Vince Jiang

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CSCI3130 L04 Part 3 非正则语言

课程:CSCI3130 Formal Languages and Automata Theory · 资料包,学期待核 本讲:L04 Part 3 非正则语言 · 原件 L04-正则语言性质-资料包.pdf(本地课件) p.45–101 定位:从有限状态重复推出泵引理,并逐题检查反证的量词与边界。 前后:上一份 L04-P2-判定问题.md · 下一份 L04-P4-结尾小测.md

p.45 Outline,进入非正则语言证明。

找不到 DFA 并不等于不存在(p.46–48)【新】

p.46 图把有限语言放在正则语言内部,把 anbna^nb^n、偶数长回文放在正则之外。p.47 需要证明任何有限状态数都不够,不是报告自己没画出机器。p.48 引入抽屉原理:有限容器装太多对象,至少一个容器重复使用。接下来把它用于状态访问,而不是把字母表大小当作状态数。

抽屉原理的计数(p.49–51)

p.49–50 四只鸽子进三个洞:若每洞至多一只,总数至多3,与4冲突,故有洞至少两只。p.51 一般化为 n 个对象放入 m 个洞且 n>m。需要严格大于;恰好 m 个对象进 m 个洞时完全可以一一对应。

从鸽子转成状态(p.52–54)

p.52 汇总抽屉原理,p.53 准备把访问时刻对应鸽子、机器状态对应洞。p.54 四状态图中 q2q_2 同时有 b 自环和指向 q3q_3 的 b 边;已核对渲染,p.55–57 对应向右边改为 a。以下跑例以 p.55–57 的图为准,不把 p.54 那幅称为已满足确定性的 DFA。

为什么长度四就保证重复(p.55–57)

p.55 图的路径:a 为 q1,q2q_1,q_2;aa 为 q1,q2,q3q_1,q_2,q_3;aab 为 q1,q2,q3,q4q_1,q_2,q_3,q_4,尚无重复。p.56 的 aabb 最后在 q4q_4 自环,所以重复;bbaa 一开始就重复 q1q_1。短串也可能重复,长度门槛只是保证,不是充要条件。

p.57 写“transitions ... more than the states”;长度恰4只有4次转移,与4状态相等。严谨计数应是包括初态在内的5次状态访问进入4个状态,必有重复。这个计数已按图重算,不改变讲义所需结论。

无穷前缀挤进有限状态(p.58–60)

p.58–59 一般 m 状态 DFA 在读至少 m 位时,前 m 步产生 m+1 次状态访问,故有重复。p.60 用这个思想直接证明 {anbn:n≥0}\{a^nb^n:n\ge0\} 非正则。若一台有限机接受它,无穷多个前缀 aia^i 中有两个不同长度 n、m 到相同状态 q。接上相同后缀 bnb^n 后机器行为相同;anbna^nb^n 应接受,便会错误接受 ambna^mb^n。因 n≠m,后者不在语言中,矛盾。

泵引理从接受路径出发(p.61–63)

p.61 To accept all anbn, an automaton would have to differentiate between all prefixes an and am.

p.61 总结困难是必须区分无限多计数。p.62 假设 L 正则,取一台 m 状态 DFA;p.63 取其语言中一个足够长串 w,路径最后必须到终态。为什么要求 w 属于 L:以后只改路径中间的环,原路径的后半段才有接受保证。

第一次重复决定分割(p.64–66)

p.64 由长度至少 m 得重复状态。p.65 在前 m 步里找第一次重复的状态 q;p.66 把输入切成 x、y、z:x 到第一次 q,y 绕回同一 q,z 从 q 到终态。切分不是凭字符串长相随便挑,它来自假设存在的机器;证明者通常不知道机器,因此也不能控制具体哪一段是 y。

