Кіріспе
Сызықтарды қайта жазу жүйесі Теориялық компьютерлік ғылымда және математикалық логикада, тарихи түрде жартылай Тюе жүйесі деп аталатын, (әдетте шекті) әліпбидегі тізбектерді қайта жазу жүйесі. Берілген алфавиттегі белгілі тізбектер арасындағы екілік қатынас, қайта жазу ережелері деп аталады, , SRS қайта жазу қатынасын барлық тізбектерге кеңейтеді, онда ережелердің сол жағы мен оң жағы қосалқы тізбектер ретінде кездеседі, яғни , , және тізбектер. Жартылай Тюе жүйесінің түсінігі моноидтың берілуімен сәйкес келеді. Осылайша, олар моноидтар мен топтар үшін сөз мәселесін шешу үшін табиғи аясты құрайды. SRS-ті тікелей абстрактілі қайта жазу жүйесі ретінде анықтауға болады. Оны сондай-ақ барлық функциялық символдардың ариттігі ең көп дегенде 1-ге тең болатын терминдерді қайта жазудың шектеулі түрі ретінде қарастыруға болады. Формализм ретінде, сызықтарды қайта жазу жүйелері Тьюринг толық. Жартылай Тюе атауы норвег математигі Аксель Тюеден шыққан, ол 1914 жылы жарияланған мақаласында сызықтарды қайта жазу жүйелерін жүйелі түрде енгізген. Тюе бұл түсінікті шекті түрде берілген жартылай топтар үшін сөз мәселесін шешуді үміттене отырып енгізді. Тек 1947 жылы ғана мәселенің шешілмейтіндігі дәлелденді – бұл нәтиже Эмиль Пост және А. А. Марков кішісі тарапынан тәуелсіз түрде алынды.
In theoretical computer science and mathematical logic a string rewriting system (SRS), historically called a semi Thue system, is a rewriting system over strings from a (usually finite) alphabet. Given a binary relation between fixed strings over the alphabet, called rewrite rules, denoted by , an SRS extends the rewriting relation to all strings in which the left and right hand side of the rules appear as substrings, that is , where , , , and are strings. The notion of a semi Thue system essentially coincides with the presentation of a monoid. Thus they constitute a natural framework for solving the word problem for monoids and groups. An SRS can be defined directly as an abstract rewriting system. It can also be seen as a restricted kind of a term rewriting system, in which all function symbols have an arity of at most 1. As a formalism, string rewriting systems are Turing complete. The semi Thue name comes from the Norwegian mathematician Axel Thue, who introduced systematic treatment of string rewriting systems in a 1914 paper. Thue introduced this notion hoping to solve the word problem for finitely presented semigroups. Only in 1947 was the problem shown to be undecidable— this result was obtained independently by Emil Post and A. A. Markov Jr.
Түйелік сәйкестік
Жалпы алғанда, әліпбидегі тізбектер жиынтығы тізбекті қосып жазудың екілік операциясымен бірге еркін моноид құрайды (символды түсіріп, көбейту арқылы жазылады). SRS-де, азайту қатынасы моноид операциясымен үйлесімді, яғни егер болса, барлық тізбектер үшін болады. Сол сияқты, рефлексивті, транзитивті және симметриялық жабылу, деп белгіленеді (абстрактілі қайта жазу жүйесі#Негізгі түсініктер қараңыз), конгруенция болып табылады, яғни ол эквиваленттік қатынас (анықтама бойынша) және тізбекті қосып жазумен де үйлесімді. Бұл қатынас R-мен туындаған Тью конгруенциясы деп аталады. Тью жүйесінде, яғни R симметриялық болса, қайта жазу қатынасы Тью конгруенциясымен сәйкес келеді.
