Problemy Decyzyjne dla Systemów Nieskończonych

Podobne dokumenty
ZALICZENIE WYKŁADU: 30.I.2019

Rozwiązania około dwustu łatwych zadań z języków formalnych i złożoności obliczeniowej i być może jednego chyba trudnego (w trakcie tworzenia)

Algebrą nazywamy strukturę A = (A, {F i : i I }), gdzie A jest zbiorem zwanym uniwersum algebry, zaś F i : A F i

Korzystając z własności metryki łatwo wykazać, że dla dowolnych x, y, z X zachodzi

Indukcja. Materiały pomocnicze do wykładu. wykładowca: dr Magdalena Kacprzak

Zadanie 2. Obliczyć rangę dowolnego elementu zbioru uporządkowanego N 0 N 0, gdy porządek jest zdefiniowany następująco: (a, b) (c, d) (a c b d)

Zdzisław Dzedzej. Politechnika Gdańska. Gdańsk, 2013

Relacje. opracował Maciej Grzesiak. 17 października 2011

Matematyka dyskretna. 1. Relacje

domykanie relacji, relacja równoważności, rozkłady zbiorów

Wykład 10. Stwierdzenie 1. X spełnia warunek Borela wtedy i tylko wtedy, gdy każda scentrowana rodzina zbiorów domkniętych ma niepusty przekrój.

KURS MATEMATYKA DYSKRETNA

Przykład: Σ = {0, 1} Σ - zbiór wszystkich skończonych ciagów binarnych. L 1 = {0, 00, 000,...,1, 11, 111,... } L 2 = {01, 1010, 001, 11}

Przykładami ciągów, które Czytelnik dobrze zna (a jeśli nie, to niniejszym poznaje), jest ciąg arytmetyczny:

1 Działania na zbiorach

Równoliczność zbiorów

MNRP r. 1 Aksjomatyczna definicja prawdopodobieństwa (wykład) Grzegorz Kowalczyk

(4) x (y z) = (x y) (x z), x (y z) = (x y) (x z), (3) x (x y) = x, x (x y) = x, (2) x 0 = x, x 1 = x

ZLOŻONOŚĆ OBLICZENIOWA - WYK. 2

1. Funkcje monotoniczne, wahanie funkcji.

Rozdział 6. Ciągłość. 6.1 Granica funkcji

Wykład 4. Określimy teraz pewną ważną klasę pierścieni.

Indukcja matematyczna

B jest liniowo niezależny V = lin (B) 1. Układ pusty jest bazą przestrzeni trywialnej {θ}. a i v i = i I. b i v i, (a i b i ) v i = θ.

LOGIKA I TEORIA ZBIORÓW

7. CIĄGI. WYKŁAD 5. Przykłady :

Uzupełnienia dotyczące zbiorów uporządkowanych (3 lutego 2011).

Indukcja matematyczna, zasada minimum i maksimum. 17 lutego 2017

Zad. 1 Zad. 2 Zad. 3 Zad. 4 Zad. 5 SUMA

Ćwiczenia z metodyki nauczania rachunku prawdopodobieństwa

Uwaga 1. Zbiory skończone są równoliczne wtedy i tylko wtedy, gdy mają tyle samo elementów.

Rozdział 4. Ciągi nieskończone. 4.1 Ciągi nieskończone

Lista 4. Kamil Matuszewski 22 marca 2016

Struktury danych i złożoność obliczeniowa Wykład 7. Prof. dr hab. inż. Jan Magott

Grafy i Zastosowania. 9: Digrafy (grafy skierowane) c Marcin Sydow

WYŻSZA SZKOŁA INFORMATYKI STOSOWANEJ I ZARZĄDZANIA

2 Rodziny zbiorów. 2.1 Algebry i σ - algebry zbiorów. M. Beśka, Wstęp do teorii miary, rozdz. 2 11

Matematyka dyskretna - 7.Drzewa

FUNKCJE. (odwzorowania) Funkcje 1

TEORIA GRAFÓW I SIECI - ROZDZIAŁIV. Drzewa. Drzewa

Paradygmaty dowodzenia

Topologia zbioru Cantora a obwody logiczne

Matematyka dyskretna

Teoria automatów i języków formalnych. Określenie relacji

Krzywa uniwersalna Sierpińskiego

Algebry skończonego typu i formy kwadratowe

Elementy logiki i teorii mnogości

Kolorowanie płaszczyzny, prostych i okręgów

Rozkład figury symetrycznej na dwie przystające

Algorytmiczne aspekty teorii gier: Wykład 5

Logarytmy. Funkcje logarytmiczna i wykładnicza. Równania i nierówności wykładnicze i logarytmiczne.