删环与多绕一圈(p.67–69)

p.67 得 ∣xy∣≤m\lvert xy\rvert\le m 且 ∣y∣≥1\lvert y\rvert\ge1。前者因为第二次 q 出现在前 m 步,后者因为两次访问时刻不同。p.68 删掉环,x 后直接走 z,仍到同一终态。p.69 多走一圈,xyyz 也接受。y 不能空,否则任意串都能选一个毫无作用的“环”,定理就失去约束。

任意非负次重复(p.70–72)

p.70 再多绕一圈得到 xyyyz;p.71–72 总结 xyiz∈Lxy^iz\in L 对全部整数 i≥0 成立。i=0 是删环,i=1 是原串,i=2 是加一次。每次 y 都回到同一状态,所以无论循环多少次,z 的起点没有改变。

量词顺序就是游戏规则(p.73–75)【新】

p.73 为定理命名;p.74 给出条件,重排为:若无限语言 L 正则,则存在 m≥1,使所有长度至少 m 的 w∈L,都存在分解 w=xyz,满足两条长度限制,并且对所有 i≥0,xyiz∈Lxy^iz\in L。

p.75 的反证游戏按“对方给 m → 我选 w → 对方切 xyz → 我选 i”。证明非正则时,我选的 w 可以依赖 m,选择 i 可以依赖 y;却必须击败每个合法分割。展示一个坏分割不够,因为定理只承诺至少一个好分割。也不能用泵引理证明正则,它是正则性的必要条件。

p.76 Applications 分节页。

将两层“可以依赖”写在纸上(补充):反证可以整理为

∀m≥1∃w∈L∀(x,y,z) legal∃i≥0: xyiz∉L. \forall m\ge1\quad\exists w\in L\quad\forall (x,y,z)\text{ legal}\quad\exists i\ge0:\ xy^iz\notin L.

其中 legal 指 w=xyzw=xyz、∣xy∣≤m\lvert xy\rvert\le m、∣y∣≥1\lvert y\rvert\ge1,且所选 w 需满足 ∣w∣≥m\lvert w\rvert\ge m。先知道 m 再选 w,所以允许指数中出现 m;先看任意 y 的长度 k 再选 i,所以阶乘例允许 i 依赖 k。但你不能先挑自己喜欢的 y 再说“所有分割如此”,也不能用对某一个特定 m 成功来替代所有 m。m 不一定是最小泵长度,更不是输入长度本身。

拿 ambma^mb^m 作练习,即使 x 空、y 含前 m 个 a,或 x 很长、y 只有一个 a,统一描述 y=ak,1≤k≤my=a^k,1\le k\le m 都包含它们。这里的长度条件不可省略:k≥1k\ge1 保证真的改变数量;∣xy∣≤m\lvert xy\rvert\le m 保证 x、y 都落在前 m 个 a 中,因而 y 不会碰到 b,并推出 k≤mk\le m。证明中每个长度条件都在承担不同任务。

等量 a、b:选串(p.77–79)

题面(本讲 · Example 4.7 · p.77;公式按讲义重排)

p.77 The language L={anbn:n≥0}L=\{a^nb^n:n\ge0\} is not regular.

p.78 反设正则,p.79 令 m 为其泵长度,选 w=ambmw=a^mb^m。它确实属于 L,长度2m≥m。把两段都设为 m 的目的,是让前 m 位全部是 a,强迫可泵段不能跨到 b。

任意分割都只改变 a(p.80–82)

p.80 对任何合法 xyz,y=aky=a^k,1≤k≤m。p.81 取 i=2;p.82 得 xy2z=am+kbmxy^2z=a^{m+k}b^m。无需知道 x 多长,只需知道 y 全是 a 且非空。先规定“y就是第一个a”会丢掉对所有分割的论证。

矛盾与回文的选串(p.83–85)

p.83 因 m+k≠m,新串不在 L,与泵引理冲突。

题面(本讲 · Example 4.8 · p.84;公式按讲义重排)

p.84 Show that L={wwR:w∈Σ∗}L=\{ww^R:w\in\Sigma^{\ast}\} is not regular.

