stringtranslate.com

Переписывание

В математике , информатике и логике рерайтинг охватывает широкий спектр методов замены подчленов формулы другими терминами . Такие методы могут быть достигнуты с помощью систем перезаписи (также известных как системы перезаписи , механизмы перезаписи , [1] [2] или системы сокращения ). В своей самой базовой форме они состоят из набора объектов и отношений, позволяющих преобразовать эти объекты.

Переписывание может быть недетерминированным . Одно правило переписывания термина может быть применено к этому термину по-разному, или может быть применимо более одного правила. В этом случае системы переписывания предоставляют не алгоритм замены одного термина на другой, а набор возможных применений правил. Однако в сочетании с соответствующим алгоритмом системы перезаписи можно рассматривать как компьютерные программы , а некоторые средства доказательства теорем [3] и языки декларативного 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:

( исключение двойного отрицания )
( законы де Моргана )
( дистрибутивность )
[примечание 1]

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

Арифметика

Системы переписывания терминов можно использовать для вычисления арифметических операций над натуральными числами . Для этого каждое такое число необходимо закодировать как терм . Самая простая 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. Затем можно использовать следующую систему переписывания терминов для вычисления суммы и произведения заданных натуральных чисел. [7]

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

где номера правил указаны над стрелкой перезаписи .

Другой пример: вычисление 2⋅2 выглядит так:

где последний шаг включает в себя вычисление предыдущего примера.

Лингвистика

В лингвистике правила структуры фраз , также называемые правилами перезаписи , используются в некоторых системах порождающей грамматики [8] как средство создания грамматически правильных предложений языка. Такое правило обычно принимает форму , где A — синтаксическая метка категории , такая как именное словосочетание или предложение , а X — последовательность таких меток или морфем , выражающая тот факт, что A можно заменить на X при создании составной структуры предложение. Например, правило означает, что предложение может состоять из именной группы (NP), за которой следует глагольная группа (VP); дальнейшие правила будут определять, из каких субкомпонентов могут состоять именной и глагольный обороты, и так далее.

Абстрактные системы переписывания

Из приведенных выше примеров ясно, что мы можем думать о переписывании систем абстрактным образом. Нам нужно указать набор объектов и правила, которые можно применить для их преобразования. Наиболее общая (одномерная) постановка 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 перезаписи [11] или просто редукцией . [9]

Многие понятия и обозначения могут быть определены в общих условиях АРС. является рефлексивным транзитивным замыканием . является симметричным замыканием . является рефлексивным транзитивным симметричным замыканием . Словесная проблема для ARS заключается в том, чтобы определить по заданным x и y , является ли . Объект x в A называется приводимым, если существует другой y в A такой, что ; в противном случае она называется неприводимой или нормальной формой . Объект y называется «нормальной формой x », если , и y неприводим. Если нормальная форма x уникальна, то это обычно обозначается . Если каждый объект имеет хотя бы одну нормальную форму, ARS называется нормализацией . или x и y называются соединяемыми , если существует некоторый z со свойством, что . Говорят, что ARS обладает свойством Чёрча-Россера, если это подразумевает . ARS является конфлюэнтным, если для всех w , x и y в A следует . ARS является локально конфлюэнтным тогда и только тогда , когда для всех w , x и y в A следует . ARS называется завершающей или нетеровой , если не существует бесконечной цепи . Сливающаяся и завершающаяся ARS называется конвергентной или канонической .

Важные теоремы для абстрактных систем переписывания заключаются в том, что ARS конфлюэнна тогда и только тогда, когда она обладает свойством Черча-Россера, леммой Ньюмана (завершающая ARS конфлюэнна тогда и только тогда, когда она локально конфлюэнна), и что проблема слов для ARS неразрешима в общий.

Системы перезаписи строк

Система переписывания строк (SRS), также известная как система полу-Туэ , использует свободную моноидную структуру строк ( слов) в алфавите для расширения отношения переписывания на все строки в алфавите, которые содержат левые и, соответственно, правые строки. -стороны некоторых правил как подстроки . Формально система полу-Туэ — это кортеж , где — (обычно конечный) алфавит и бинарное отношение между некоторыми (фиксированными) строками в алфавите, называемое набором правил перезаписи . Отношение одношаговой перезаписи, индуцированное on, определяется как: если есть какие-либо строки, то если существуют такие , что , и . Поскольку является отношением к , пара соответствует определению абстрактной системы переписывания. Поскольку пустая строка находится в , она является подмножеством . Если отношение симметрично , то система называется системой Туэ .