Egzamin z logiki i teorii mnogości, rozwiązania zadań

Andrzej Wiśniewski Logika I Materiały do wykładu dla studentów kognitywistyki. Wykład 10. Twierdzenie o pełności systemu aksjomatycznego KRZ

1 Automaty niedeterministyczne

SPÓJNOŚĆ. ,...v k. }, E={v 1. v k. i v k. ,...,v k-1. }. Wierzchołki v 1. v 2. to końce ścieżki.

Algorytmiczna teoria grafów

W. Guzicki Zadanie 41 z Informatora Maturalnego poziom podstawowy 1

Jarosław Wróblewski Analiza Matematyczna 1A, zima 2012/13

Indukcja matematyczna. Zasada minimum. Zastosowania.

Lista zadań - Relacje

Teoria ciała stałego Cz. I

Statystyka i eksploracja danych

1. Synteza automatów Moore a i Mealy realizujących zadane przekształcenie 2. Transformacja automatu Moore a w automat Mealy i odwrotnie

Zbiory, relacje i funkcje

LI Olimpiada Matematyczna Rozwiązania zadań konkursowych zawodów stopnia trzeciego 3 kwietnia 2000 r. (pierwszy dzień zawodów)

Algorytmy Równoległe i Rozproszone Część V - Model PRAM II

Łatwy dowód poniższej własności pozostawiamy czytelnikowi.

Konstrukcja liczb rzeczywistych przy pomocy ciągów Cauchy ego liczb wymiernych

5. OKREŚLANIE WARTOŚCI LOGICZNEJ ZDAŃ ZŁOŻONYCH

Ilustracja S1 S2. S3 ściana zewnętrzna

Wyznaczniki 3.1 Wyznaczniki stopni 2 i 3

Teoria miary i całki

TEORETYCZNE PODSTAWY INFORMATYKI

Programowanie liniowe

Trzy razy o indukcji

Kolorowanie wierzchołków Kolorowanie krawędzi Kolorowanie regionów i map. Wykład 8. Kolorowanie

Języki, automaty i obliczenia

ZŁOŻONOŚĆ OBLICZENIOWA ALGORYTMÓW

Minimalne drzewa rozpinające

Zapisujemy to symbolicznie jako równość:. Mówimy też, że ciąg posiada granicę niewłaściwą (równą nieskończoności).

Definicja odwzorowania ciągłego i niektóre przykłady

Wstęp do Matematyki (4)

Rozważmy funkcję f : X Y. Dla dowolnego zbioru A X określamy. Dla dowolnego zbioru B Y określamy jego przeciwobraz:

Minimalizacja automatów niedeterministycznych na słowach skończonych i nieskończonych

Ciągi komplementarne. Autor: Krzysztof Zamarski. Opiekun pracy: dr Jacek Dymel

Imię, nazwisko, nr indeksu

Jarosław Wróblewski Matematyka Elementarna, lato 2012/13. Czwartek 28 marca zaczynamy od omówienia zadań z kolokwium nr 1.

Układy równań i nierówności liniowych

Metoda Tablic Semantycznych

Kombinowanie o nieskończoności. 3. Jak policzyć nieskończone materiały do ćwiczeń

Wykład 1. Na początku zajmować się będziemy zbiorem liczb całkowitych

Schemat rekursji. 1 Schemat rekursji dla funkcji jednej zmiennej

1 Podstawowe oznaczenia

F t+ := s>t. F s = F t.

ALGEBRA Z GEOMETRIĄ BAZY PRZESTRZENI WEKTOROWYCH

A i. i=1. i=1. i=1. i=1. W dalszej części skryptu będziemy mieli najczęściej do czynienia z miarami określonymi na rodzinach, które są σ - algebrami.

Zagadnienia: 1. Definicje porządku słabego i silnego. 2. Elementy minimalne, maksymalne, kresy, etc.

KONGRUENCJE. 1. a a (mod m) a b (mod m) b a (mod m) a b (mod m) b c (mod m) a c (mod m) Zatem relacja kongruencji jest relacją równoważności.

Dowód pierwszego twierdzenia Gödela o. Kołmogorowa

Logika Stosowana. Wykład 1 - Logika zdaniowa. Marcin Szczuka. Instytut Informatyki UW. Wykład monograficzny, semestr letni 2016/2017

Transkrypt:

