stringtranslate.com

Переписывание

В математике , информатике и логике переписывание охватывает широкий спектр методов замены подтермов формулы другими терминами . Такие методы могут быть реализованы с помощью систем переписывания (также известных как системы переписывания , механизмы переписывания , [1] [2] или системы редукции ). В своей самой базовой форме они состоят из набора объектов, а также отношений о том, как преобразовывать эти объекты.

Переписывание может быть недетерминированным . Одно правило для переписывания термина может быть применено многими различными способами к этому термину, или может быть применено более одного правила. Системы переписывания тогда не предоставляют алгоритм для изменения одного термина на другой, а набор возможных применений правил. Однако в сочетании с соответствующим алгоритмом системы переписывания можно рассматривать как компьютерные программы , и несколько доказателей теорем [3] и декларативные языки программирования основаны на переписывании терминов. [4] [5]

Примеры случаев

Логика

В логике процедура получения конъюнктивной нормальной формы (КНФ) формулы может быть реализована как система переписывания. [6] Правила примера такой системы будут следующими:

( устранение двойного отрицания )
( Законы Де Моргана )
( распределительность )
[примечание 1]

где символ ( ) указывает, что выражение, соответствующее левой части правила, может быть переписано в выражение, образованное правой частью, а каждый символ обозначает подвыражение. В такой системе каждое правило выбирается так, чтобы левая часть была эквивалентна правой, и, следовательно, когда левая часть соответствует подвыражению, выполнение переписывания этого подвыражения слева направо сохраняет логическую последовательность и значение всего выражения.

Арифметика

Системы переписывания терминов могут использоваться для вычисления арифметических операций над натуральными числами . Для этого каждое такое число должно быть закодировано как термин . Простейшая кодировка — та, которая используется в аксиомах Пеано , основанная на константе 0 (нуле) и функции-преемнике S. Например, числа 0, 1, 2 и 3 представлены терминами 0, S(0), S(S(0)) и S(S(S(0))), соответственно. Следующая система переписывания терминов может затем использоваться для вычисления суммы и произведения данных натуральных чисел. [7]

Например, вычисление 2+2, дающее в результате 4, можно продублировать, переписав термин следующим образом:

где номера правил указаны над стрелкой «переписать-ту» .

В качестве другого примера, вычисление 2⋅2 выглядит так:

где последний шаг включает в себя вычисления предыдущего примера.

Лингвистика

В лингвистике правила структуры фраз , также называемые правилами переписывания , используются в некоторых системах генеративной грамматики [ 8] как средство генерации грамматически правильных предложений языка. Такое правило обычно имеет вид , где A — метка синтаксической категории , такая как именная группа или предложение , а X — последовательность таких меток или морфем , выражающая тот факт, что A может быть заменено на X при генерации составной структуры предложения. Например, правило означает, что предложение может состоять из именная группа (NP), за которой следует глагольная группа (VP); дальнейшие правила будут указывать, из каких подсоставляющих могут состоять именная группа и глагольная группа, и так далее.

Системы переписывания абстрактных текстов

Из приведенных выше примеров ясно, что мы можем думать о переписывании систем в абстрактной манере. Нам нужно указать набор объектов и правила, которые могут быть применены для их преобразования. Наиболее общая (одномерная) установка этого понятия называется абстрактной системой редукции [9] или абстрактной системой переписывания (сокращенно ARS ). [10] ARS — это просто набор A объектов вместе с бинарным отношением → на A , называемым отношением редукции , отношением переписывания [11] или просто редукцией . [9]

Многие понятия и обозначения могут быть определены в общем случае ARS. является рефлексивным транзитивным замыканием . является симметричным замыканием . является рефлексивным транзитивным симметричным замыканием . Текстовая проблема для ARS заключается в определении, при заданных x и y , является ли . Объект x в A называется приводимым , если существует некоторый другой y в A такой, что ; в противном случае он называется неприводимым или нормальной формой . Объект y называется "нормальной формой x ", если , и y неприводим. Если нормальная форма x уникальна, то это обычно обозначается как . Если каждый объект имеет хотя бы одну нормальную форму, ARS называется нормализующей . или x и y называются соединяемыми , если существует некоторый z со свойством, что . Говорят, что ARS обладает свойством Чёрча–Россера, если влечет . ARS является конфлюэнтной , если для всех w , x и y в A , влечет . ARS локально конфлюэнтна тогда и только тогда, когда для всех w , x и y в A , следует . ARS называется терминирующей или нётеровой, если нет бесконечной цепи . Конфлюэнтная и терминирующая ARS называется сходящейся или канонической .