本例使用两种不同字母 a、b,适用的字母表至少包含它们;若仅一字母,语言会是偶数长度语言,结论不能照搬。p.85 取见证串 ambmbmama^mb^mb^ma^m,前一半是 ambma^mb^m,后一半确为其反转。

回文两端必须同步(p.86–88)

p.86 任意合法 y 仍为 aka^k,1≤k≤m,只在最左一段。p.87 取 i=2;p.88 左端变为 m+k 个 a,右端仍 m 个 a,中间有2m个 b。因为中间 b 非空,左右连续 a 段长度不等,串不再回文,故不在该偶数回文语言。

选串失败的原因与严格不等(p.89–91)

p.89 完成回文反证。p.90 若改选纯 a 的 a2ma^{2m},对方可让 y 为偶数长度,每次泵后仍是偶长纯 a 回文,无法保证矛盾。选串要把需要同步的两处隔开。

题面(本讲 · Example 4.9 · p.91;公式按讲义重排)

p.91 Let Σ={a,b}\Sigma=\{a,b\}. The language L={w∈Σ∗:na(w)<nb(w)}L=\{w\in\Sigma^{\ast}:n_a(w)<n_b(w)\} is not regular.

取 ambm+1a^mb^{m+1},任意 y=aka^k,k≥1,i=2 后 a 有 m+k≥m+1 个,已不再严格少于 b。等号就足以违背严格小于,无须强求 a 更多。

交替块与平方长度(p.92–93)

题面(本讲 · Example 4.10、4.11 · p.92–93;公式按讲义重排)

p.92 Let Σ={a,b}\Sigma=\{a,b\}. The language L={(ab)nak:n>k,k≥0}L=\{(ab)^na^k:n>k,k\ge0\} is not regular.

取讲义的 (ab)m+1am(ab)^{m+1}a^m,y 落在交替前缀内。讲义只列 y=a 或 ab,这不穷尽任意分割;补全为:若删掉的 y 长为奇数,拼接会破坏 ab 的交替,出现开头 b 或内部 aa、bb,且拼接点仍在后续 b 之前,不能藏进末尾纯 a 段。若长为2d,则删后交替块只剩 m+1−d≤m 个,尾端仍 m 个 a,违反 n>k。因此所有分割取 i=0 都失败。

p.93 Let Σ={a}\Sigma=\{a\}. The language L={an:n is a perfect square}L=\{a^n:n\text{ is a perfect square}\} is not regular.

取 am2a^{m^2},y=aka^k,1≤k≤m。讲义删环得指数 m2−km^2-k,对 m≥2 它严格位于 (m−1)2(m-1)^2 与 m2m^2 间:下界至少 m2−mm^2-m,比 (m−1)2(m-1)^2 大 m−1。泵长度可增大到至少2,因此论证成立;若不说明这个条件,m=1,k=1 时删后为平方数0。另一种补充处理是 i=2,此时 m2<m2+k<(m+1)2m^2<m^2+k<(m+1)^2 对全部 m≥1 成立。

两种闭合计数关系(p.94–95)

题面(本讲 · Example 4.12、4.13 · p.94–95;公式按讲义重排)

p.94 Let Σ={a,b,c}\Sigma=\{a,b,c\}. The language L={anbkcn+k:n≥0,k≥0}L=\{a^nb^kc^{n+k}:n\ge0,k\ge0\} is not regular.

取 ambmc2ma^mb^mc^{2m},任意 y=ata^t,1≤t≤m;删掉后 a、b 总数为2m−t,c 数仍2m,条件失败。讲义另用同态 h(a)=a、h(b)=a、h(c)=c,得到 {arcr:r≥0}\{a^rc^r:r\ge0\}。如果原语言正则,其同态像必正则,和已证非正则矛盾。

p.95 Let Σ={a,b}\Sigma=\{a,b\}. The language L={anbl:n≠l}L=\{a^nb^l:n\ne l\} is not regular.

