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:
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
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]
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 ]
^ Этот вариант предыдущего правила необходим, поскольку коммутативный закон A ∨ B = B ∨ A нельзя превратить в правило перезаписи. Правило типа A ∨ B → B ∨ A приведет к тому, что система перезаписи будет незавершенной.
^ поскольку применение этой замены к левой части правила дает числитель
^ 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
^ 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 )) → ...
Марк Безем, Ян Виллем Клоп , Роэль де Вриер («Тереза»), Term Rewriting Systems («TeReSe»), Cambridge University Press, 2003, ISBN 0-521-39115-6 . Это самая последняя всеобъемлющая монография. Однако он использует немало еще нестандартных обозначений и определений. Например, свойство Чёрча-Россера определяется как идентичное свойству слияния.
Нахум Дершовиц и Жан-Пьер Жуанно «Переписать системы», глава 6 в книге Яна ван Леувена (ред.), Справочник по теоретической информатике, том B: Формальные модели и семантика. , Elsevier и MIT Press, 1990, ISBN 0-444-88074-7 , стр. 243–320. Препринт этой главы находится в свободном доступе у авторов, но в нем отсутствуют рисунки.
Жерар Юэ и Дерек Оппен, Уравнения и правила перезаписи, Исследование (1980), Стэнфордская группа проверки, Отчет № 15, Отчет Департамента компьютерных наук № STAN-CS-80-785
Дэвид Плейстед. «Системы уравнений и переписывания терминов», в Дов М. Габбай , С. Дж. Хоггер и Джон Алан Робинсон (ред.), Справочник по логике в искусственном интеллекте и логическом программировании, Том 1 .
Юрген Авенхаус и Клаус Мадленер. «Переписывание терминов и эквациональные рассуждения». В Ранан Б. Банерджи (ред.), Формальные методы искусственного интеллекта: справочник , Elsevier (1990).
Перезапись строк
Рональд В. Бук и Фридрих Отто, Системы переписывания строк , Springer (1993).
Бенджамин Беннингхофен, Сюзанна Кеммерих и Майкл М. Рихтер , Системы редукций . LNCS 277 , Springer-Verlag (1987).
Maude System — программная реализация универсальной системы переписывания терминов. [5]
Рекомендации
^ Жозеф Гоген «Доказательство и переписывание», Международная конференция по алгебраическому и логическому программированию, 1990 г., Нэнси, Франция, стр. 1-24.
^ 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.
^ 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 .
^ 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 .
^ 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 .
^ Ким Марриотт; Питер Дж. Стаки (1998). Программирование с ограничениями: Введение. МТИ Пресс. стр. 436–. ISBN978-0-262-13341-8.
^ 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.
^ Роберт Фрейдин (1992). Основы генеративного синтаксиса. МТИ Пресс. ISBN978-0-262-06144-5.
^ Книга ab и Отто, с. 10
^ Безем и др., с. 7,
^ Безем и др., с. 7
^ Мартин Дэвис и др. 1994, с. 178
^ 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.
^ 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
^ 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.
^ 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 .
^ 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.
^ 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
^ 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.
^ 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
^ Вольфрам, Д.А. (1993). Клаузальная теория типов . Издательство Кембриджского университета. стр. 47–50. дои : 10.1017/CBO9780511569906. ISBN9780521395380. S2CID 42331173.
^ 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.