Важными теоремами для абстрактных переписывающих систем являются то, что ARS является конфлюэнтной тогда и только тогда, когда она обладает свойством Чёрча–Россера, лемма Ньюмена (конечная ARS является конфлюэнтной тогда и только тогда, когда она локально конфлюэнтна), и что проблема слов для ARS в общем случае неразрешима .

Системы перезаписи строк

Система перезаписи строк (SRS), также известная как система полу-Туэ , использует свободную моноидную структуру строк ( слов) над алфавитом для расширения отношения перезаписи, , на все строки в алфавите, которые содержат левую и, соответственно, правую части некоторых правил в качестве подстрок . Формально система полу-Туэ — это кортеж , где — (обычно конечный) алфавит, а — бинарное отношение между некоторыми (фиксированными) строками в алфавите, называемое набором правил перезаписи . Отношение перезаписи в один шаг, индуцированное на , определяется как: если есть какие-либо строки, то если существуют такие, что , и . Поскольку — отношение на , пара соответствует определению абстрактной системы перезаписи. Поскольку пустая строка находится в , — подмножество . Если отношение симметрично , то система называется системой Туэ .

В SRS отношение редукции совместимо с моноидной операцией, то есть подразумевает для всех строк . Аналогично, рефлексивное транзитивное симметричное замыкание , обозначаемое , является конгруэнцией , то есть это отношение эквивалентности (по определению), и оно также совместимо с конкатенацией строк. Отношение называется конгруэнцией Туэ, порожденной . В системе Туэ, то есть если симметрично, отношение перезаписи совпадает с конгруэнцией Туэ .

Понятие полусистемы Туэ по сути совпадает с представлением моноида . Поскольку является конгруэнцией, мы можем определить фактормоноид свободного моноида с помощью конгруэнции Туэ. Если моноид изоморфен , то полусистема Туэ называется моноидным представлением .

Мы сразу же получаем некоторые очень полезные связи с другими областями алгебры. Например, алфавит с правилами , где — пустая строка , является представлением свободной группы на одном генераторе. Если вместо этого правилами являются только , то мы получаем представление бициклического моноида . Таким образом, полусистемы Туэ представляют собой естественную структуру для решения проблемы слов для моноидов и групп. Фактически, каждый моноид имеет представление в виде , т. е. он всегда может быть представлен полусистемой Туэ, возможно, над бесконечным алфавитом.

Проблема слов для полусистемы Туэ в общем случае неразрешима; этот результат иногда называют теоремой Поста–Маркова . [12]

Системы переписывания терминов

Рис.1: Схематическая треугольная диаграмма применения правила перезаписи в позиции в термине с соответствующей заменой
Рис.2: Правило левого термина, совпадающего с термином

Система переписывания терминов ( TRS ) — это система переписывания, объектами которой являются термины , которые являются выражениями с вложенными подвыражениями. Например, система, показанная в разделе § Логика выше, является системой переписывания терминов. Термины в этой системе состоят из бинарных операторов и и унарного оператора . В правилах также присутствуют переменные, которые представляют любой возможный термин (хотя одна переменная всегда представляет один и тот же термин в пределах одного правила).

В отличие от систем переписывания строк, объектами которых являются последовательности символов, объекты системы переписывания терминов образуют алгебру терминов . Термин можно визуализировать как дерево символов, причем набор допустимых символов фиксируется заданной сигнатурой . Как формализм, системы переписывания терминов обладают полной мощью машин Тьюринга , то есть каждая вычислимая функция может быть определена системой переписывания терминов. [13]

Некоторые языки программирования основаны на переписывании терминов. Одним из таких примеров является Pure, функциональный язык программирования для математических приложений. [14] [15]

Формальное определение

Правило перезаписи — это пара терминов , обычно записываемых как , для указания того, что левая часть l может быть заменена правой частью r . Система перезаписи терминов — это набор R таких правил. Правило может быть применено к термину s , если левый термин l соответствует некоторому подтерму s , то есть если существует некоторая подстановка, такая что подтерм корня в некоторой позиции p является результатом применения подстановки к термину l . Подтерм, соответствующий левой части правила, называется редексом или приводимым выражением . [16] Результирующий термин t применения этого правила является тогда результатом замены подтерма в позиции p в s на термин с примененной подстановкой , см. рисунок 1. В этом случае говорят, что он переписан за один шаг или переписан напрямую в системой , формально обозначаемой как , или как некоторыми авторами.

Если термин может быть переписан в несколько шагов в термин , то есть, если , то говорят, что термин переписан в , формально обозначаемый как . Другими словами, отношение является транзитивным замыканием отношения ; часто также нотация используется для обозначения рефлексивно-транзитивного замыкания , то есть, если или . [17] Переписывание термина, заданное набором правил, можно рассматривать как абстрактную систему переписывания, как определено выше, с терминами в качестве ее объектов и в качестве ее отношения переписывания.