Problemy Decyzyjne dla Systemów Nieskończonych Ćwiczenia 1 17 lutego 2012 Na tych ćwiczeniach zajmiemy się pojęciem well quasi-ordering (WQO) bardzo przydatnym do analizy nieskończonych ciągów. Definicja 1. Quasi-porządek częściowy (X, ) nazwiemy well quasi-ordering (WQO) jeżeli dla każdego nieskończonego ciągu x 1, x 2,... elementów X istnieją dwa indeksy i < j takie, że x i x j. Zasadniczo będziemy stosować WQO w sytuacjach, gdy (X, ) jest porządkiem częściowym, więc jeżeli ktoś zdecydowanie woli, to niech myśli o porządku częściowym. Quasi-porządek różni się tym od porządku, że nie jest antysymetryczny, czyli w quasi-porządku może zdarzyć się sytuacja, że x y, x y, ale x y (w porządku to jest zabronione). WQO będzie się nam przydawało do analizy biegów systemów nieskończonych. Jeżeli (X, ) jest WQO, to znaczy, że w każdym biegu prędzej, czy później zdarzy się taka sytuacja, że trafiliśmy na konfigurację większą od wcześniej napotkanej. To pozwala często na skonstruowanie algorytmu. 1. Pokaż, że (N, ) jest WQO. spróbujmy skonstruować kontrprzykład zacznijmy od pewnego k N każdy następny wyraz musi być mniejszy od poprzedniego, czyli nie da rady skonstruować nieskończonego ciągu 2. WQO można wzmocnić Pokaż, że jeśli (X, ) jest WQO, to dla każdego ciągu nieskończonego x 1, x 2,... elementów X istnieje nieskończony podciąg ściśle rosnący, czyli x i1, x i2,... taki, że x ij x ij+1. przyjrzyjmy się które ciągi rosnące można przedłużać do dłuższych ciagów rosnących spójrzmy na te elementy x i, które nie mają w dalszej części ciągu większego od siebie czy takich elementów może być nieskończenie wiele 1

nie - bo wówczas ciąg skonstruowany z nich przeczyłby warunkowi WQO niech ostatni taki element bez następnika to x j zaczynając z x j+1 i idąc zawsze do następnika skonstruujemy ciąg nieskończony 3. Iloczyn WQO Pokaż, że jeśli (X, X ) i (Y, Y ) są WQO, to (X Y, ) zdefiniowany jako: (x 1, y 1 ) (x 2, y 2 ) (x 1 x 2 ) (y 1 y 2 ) też jest WQO. znajdziemy 2 elementy porównywalne - skorzystajmy z zadania 2 z zadania 2 istnieje nieskończony ciąg rosnący elementów X, weźmy odpowiadający ciąg (x i1, y i1 ), (x i2, y i2 ),..., gdzie x ij X x ij+1 dla każdego j ponieważ (Y, Y ) też jest WQO, to istnieją indeksy k < l takie, że y ik y il czyli (x ik, y ik ) (x il, y il ), zrobione Y Wnoskiem z zadań 1 oraz 3 jest następujący lemat. Lemat 1 (Dicksona). (N k, ) jest WQO. Porządek definiujemy naturalnie jako (x 1,..., x k ) (y 1,..., y k ) 1 i k x i y i. Lemat Dicksona jest bardzo ważny, odgrywa istotną rolę w wielu trudnych rezultatach dotyczących rozstrzygalności. 4. Warunki równoważne WQO Pokaż, że (X, ) jest WQO wtedy i tylko wtedy, gdy w X nie ma nieskończonego ciągu zstępującego oraz nieskończonego antyłańcucha. antyłańcuch to jest zbiór elementów parami nieporównywalnych najpierw banalne - gdyby istniał antyłańcuch lub ciąg, to przeczyłby warunkowi WQO teraz - trudniej spróbujmy skonstruować kontrprzykład, spójrzmy na elementy nie posiadające następnika (tym razem mniejszego elementu dalej w ciągu) 2