取 am!b(m+1)!a^{m!}b^{(m+1)!},其中两指数不同;任意 y=aka^k,1≤k≤m。因为 k 整除 m!,选

i=1+mm!k i=1+\frac{mm!}{k}

为正整数,泵后 a 指数 m!+(i−1)k=m!+mm!=(m+1)!m!+(i-1)k=m!+mm!=(m+1)!,与 b 相等,离开 L。讲义右上也给封闭性捷径:L‾∩L(a∗b∗)={anbn:n≥0}\overline L\cap L(a^{\ast}b^{\ast})=\{a^nb^n:n\ge0\};交上有序串语言,才能排除补集中杂乱次序的串。

三个常见逻辑错误(p.96–98)

p.96 总列不能用引理证正则、不能从语言外选串、不能自定分割。p.97 强调即使未能泵出语言,也不推出正则。p.98 的素数语言不能直接选 ama^m,m 未必素数;必须选素数 p≥m,再用 apa^p。见证串的成员资格是证明的第一道门槛。

素数语言:不用猜 y 的奇偶(p.99–100)

p.99 错误做法是假设 y 的长度为奇数,再希望删后变偶数;对手不必照此切,偶数2本身又是素数。

题面(本讲 · p.100;公式按讲义重排)

p.100 Let Σ={a}\Sigma=\{a\}. The language L={an:n is a prime number}L=\{a^n:n\text{ is a prime number}\} is not regular.

取素数 p≥m,w=apa^p;任意 y=aka^k,1≤k≤m,令 i=p+1,泵后长度 p+(i−1)k=p(k+1)p+(i-1)k=p(k+1)。两个因子都大于1,所以是合数,无论 k 奇偶均失败。这才覆盖所有分割。

p.101 Questions 结束页;后面小测另列 Part 4。

考试角度:(C 级 通识)常见考法是核对量词、选择有边界的见证串、覆盖全部分割,并说明泵后破坏的究竟是次序还是计数关系。

考试角度:(A 级:HW03-2025T1-题目.pdf Q1,考的是差额不等与带分隔复制的非正则性。)见附录 A1。

考试角度:(A 级:期中练习-含解答-学期待核.pdf Q4(1–3),对应奇回文、平衡计数与指数间隔;扫描卷题面经视觉读取,练习卷不冒称正式考卷。)见附录 A2。

自检:选定见证后,找到一个分割泵不出去,能否宣布语言正则?

分割成功只对应量词链中的哪一小部分?

展开推理与答案

不能。它可能说明这个见证不适合当前证明,也可能说明所选泵次数不合适。正则性要求存在一台有限自动机等正面证据;泵引理本身只给必要条件,即使某语言对所有足够长串都存在好分割,也不能仅凭这一点证明正则。

四状态原例的全部转移与长串(p.55–59)

状态 读 a 读 b
q1(初态) q2 q1
q2 q3 q2
q3 q2 q4
q4(终态) q3 q4

p.56 列出的 abbabb 依次访问 q1,q2,q2,q2,q3,q4,q4,途中已有重复,而且最终接受。abbbabbabb 依次访问 q1,q2,q2,q2,q2,q3,q4,q4,q3,q4,q4。多个重复点可供选取,但泵引理只需找到其中一段非空闭路,不要求所有重复段都选,也不要求重复发生在终态。

p.74 采用“无限正则语言”的表述,因为接下来要挑任意长见证。更一般的正则泵引理也适用于有限语言:取 m 大于所有成员长度,就没有满足长度门槛的成员,条件空真。于是“无限”不是证明正则性的办法,亦不能把“有限语言没有长串可泵”误判为违反引理。

本讲核心考点

  • m 步产生 m+1 次状态访问(p.54–59,C 级)。
  • 泵引理的量词与游戏顺序(p.62–75,C 级)。
  • 等量、回文及不等式见证串(p.77–92,C 级)。
  • 平方、阶乘与素数的指数选择(p.93–100,C 级)。

附录

本部分没有需要另列的推导;定义与算例在相应页段内。

A1 作业/往年题演练(非讲义内容):差额不等与带分隔复制的非正则性

题面块(HW03-2025T1-题目.pdf(本地课件) · Q1 · p.1;公式按原件重排):

p.1 (20pts) Prove the following languages are not regular:

p.1 1) L={anbmak:k≠m−n,m≥n}L=\{a^n b^m a^k:k\ne m-n,m\geq n\}.

p.1 2) L={wcw:w∈{a,b}⋆}L=\{wcw:w\in\{a,b\}^{\star}\}.

