 0 \\ 0 \end{smallmatrix}\right],\left[\begin{smallmatrix} 1 \\ 0 \\ 0 \end{smallmatrix}\right],\left[\begin{smallmatrix} 0 \\ 1 \\ 0 \end{smallmatrix}\right],\left[\begin{smallmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{smallmatrix}\right],\left[\begin{smallmatrix} 1 \\ 1 \\ 0 \end{smallmatrix}\right],\left[\begin{smallmatrix} 1 \\ 0 \\ 1 \end{smallmatrix}\right],\left[\begin{smallmatrix} 0 \\ 1 \\ 1 \end{smallmatrix}\right],\left[\begin{smallmatrix} 1 \\ 1 \\ 1 \end{smallmatrix}\right]\right\}

представляющих корректное умножение, не является регулярным. Например, из соотношения

00111×010111111 \begin{array}{r} 00111 \\ \times \quad 01011 \\ \hline 1111 \end{array}

следует, что данная строка принадлежит LL:

[001][011][101][111] \left[\begin{smallmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{smallmatrix}\right]\left[\begin{smallmatrix} 0 \\ 1 \\ 1 \end{smallmatrix}\right]\left[\begin{smallmatrix} 1 \\ 0 \\ 1 \end{smallmatrix}\right]\left[\begin{smallmatrix} 1 \\ 1 \\ 1 \end{smallmatrix}\right]
?
Пример 2.66

Покажите, что множество L2L_{2} двоичных представлений целых чисел из множества A={2n∣n≥1}A=\left\{ 2^{n} \mid n \geq 1\right\} регулярно, а множество L3L_{3} троичных представлений (представлений по основанию 3) целых чисел из AA не является регулярным.

?
Пример 2.67

Покажите, что L={w∈{0,1}∗∣#0(w)≠#1(w)}L=\left\{ w \in \left\{ 0,1\right\}^{*} \mid \#_{0}(w) \neq \#_{1}(w)\right\} не является регулярным.

?
Пример 2.68

Покажите, что L={anbmck∣n,m,k≥0,n≠m или m≠k или k≠n}L=\left\{ a^{n} b^{m} c^{k} \mid n, m, k \geq 0, n \neq m\text{ или }m \neq k\text{ или }k \neq n\right\} не является регулярным.

?
Пример 2.69

Пусть LL — регулярный язык. Покажите, что

L′={xz∣(∃y)[∣x∣=∣y∣=∣z∣ and xyz∈L]} L^{\prime }=\left\{ x z \mid (\exists y)[\left|x\right|=\left|y\right|=\left|z\right| \text{ and } x y z \in L]\right\}

не обязательно регулярен.

?
Задача 2.8.1

Покажите, что следующие языки не являются регулярными.

?
(a)

{0n3+3n2−2n∣n≥0}\left\{ 0^{n^{3}+3 n^{2}-2 n} \mid n \geq 0\right\}.

(b)

{0p1q0m1n∣p+q=m+n,p,q,m,n≥0}\left\{ 0^{p} 1^{q} 0^{m} 1^{n} \mid p+q=m+n, p, q, m, n \geq 0\right\}.

(c)

{0m1n∣m,n≥0 and m≠2n+1}\left\{ 0^{m} 1^{n} \mid m, n \geq 0\text{ and }m \neq 2 n+1\right\}.

(d)

{0m1n∣2n≤m≤3n,m,n≥0}\left\{ 0^{m} 1^{n} \mid 2 n \leq m \leq 3 n, m, n \geq 0\right\}.

(e)

{w∈{0,1,2}∗∣#0(w)+#1(w)=#2(w)}\left\{ w \in \left\{ 0, 1, 2\right\}^{*} \mid \#_{0}(w)+\#_{1}(w)=\#_{2}(w)\right\}.

(f)

{0pq∣p and q are primes }\left\{ 0^{p q} \mid p\text{ and }q\text{ are primes }\right\}.

Задача 2.8.2

Для каждого из следующих языков определите, является ли он регулярным. Приведите доказательство своего ответа.

?
(a)

Множество двоичных строк с равным числом 0 и 1.

(b)

Множество двоичных строк с равным числом вхождений 01 и 10.

(c)

Множество двоичных строк с равным числом вхождений 010 и 101.

(d)

{xy∣x,y∈{0,1}∗,∣x∣=∣y∣,#0(x)≥#0(y)}\left\{ x y \mid x, y \in \left\{ 0,1\right\}^{*},\left|x\right|=\left|y\right|, \#_{0}(x) \geq \#_{0}(y)\right\}.

(e)

{xyz∣x,y,z∈{0,1}∗,∣x∣=∣z∣>0,#0(x)≥#0(z)}\left\{ x y z \mid x, y, z \in \left\{ 0,1\right\}^{*},\left|x\right|=\left|z\right|>0, \#_{0}(x) \geq \#_{0}(z)\right\}.

(f)

{x#y#z∣x,y,z — двоичные представления положительных целых чисел, удовлетворяющие x+y=z}\left\{ x \# y \# z \mid x, y, z\text{ — двоичные представления положительных целых чисел, удовлетворяющие }x+y=z\right\}.

Задача 2.8.3

Пусть Γ\Gamma — алфавит из примера 2.65.