В SRS отношение приведения совместимо с операцией моноида, то есть это подразумевает для всех строк . Точно так же рефлексивное транзитивное симметричное замыкание , обозначаемое , является конгруэнцией , что означает, что это отношение эквивалентности (по определению), а также совместимо с конкатенацией строк. Отношение называется сравнением Туэ , порожденным . В системе Туэ, т.е. если она симметрична, отношение перезаписи совпадает с конгруэнцией Туэ .

Понятие о системе полуТуэ по существу совпадает с представлением о моноиде . Поскольку это сравнение, мы можем определить фактор-моноид свободного моноида с помощью сравнения Туэ. Если моноид изоморфен , то полусистема Туэ называется моноидным представлением .

Мы сразу получаем очень полезные связи с другими областями алгебры. Например, алфавит с правилами , где пустая строка , представляет собой представление свободной группы на одном генераторе. Если вместо этого правила справедливы , то мы получаем представление бициклического моноида . Таким образом, системы полуТуэ представляют собой естественную основу для решения проблемы слов для моноидов и групп. Фактически, каждый моноид имеет представление формы , т.е. он всегда может быть представлен системой полу-Туэ, возможно, над бесконечным алфавитом.

Проблема слов для системы полуТуэ, вообще говоря, неразрешима; этот результат иногда называют теоремой Поста-Маркова . [12]

Системы переписывания терминов

Рис.1: Схематическая треугольная диаграмма применения правила перезаписи в позиции термина с соответствующей заменой.
Рис.2: Сопоставление терминов по правилу lhs в термине

Система переписывания терминов ( TRS ) — это система переписывания, объектами которой являются термины , которые представляют собой выражения со вложенными подвыражениями. Например, система, показанная выше в разделе «Логика», представляет собой систему переписывания терминов. Термины в этой системе состоят из бинарных операторов и унарного оператора . В правилах также присутствуют переменные, которые представляют любой возможный термин (хотя одна переменная всегда представляет один и тот же термин в одном правиле).

В отличие от систем переписывания строк, объектами которых являются последовательности символов, объекты системы переписывания терминов образуют алгебру терминов . Термин можно представить как дерево символов, при этом набор допустимых символов фиксируется заданной сигнатурой .

Формальное определение

Правило перезаписи — это пара терминов , обычно записываемых как , обозначающих, что левая часть l может быть заменена правой частью r . Система переписывания терминов представляет собой набор R таких правил. Правило может быть применено к терму s , если левый терм l соответствует некоторому подтерму s , то есть если существует некоторая замена, такая, что подтерм с корнем в некоторой позиции p является результатом применения замены к терму l . Подтерм, соответствующий левой части правила, называется редексом или сокращаемым выражением . [13] Результатом применения этого правила является результат замены подтерма в позиции p в s термином с примененной заменой , см. рисунок 1. В этом случае говорят, что он переписан за один шаг , или переписан непосредственно , в системой , формально обозначенной как , , или как у некоторых авторов.

Если терм можно переписать в несколько шагов в терм , то есть если , говорят, что терм переписан в , формально обозначаемый как . Другими словами, отношение является транзитивным замыканием отношения ; часто также обозначение используется для обозначения рефлексивно-транзитивного замыкания , то есть if или . [14] Переписывание терминов, заданное набором правил, можно рассматривать как абстрактную систему переписывания, как она определена выше, с терминами в качестве ее объектов и отношения перезаписи.

Например, это правило перезаписи, обычно используемое для установления нормальной формы относительно ассоциативности . Это правило можно применить к числителю термина с соответствующей заменой , см. рисунок 2. [примечание 2] Применение этой замены к правой части правила дает термин , а замена числителя этим термином дает , что является результат срока применения правила перезаписи. В целом, применение правила перезаписи привело к тому, что в элементарной алгебре называется «применением закона ассоциативности для к ». В качестве альтернативы правило можно было применить к знаменателю исходного члена, получив .

Прекращение действия

Проблемы завершения систем перезаписи в целом рассматриваются в разделе Абстрактная система перезаписи#Завершение и конвергенция . В частности, для систем переписывания терминов необходимо учитывать следующие дополнительные тонкости.