1)反设正则,泵长p。选 apbp+2p!ap!a^p b^{p+2p!}a^{p!},中段减首段为2p!,不等于末段p!,故在L。任何合法分解的非空泵段为aˢ,1≤s≤p。取i=1+p!/s,为整数。首段变p+p!,中段不变,所以m−n=p!恰等于末段;仍满足m≥n,却违反不等条件。对所有分解均有此泵次数,矛盾。自取p=3、s=2,原指数3、15、6,泵i=4后首段9,15−9=6,确实出L。

2)选aᵖcaᵖ,任何合法泵段都在左侧a中,长s≥1。取i=0得到aᵖ⁻ˢcaᵖ,两侧长度不同,不能是同一个w,故出L。分隔c唯一,无法另选一个切口挽救。证明并非对一个特定分解,而覆盖前p格内的全部非空泵段。

回到正文:差额不等与带分隔复制的非正则性

A2 作业/往年题演练(非讲义内容):奇回文、平衡计数与指数间隔

题面块(期中练习-含解答-学期待核.pdf(本地课件) · Q4 · p.3;公式重排):

p.3 Prove that the following language is not regular:

p.3 1. LA={w∈{a,b}⋆:w is a palindrome of odd length}L_A=\{w\in\{a,b\}^{\star}:w\text{ is a palindrome of odd length}\}.

p.3 2. LB={w∈{0,1}⋆:#0(w)=#1(w)}L_B=\{w\in\{0,1\}^{\star}:\#0(w)=\#1(w)\}.

p.3 3. LC={a2i:i≥0}L_C=\{a^{2^i}:i\geq0\}.

每题独立反设正则,设泵长p。1取aᵖbaᵖ,合法泵段在左a中,长s≥1,泵2次得aᵖ⁺ˢbaᵖ。唯一b的左右长度不等,不是回文,无论总长是否仍奇都出L。2取0ᵖ1ᵖ,抽掉非空左0段,0数变p−s、1数p,出L。3取长度 2p+12^{p+1},泵段长1≤s≤p,泵2次后长度在 2p+12^{p+1} 与 2p+22^{p+2} 严格之间,因为s<2^{p+1};它不可能是2的整数幂。所有合法分解都受相同前p格约束,因此三项量词均闭合。

自取p=3说明第3项:见证长16,加1、2、3分别得17、18、19,都夹在16和32之间;正式证明不是只检查这些有限数。

回到正文:奇回文、平衡计数与指数间隔

来源与证据

历史版本考试证据(本次未重新读取全部试卷):读了 HW01-2025T1-题目.pdf、HW01-2026T1-题目.pdf、HW02-2025T1-题目-更新.pdf、HW03-2025T1-题目.pdf、HW04-2025T1-题目.pdf、HW05-2025T1-题目.pdf、期中练习-含解答-学期待核.pdf、期末-2022T1-资料包.pdf、Final-Exam-2023T1-题目.pdf、Final-Exam-2024T1-题目.pdf、Final-Exam-2025T1-题目.pdf、期末-2023T1-资料包.pdf、期末-2024未核-资料包.pdf;未识别用途的 PDF:无

  • 原件:L04-正则语言性质-资料包.pdf(本地课件),PDF p.45–101。

  • 本次独立学习修订:核对本讲全部103页的文本,视觉复核 p.16–17、21、26、42、54–56、102–103;图示以表格、轨迹和证明展开。