Например, — это правило перезаписи, обычно используемое для установления нормальной формы относительно ассоциативности . Это правило можно применить к числителю в члене с соответствующей заменой , см. рисунок 2. [примечание 2] Применение этой замены к правой части правила дает член , а замена числителя этим членом дает , который является результирующим членом применения правила перезаписи. В целом, применение правила перезаписи достигло того, что называется «применением закона ассоциативности для к » в элементарной алгебре. С другой стороны, правило можно было бы применить к знаменателю исходного члена, получив .

Прекращение

Вопросы завершения систем переписывания в целом рассматриваются в разделе Abstract rewriting system#Termination and convergence . Для систем переписывания терминов в частности необходимо учитывать следующие дополнительные тонкости.

Завершение даже системы, состоящей из одного правила с линейной левой частью, неразрешимо. [18] [19] Завершение также неразрешимо для систем, использующих только унарные функциональные символы; однако, оно разрешимо для конечных основных систем. [20]

Следующая система перезаписи терминов является нормализующей, [примечание 3], но не завершающей, [примечание 4] и не конфлюэнтной: [21]

Следующие два примера систем переписывания терминов, завершающих работу, принадлежат Тояме: [22]

и

Их союз — это непрекращающаяся система, поскольку

Этот результат опровергает гипотезу Дершовица [23], который утверждал, что объединение двух терминирующих переписывающих систем и снова является терминирующим, если все левые части и правые части линейны , и нет « перекрытий » между левыми частями и правыми частями . Все эти свойства удовлетворяются примерами Тоямы.

См. разделы Порядок перезаписи и Упорядочение путей (перезапись терминов) для получения информации об отношениях упорядочения, используемых в доказательствах завершения для систем перезаписи терминов.

Системы переписывания более высокого порядка

Системы переписывания высшего порядка являются обобщением систем переписывания терминов первого порядка до лямбда-термов , допускающих функции высшего порядка и связанные переменные. [24] Различные результаты о TRS первого порядка можно переформулировать и для HRS. [25]

Системы переписывания графов

Системы перезаписи графов являются еще одним обобщением систем перезаписи терминов, оперирующих графами вместо ( основных ) терминов / их соответствующего древовидного представления.

Системы перезаписи следов

Теория трассировки предоставляет средства для обсуждения многопроцессорной обработки в более формальных терминах, например, через моноид трассировки и моноид истории . Переписывание может также выполняться в системах трассировки.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Этот вариант предыдущего правила необходим, поскольку коммутативный закон AB = BA не может быть преобразован в правило перезаписи. Правило типа ABBA сделало бы систему перезаписи незавершающейся.
  2. ^ поскольку применение этой замены к левой части правила дает числитель
  3. ^ т.е. для каждого члена существует некоторая нормальная форма, например, h ( c , c ) имеет нормальные формы b и g ( b ), так как h ( c , c ) → f ( h ( c , c ), h ( c , c )) → f ( h ( c , c ), f ( h ( c , c ), h ( c , c ))) → f ( h ( c , c ), g ( h ( c , c ))) → b , и h ( c , c ) → f ( h ( c , c ), h ( c , c )) → g ( h ( c , c )) → ... → g ( b ); ни b, ни g ( b ) не могут быть переписаны дальше, поэтому система не является конфлюэнтной
  4. ^ т.е. существует бесконечное множество выводов, например h ( c , c ) → f ( h ( c , c ), h ( c , c )) → f ( f ( h ( c , c ), h ( c , c ) ) , h ( c , c ) ) → f ( f ( f ( h ( c , c ) , h ( c , c ) ) , h ( c , c ) ) → ...