Прекращение даже системы, состоящей из одного правила с линейной левой частью, неразрешимо. [15] [16] Завершение также неразрешимо для систем, использующих только унарные функциональные символы; однако это разрешимо для конечных основных систем. [17]

Следующая система перезаписи терминов является нормализующей, [примечание 3] , но не завершающей, [примечание 4] и не сливающейся: [18]

Следующие два примера прекращения систем перезаписи терминов принадлежат Тояме: [19]

и

Их объединение представляет собой незавершающуюся систему, поскольку

Дершовица [20],перекрытий

См. Порядок перезаписи и Порядок путей (переписывание терминов) для отношений упорядочивания, используемых в доказательствах завершения для систем переписывания терминов.

Системы перезаписи высшего порядка

Системы переписывания более высокого порядка — это обобщение систем переписывания терминов первого порядка на лямбда-термины , позволяющие использовать функции более высокого порядка и связанные переменные. [21] Различные результаты о TRS первого порядка могут быть переформулированы и для HRS. [22]

Системы перезаписи графов

Системы перезаписи графов — это еще одно обобщение систем перезаписи терминов, работающее с графами вместо ( основных ) термов / их соответствующего древовидного представления.

Системы перезаписи трассировки

Теория трассировки предоставляет средства для обсуждения многопроцессорной обработки в более формальных терминах, например, с помощью моноида трассировки и моноида истории . Перезапись также может выполняться в системах трассировки.

Философия

Системы переписывания можно рассматривать как программы, которые выводят конечные эффекты из списка причинно-следственных связей. Таким образом, системы перезаписи можно рассматривать как автоматизированные средства доказательства причинности . [ нужна цитата ]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Этот вариант предыдущего правила необходим, поскольку коммутативный закон AB = BA нельзя превратить в правило перезаписи. Правило типа ABBA приведет к тому, что система перезаписи будет незавершенной.
  2. ^ поскольку применение этой замены к левой части правила дает числитель
  3. ^ т.е. для каждого термина существует некоторая нормальная форма, например, h ( c , c ) имеет нормальные формы b и g ( b ), поскольку h ( c , c ) → f ( h ( c , c ), h ( c , c )) → ж ( час ( c , c ), ж ( час ( c , c ), час ( c , c ))) → ж ( час ( c , c ), г ( час ( c , c ))) → б , и час ( c , c ) → ж ( час ( c , c ), час ( c , c )) → грамм ( час ( c , c )) → ... → грамм ( б ); ни b , ни g ( b ) не могут быть переписаны дальше, поэтому система не является конфлюэнтной
  4. ^ т.е. существуют бесконечные дифференцирования, например час ( c , c ) → f ( h ( c , c ), час ( c , c )) → f ( f ( h ( c , c ), час ( c , c ) ) , час ( c , c )) → ж ( ж ( ж ( час ( c , c ), час ( c , c )) , час ( c , c )) , час ( c , c )) → ...