elementów bez następnika jest nieskończenie wiele: idziemy do następnika itd. aż w końcu się zatrzymamy (bo skonstruowalibyśmy ciąg nieskończony zstępujący), zaczynamy z następnego elementu itd. spójrzmy na ten ciąg elementów bez następnika, żaden z nich nie jest większy od elementu dalej w ciągu, jeżeli żaden nie jest też mniejszy (zaprzeczenie WQO), to wszystkie są nieporównywalne, czyli tworzą nieskończony antyłańcuch (sprzeczność) Uwaga 1. Zwróćmy uwagę, że zadanie 4 mówi, że w porządkach dobrze ufundowanych (czyli takich bez nieskończonego ciągu zstępującego) warunek WQO jest równoważny nieistnieniu nieskończonego antyłańcucha. Dowolnie duże antyłańcuchy mogą jednak istnieć, np. dla N 2 antyłańcuchem rozmiaru n + 1 jest zbiór {(x, y) : x + y = n}. 5. Przykład nie WQO Pokaż, że drzewa z porządkiem bycia podgrafem nie są WQO. wskaż nieskończony antyłańcuch n-ty graf to ścieżka o n krawędziach, gdzie do końcowych wierzchołków doczepione są jeszcze po dwie dodatkowe krawędzie, to tworzy antyłańcuch Drugim z ważnych lematów dotyczących WQO, także bardzo szeroko wykorzystywany jest lemat dotyczący porządku na słowach. Słowo s jest mniejsze od słowa t jeżeli jest jego podciągiem, na przykład abc daddbcd. Lemat 2 (Higmana). Dla Σ < porządek (Σ, ) jest WQO. Jest też wersja ogólniejsza, porządek jest teraz zdefiniowany tak, że s t jeżeli istnieje podciąg t długości s, który na każdej pozycji jest większy od odpowiadającej pozycji w s. Na przykład 456 1151671. Lemat 3 (Higmana ogólny). Jeżeli (X, ) to wówczas również (X, ) jest WQO. Dowód. Przypuśćmy, że teza jest fałszywa i (X, ) nie jest WQO, istnieje więc kontrprzykład - nieskończony ciąg bez pary i < j, x i x j. Skonstruujemy teraz kontrprzykład najmniejszy w naszym specjalnym sensie. Spójrzmy na wszystkie kontrprzykłady i wybierzmy taki, że jego pierwszy wyraz jest najkrótszy - wpiszmy go jako pierwszy wyraz naszego ciągu: x 1. Spójrzmy teraz na wszystkie kontrprzykłady i tym pierwszym wyrazie i wybierzmy taki, że jego drugi wyraz jest najkrótszy - wpiszmy go jako drugi wyraz 3

naszego ciągu: x 2. Postępując dalej w ten sposób otrzymamy pewien kontrprzykład: x 1, x 2, x 3,... taki, że nie można zmniejszyć długości żadnego jego słowa (i ewentualnie tych na prawo od niego) z zachowaniem własności bycia kontrprzykładem. Ponieważ (X, ) jest WQO, to możemy z tego ciągu wybrać nieskończony podciąg taki, że ciąg pierwszych liter jest rosnący, mianowicie: x i1, x i2, x i3,... Niech teraz x i j to słowo x ij bez pierwszej litery. Zauważmy teraz, że w ciąg: x 1, x 2,..., x i1 1, x i 1, x i 2, x i 3,... również jest kontrprzykładem, a do tego mniejszym od uprzednio rozważanego (gdyż długość słowa x i 1 jest mniejsza niż x i1 ), sprzeczność. 6. Podzbiory a WQO Rozstrzygnij, czy prawdziwa jest implikacja: (X, ) jest WQO = (P(X), wl ) jest WQO, gdzie dla Y, Z P(X) mówimy, że Y wl Z gdy istnieje funkcja różnowartościowa f : Y Z taka, że dla każdego y Y zachodzi y f(y). Na przykład {2, 3, 8} wl {1, 4, 7, 8}. Okazało się, że nie umiemy tego zrobić na ćwiczeniach, będzie później (jeśli się uda rozstrzygnąć). 7. Skończone podzbiory a WQO Rozstrzygnij, czy prawdziwa jest implikacja: (X, ) jest WQO = (P fin (X), wl ) jest WQO, gdzie przez P fin (X) rozumiemy skończone podzbiory X. skorzystać z lematu Higmana każdy zbiór skończony Y można jakoś zapisać jako słowo, ustalmy to jako zap(y ) rozważmy ciąg zbiorów X 1, X 2,..., z lematu Higmana mamy, że zap(x i ) zap(x j ) dla pewnego i < j wówczas również X i wl X j 4

8. Higman na nieskończonych słowach Rozstrzygnij, czy ogólna wersja lematu Higmana jest też prawdziwa dla nieskończonych słów. Nie rozstrzygnęliśmy tego na ćwiczeniach, udało się jedynie ustalić, że okrojona wersja (dla skończonego alfabetu) jest prawdziwa na nieskończonych słowach. Zapewne zadanie pojawi się jeszcze później (może na ćw. 3). Dalszymi rozszerzeniami lematu Higmana są twierdzenie Kruskala i twierdzenie Robertson-Seimura. Tw. Kruskala mówi o tym, że porządek bycia poddrzewem (analogicznie jak podsłowem) dla (skończonych) drzew jest WQO. Dowód zajmuje około stronę i jest nieco trudniejszy niż dowód lematu Higmana (można go znaleźć na stronie http://www.mimuw.edu.pl/ malcin/grafy/). Tw. Robertsona-Seimura mówi, że dla grafów porządek bycia minorem jest WQO (porządek bycia podgrafem jak pokazaliśmy nie działa). Dowód tego twierdzenia to seria około 20 długich artykułów pisanych przez lata, wyrosła z tego cała nowa teoria (też można nieco poczytać pod powyższym linkiem). 5