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:
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 представлением моноида .
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
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.
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]
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.
^ Этот вариант предыдущего правила необходим, поскольку коммутативный закон A ∨ B = B ∨ A не может быть преобразован в правило перезаписи. Правило типа A ∨ B → B ∨ A сделало бы систему перезаписи незавершающейся.
^ поскольку применение этой замены к левой части правила дает числитель
^ 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
^ 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 ) ) → ...
Marc Bezem, Jan Willem Klop , Roel de Vrijer («Terese»), Term Rewriting Systems («TeReSe»), Cambridge University Press, 2003, ISBN 0-521-39115-6 . Это самая последняя всеобъемлющая монография. Однако в ней используется довольно много еще нестандартных обозначений и определений. Например, свойство Чёрча–Россера определяется как идентичное слиянию.
Нахум Дершовиц и Жан-Пьер Жуанно «Системы перезаписи», Глава 6 в Jan van Leeuwen (ред.), Handbook of Theoretical Computer Science, Volume B: Formal Models and Semantics. , 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. «Эквациональное рассуждение и системы переписывания терминов», в книге Дов М. Габбея , К. Дж. Хоггера и Джона Алана Робинсона (редакторы), Справочник по логике в области искусственного интеллекта и логического программирования, том 1 .
Юрген Авенхаус и Клаус Мадленер. «Переписывание терминов и эквациональное рассуждение». В Ranan B. Banerji (ред.), Formal Techniques in Artificial Intelligence: A Sourcebook , Elsevier (1990).
Переписывание 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 системы переписывания общих терминов. [5]
Ссылки
^ Жозеф Гоген «Доказательство и переписывание» Международная конференция по алгебраическому и логическому программированию, 1990 Нанси, Франция, стр. 1-24
^ 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 .
^ 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 .
^ 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 .
^ 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 .
^ Ким Марриотт; Питер Дж. Стаки (1998). Программирование с ограничениями: Введение. MIT Press. С. 436–. ISBN978-0-262-13341-8.
^ 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.
^ Роберт Фрейдин (1992). Основы генеративного синтаксиса. МТИ Пресс. ISBN978-0-262-06144-5.
^ ab Book и Отто, стр. 10
^ Безем и др., стр. 7,
^ Безем и др., стр. 7
^ Мартин Дэвис и др. 1994, с. 178
^ Дершовиц, Жуанно (1990), раздел 1, стр.245
^ Альберт, Грэф (2009). «Обработка сигналов на чистом языке программирования». Аудиоконференция Linux .
↑ Рипе, фон Михаэль (18 ноября 2009 г.). «Чистый – eine einfache funktionale Sprache». Архивировано из оригинала 19 марта 2011 года.
^ 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. .
^ 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
^ 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.
^ 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 .
^ 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.
^ 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 .
^ 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
^ Вольфрам, DA (1993). Теория Клауса типов . Cambridge University Press. стр. 47–50. doi :10.1017/CBO9780511569906. ISBN9780521395380. S2CID 42331173.
^ 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 .