Дальнейшее чтение

Переписывание строк
Другой

Внешние ссылки

Ссылки

  1. ^ Жозеф Гоген «Доказательство и переписывание» Международная конференция по алгебраическому и логическому программированию, 1990 Нанси, Франция, стр. 1-24
  2. ^ Sculthorpe, Neil; Frisby, Nicolas; Gill, Andy (2014). "The Kansas University rewrite engine" (PDF) . Journal of Functional Programming . 24 (4): 434–473. doi :10.1017/S0956796814000185. ISSN  0956-7968. S2CID  16807490. Архивировано (PDF) из оригинала 22.09.2017 . Получено 12.02.2019 .
  3. ^ Hsiang, Jieh; Kirchner, Hélène; Lescanne, Pierre; Rusinowitch, Michaël (1992). «Подход к автоматическому доказательству теорем с помощью переписывания терминов». The Journal of Logic Programming . 14 (1–2): 71–99. doi : 10.1016/0743-1066(92)90047-7 .
  4. ^ Frühwirth, Thom (1998). «Теория и практика правил обработки ограничений». Журнал логического программирования . 37 (1–3): 95–138. doi : 10.1016/S0743-1066(98)10005-5 .
  5. ^ ab Clavel, M.; Durán, F.; Eker, S.; Lincoln, P.; Martí-Oliet, N.; Meseguer, J.; Quesada, JF (2002). "Maude: Спецификация и программирование в переписывании логики". Теоретическая информатика . 285 (2): 187–243. doi : 10.1016/S0304-3975(01)00359-0 .
  6. ^ Ким Марриотт; Питер Дж. Стаки (1998). Программирование с ограничениями: Введение. MIT Press. С. 436–. ISBN 978-0-262-13341-8.
  7. ^ Юрген Авенхаус; Клаус Мадленер (1990). «Переписывание терминов и эквациональное рассуждение». В RB Banerji (ред.). Формальные методы в искусственном интеллекте . Справочник. Elsevier. С. 1–43.Здесь: Пример в разделе 4.1, стр.24.
  8. ^ Роберт Фрейдин (1992). Основы генеративного синтаксиса. МТИ Пресс. ISBN 978-0-262-06144-5.
  9. ^ ab Book и Отто, стр. 10
  10. ^ Безем и др., стр. 7,
  11. ^ Безем и др., стр. 7
  12. ^ Мартин Дэвис и др. 1994, с. 178
  13. ^ Дершовиц, Жуанно (1990), раздел 1, стр.245
  14. ^ Альберт, Грэф (2009). «Обработка сигналов на чистом языке программирования». Аудиоконференция Linux .
  15. Рипе, фон Михаэль (18 ноября 2009 г.). «Чистый – eine einfache funktionale Sprache». Архивировано из оригинала 19 марта 2011 года.
  16. ^ Klop, JW "Term Rewriting Systems" (PDF) . Статьи Нахума Дершовица и студентов . Тель-Авивский университет. стр. 12. Архивировано (PDF) из оригинала 15 августа 2021 г. . Получено 14 августа 2021 г. .
  17. ^ N. Dershowitz, J.-P. Jouannaud (1990). Jan van Leeuwen (ред.). Rewrite Systems . Handbook of Theoretical Computer Science. Vol. B. Elsevier. pp. 243–320.; здесь: Раздел 2.3
  18. ^ Макс Доше (1989). «Моделирование машин Тьюринга с помощью леволинейного правила перезаписи». Труды 3-й Международной конференции по методам перезаписи и их применению . LNCS. Том 355. Springer. С. 109–120.
  19. ^ Макс Доше (сентябрь 1992 г.). «Моделирование машин Тьюринга с помощью регулярного правила перезаписи». Теоретическая информатика . 103 (2): 409–420. doi : 10.1016/0304-3975(92)90022-8 .
  20. ^ Gerard Huet, DS Lankford (март 1978 г.). On the Uniform Halting Problem for Term Rewriting Systems (PDF) (Технический отчет). IRIA. стр. 8. 283. Получено 16 июня 2013 г.
  21. ^ Бернхард Грамлих (июнь 1993 г.). «Связь внутренних, слабых, однородных и модульных терминаций систем переписывания терминов». В Воронков, Андрей (ред.). Proc. Международная конференция по логическому программированию и автоматизированному рассуждению (LPAR) . LNAI. Том 624. Springer. стр. 285–296. Архивировано из оригинала 2016-03-04 . Получено 2014-06-19 .Здесь: Пример 3.3
  22. ^ Ёсихито Тояма (1987). «Контрпримеры к завершению для прямой суммы систем переписывания терминов» (PDF) . Inf. Process. Lett . 25 (3): 141–143. doi :10.1016/0020-0190(87)90122-0. hdl : 2433/99946 . Архивировано (PDF) из оригинала 2019-11-13 . Получено 2019-11-13 .
  23. ^ N. Dershowitz (1985). "Termination" (PDF) . В Jean-Pierre Jouannaud (ed.). Proc. RTA . LNCS. Vol. 220. Springer. pp. 180–224. Архивировано (PDF) из оригинала 2013-11-12 . Получено 2013-06-16 .; здесь: стр.210
  24. ^ Вольфрам, DA (1993). Теория Клауса типов . Cambridge University Press. стр. 47–50. doi :10.1017/CBO9780511569906. ISBN 9780521395380. S2CID  42331173.
  25. ^ Нипков, Тобиас; Прехофер, Кристиан (1998). «Переписывание высшего порядка и эквациональное рассуждение». В Bibel, W.; Schmitt, P. (ред.). Автоматизированная дедукция — основа для приложений. Том I: Основы . Kluwer. стр. 399–430. Архивировано из оригинала 2021-08-16 . Получено 2021-08-16 .