?
(a)

Покажите, что множество LL всех строк над алфавитом Γ\Gamma, представляющих корректное деление, не является регулярным. Например,

11111×01100100011 \begin{array}{r} 11111 \\ \times \quad 011001 \\ \hline 00011 \end{array}

из этого следует, что данная строка принадлежит LL:

[100][110][101][111]. \left[\begin{smallmatrix} 1 \\ 0 \\ 0 \end{smallmatrix}\right]\left[\begin{smallmatrix} 1 \\ 1 \\ 0 \end{smallmatrix}\right]\left[\begin{smallmatrix} 1 \\ 0 \\ 1 \end{smallmatrix}\right]\left[\begin{smallmatrix} 1 \\ 1 \\ 1 \end{smallmatrix}\right].
(b)

Покажите, что множество всех строк над Γ\Gamma, представляющих корректное умножение, у которых второй множитель равен 3, является регулярным.

Задача 2.8.4

Верно ли, что для любого регулярного языка LL над {0,1}\left\{ 0,1\right\} множество N(L)={0#0(x)1#1(x)∣x∈L}N(L)= \left\{ 0^{\#_{0}(x)} 1^{\#_{1}(x)} \mid x \in L\right\} также регулярно? Докажите свой ответ.

?
Задача 2.8.5

Докажите следующую усиленную форму леммы о накачке: для любого регулярного языка LL и любого положительного целого kk существует положительное целое ss, такое что любую строку xx из LL с ∣x∣>s\left|x\right|>s можно разложить в x=uvwx=u v w, где ∣v∣>k\left|v\right|>k и для любого i≥0,uviw∈Li \geq 0, u v^{i} w \in L.

?
Задача 2.8.6

Найдите регулярный язык LL, для которого

L^={xz∣(∃y)[∣x∣=∣y∣=∣z∣ and xyzy∈L]} \widehat{L}=\left\{ x z \mid (\exists y)[\left|x\right|=\left|y\right|=\left|z\right| \text{ and } x y z y \in L]\right\}

не является регулярным.

?
Задача 2.8.7

Пусть AA и BB — регулярные множества над алфавитом Σ\Sigma. Какие из следующих языков, если такие есть, обязательно являются регулярными?

?
(a)

{x∣x∈A и xR∈B}\left\{ x \mid x \in A\text{ и }x^{R} \in B\right\}.

(b)

{x∣x∈A и xR∉B}\left\{ x \mid x \in A\text{ и }x^{R} \notin B\right\}.

(c)

{x∣x=xR и x∈A}\left\{ x \mid x=x^{R}\text{ и }x \in A\right\}.

(d)
  • {a1bna2bn−1a3bn−2⋯anb1∣ai,bi∈Σ для 1≤i≤n,a1a2⋯an∈A,b1b2⋯bn∈B}\left\{ a_{1} b_{n} a_{2} b_{n-1} a_{3} b_{n-2} \cdots a_{n} b_{1} \mid a_{i}, b_{i} \in \Sigma \text{ для }1 \leq i \leq n, a_{1} a_{2} \cdots a_{n} \in A, b_{1} b_{2} \cdots b_{n} \in B\right\}.
(e)
  • {a1ana2an−1a3an−2⋯ana1∣ai∈Σ для 1≤i≤n, a1a2⋯an∈A}\left\{ a_{1} a_{n} a_{2} a_{n-1} a_{3} a_{n-2} \cdots a_{n} a_{1} \mid a_{i} \in \Sigma \text{ для }1 \leq i \leq n\text{, }a_{1} a_{2} \cdots a_{n} \in A\right\}.
(f)
  • {a1a2na3a2n−2a5a2n−4⋯a2n−1a2∣ai∈Σ для 1≤i≤2n, a1a2⋯an∈A}\left\{ a_{1} a_{2 n} a_{3} a_{2 n-2} a_{5} a_{2 n-4} \cdots a_{2 n-1} a_{2} \mid a_{i} \in \Sigma \text{ для }1 \leq i \leq 2 n\text{, }a_{1} a_{2} \cdots a_{n} \in A\right\}.
Задача 2.8.8

Рассмотрим язык

L={x0ny1nz∣x∈P,y∈Q,z∈R} L=\left\{ x 0^{n} y 1^{n} z \mid x \in P, y \in Q, z \in R\right\}

где P,QP, Q и RR — непустые множества над алфавитом {0,1}\left\{ 0,1\right\}. Можете ли вы найти регулярные множества P,Q,RP, Q, R, такие что LL не регулярен? Можете ли вы найти регулярные множества P,Q,RP, Q, R, такие что LL регулярен? Что если P,Q,RP, Q, R должны быть бесконечными регулярными множествами?

?
Задача 2.8.9
?
(a)

Является ли язык {03m+4n∣m,n≥0}\left\{ 0^{3 m+4 n} \mid m, n \geq 0\right\} регулярным? Докажите свой ответ.

(b)

Пусть LL — язык над алфавитом {0}\left\{ 0\right\}. Покажите, что L∗L^{*} регулярен. [Подсказка: докажите и используйте тот факт, что если aa и bb — взаимно простые натуральные числа, то для любого целого числа n≥abn \geq a b существуют неотрицательные целые числа uu и vv, такие что n=ua+vbn=u a+v b.]