дальнейшее чтение

Перезапись строк
Другой

Внешние ссылки

Рекомендации

  1. ^ Жозеф Гоген «Доказательство и переписывание», Международная конференция по алгебраическому и логическому программированию, 1990 г., Нэнси, Франция, стр. 1-24.
  2. ^ Скалторп, Нил; Фрисби, Николас; Гилл, Энди (2014). «Машина переписывания Канзасского университета» (PDF) . Журнал функционального программирования . 24 (4): 434–473. дои : 10.1017/S0956796814000185. ISSN  0956-7968. S2CID  16807490. Архивировано (PDF) из оригинала 22 сентября 2017 г. Проверено 12 февраля 2019 г.
  3. ^ Сян, Цзе; Киршнер, Элен; Лесканн, Пьер; Русинович, Майкл (1992). «Подход к переписыванию терминов для автоматического доказательства теорем». Журнал логического программирования . 14 (1–2): 71–99. дои : 10.1016/0743-1066(92)90047-7 .
  4. ^ Фрювирт, Том (1998). «Теория и практика правил обработки ограничений». Журнал логического программирования . 37 (1–3): 95–138. дои : 10.1016/S0743-1066(98)10005-5 .
  5. ^ аб Клавель, М.; Дуран, Ф.; Экер, С.; Линкольн, П.; Марти-Олиет, Н.; Месегер, Дж.; Кесада, Дж. Ф. (2002). «Мод: Спецификация и программирование в логике переписывания». Теоретическая информатика . 285 (2): 187–243. дои : 10.1016/S0304-3975(01)00359-0 .
  6. ^ Ким Марриотт; Питер Дж. Стаки (1998). Программирование с ограничениями: Введение. МТИ Пресс. стр. 436–. ISBN 978-0-262-13341-8.
  7. ^ Юрген Авенхаус; Клаус Мадленер (1990). «Переписывание терминов и уравнение». В РБ Банерджи (ред.). Формальные методы искусственного интеллекта . Справочник. Эльзевир. стр. 1–43.Здесь: Пример в разд.4.1, стр.24.
  8. ^ Роберт Фрейдин (1992). Основы генеративного синтаксиса. МТИ Пресс. ISBN 978-0-262-06144-5.
  9. ^ Книга ab и Отто, с. 10
  10. ^ Безем и др., с. 7,
  11. ^ Безем и др., с. 7
  12. ^ Мартин Дэвис и др. 1994, с. 178
  13. ^ Клоп, JW «Системы переписывания терминов» (PDF) . Статьи Нахума Дершовица и его студентов . Тель-Авивский университет. п. 12. Архивировано (PDF) из оригинала 15 августа 2021 года . Проверено 14 августа 2021 г.
  14. ^ Н. Дершовиц, Ж.-П. Жуанно (1990). Ян ван Леувен (ред.). Переписать системы . Справочник по теоретической информатике. Том. Б. Эльзевир. стр. 243–320.; здесь: Разд. 2.3
  15. ^ Макс Доше (1989). «Моделирование машин Тьюринга с помощью правила леволинейной перезаписи». Учеб. 3-й Межд. Конф. по методам и приложениям переписывания . ЛНКС. Том. 355. Спрингер. стр. 109–120.
  16. ^ Макс Доше (сентябрь 1992 г.). «Моделирование машин Тьюринга с помощью обычного правила перезаписи». Теоретическая информатика . 103 (2): 409–420. дои : 10.1016/0304-3975(92)90022-8 .
  17. ^ Жерар Юэ, DS Lankford (март 1978 г.). О единой проблеме остановки для систем переписывания терминов (PDF) (Технический отчет). ИРИА. п. 8. 283 . Проверено 16 июня 2013 г.
  18. ^ Бернхард Грамлих (июнь 1993 г.). «Относительно самого внутреннего, слабого, единообразного и модульного завершения систем переписывания терминов». Воронков, Андрей (ред.). Учеб. Международная конференция по логическому программированию и автоматическому рассуждению (LPAR) . ЛНАИ. Том. 624. Спрингер. стр. 285–296. Архивировано из оригинала 4 марта 2016 г. Проверено 19 июня 2014 г.Здесь: Пример 3.3
  19. ^ Ёсихито Тояма (1987). «Противоположные примеры прекращения действия систем переписывания терминов прямой суммы» (PDF) . Инф. Процесс. Летт . 25 (3): 141–143. дои : 10.1016/0020-0190(87)90122-0. hdl : 2433/99946 . Архивировано (PDF) из оригинала 13 ноября 2019 г. Проверено 13 ноября 2019 г.
  20. ^ Н. Дершовиц (1985). «Прекращение» (PDF) . В Жан-Пьере Жуанно (ред.). Учеб. РТА . ЛНКС. Том. 220. Спрингер. стр. 180–224. Архивировано (PDF) из оригинала 12 ноября 2013 г. Проверено 16 июня 2013 г.; здесь: стр.210
  21. ^ Вольфрам, Д.А. (1993). Клаузальная теория типов . Издательство Кембриджского университета. стр. 47–50. дои : 10.1017/CBO9780511569906. ISBN 9780521395380. S2CID  42331173.
  22. ^ Нипков, Тобиас; Прехофер, Кристиан (1998). «Переписывание высшего порядка и уравнение». В Бибеле, В.; Шмитт, П. (ред.). Автоматизированный вычет – основа для приложений. Том I: Основы . Клювер. стр. 399–430. Архивировано из оригинала 16 августа 2021 г. Проверено 16 августа 2021 г.