Басқа ұғымдармен байланысы
Жартылай Thue жүйесі – бұл терминдерді қайта жазу жүйесі, онда монодтық сөздер (функциялар) сол және оң жақтағы терминдермен бірдей айнымалымен аяқталады, мысалы, термин ережесі тізбек ережесімен тең. Жартылай Thue жүйесі – Post канонды жүйесінің ерекше түрі, бірақ кез келген Post канонды жүйесі SRS-ке дейін қысқартылуы мүмкін. Екі формализм де Тьюринг толықтығымен сипатталады, сондықтан олар Ноам Чомскийдің шектеусіз грамматикасына тең, олар кейде жартылай Thue грамматикасы деп аталады. Формальды грамматика жартылай Thue жүйесінен тек алфавитті терминалдар мен терминал емес символдарға бөлу және терминал емес символдар арасында бастапқы символды бекіту арқылы ерекшеленеді. Авторлардың аз бөлігі жартылай Thue жүйесін үштік ретінде анықтайды, мұнда аксиомалар жиыны деп аталады. Осы «генеративті» жартылай Thue жүйесі анықтамасы бойынша, шектеусіз грамматика – тек бір аксиомасы бар жартылай Thue жүйесі, онда алфавит терминалдар мен терминал емес символдарға бөлінеді және аксиома терминал емес символ болып табылады. Алфавитті терминалдар мен терминал емес символдарға бөлудің қарапайым тәсілі өте күшті, ол ережелердегі терминалдар мен терминал емес символдардың комбинациясына негізделген Чомский иерархиясын анықтауға мүмкіндік береді. Бұл формальды тілдер теориясындағы маңызды жетістік болды. Кванттық есептеуде кванттық Thue жүйесін құруға болады. Кванттық есептеулер өзінен-өзі қайтымды болғандықтан, алфавит бойынша қайта жазу ережелері екі бағытта болуы керек (яғни, негізгі жүйе Thue жүйесі, жартылай Thue жүйесі емес). Алфавит символдарының ішкі жиынына Хилберт кеңістігін қосуға болады, ал бір қосалқы тізбекті екіншісіне ауыстыру қайта жазу ережесі тізбектерге қосылған Хилберт кеңістігінің тензорлық көбейтіндісінде унитарлық операцияны жүзеге асыруы мүмкін; бұл олар жиынтықтағы символдар санын сақтайтынын білдіреді. Классикалық жағдайға ұқсас, кванттық Thue жүйесі кванттық есептеудің әмбебап есептеу моделі екенін көрсетуге болады, яғни орындалған кванттық операциялар біртекті схемалар класына сәйкес келеді (мысалы, BQP-де, мысалы, кіріс мөлшеріне қатысты полиномдық қадамдар ішінде тізбекті қайта жазу ережелерінің аяқталуына кепілдік беру), немесе баламалы түрде Кванттық Тьюринг машинасы.
A semi Thue system is also a special type of Post canonical system, but every Post canonical system can also be reduced to an SRS. Both formalisms are Turing complete, and thus equivalent to Noam Chomsky's unrestricted grammars, which are sometimes called semi Thue grammars. A formal grammar only differs from a semi Thue system by the separation of the alphabet into terminals and non terminals, and the fixation of a starting symbol amongst non terminals. A minority of authors actually define a semi Thue system as a triple , where is called the set of axioms. Under this "generative" definition of semi Thue system, an unrestricted grammar is just a semi Thue system with a single axiom in which one partitions the alphabet into terminals and non terminals, and makes the axiom a nonterminal. The simple artifice of partitioning the alphabet into terminals and non terminals is a powerful one; it allows the definition of the Chomsky hierarchy based on what combination of terminals and non terminals the rules contain. This was a crucial development in the theory of formal languages. In quantum computing, the notion of a quantum Thue system can be developed. Since quantum computation is intrinsically reversible, the rewriting rules over the alphabet are required to be bidirectional (i. e. the underlying system is a Thue system, not a semi Thue system). On a subset of alphabet characters one can attach a Hilbert space , and a rewriting rule taking a substring to another one can carry out a unitary operation on the tensor product of the Hilbert space attached to the strings; this implies that they preserve the number of characters from the set Similar to the classical case one can show that a quantum Thue system is a universal computational model for quantum computation, in the sense that the executed quantum operations correspond to uniform circuit classes (such as those in BQP when e. g. guaranteeing termination of the string rewriting rules within polynomially many steps in the input size), or equivalently a Quantum Turing machine.
Тарих және маңызы
Жартылай Тью жүйелері логикаға қосымша құрылымдар енгізу бағдарламасының бір бөлігі ретінде жасалды, мақсаты – жалпы математикалық теоремаларды формалды тілде жазуға және оларды автоматты түрде, механикалық жолмен дәлелдеуге және тексеруге мүмкіндік беретін, мысалы, мәндік логика сияқты жүйелер құру болатын. Теореманы дәлелдеу процесін белгілі бір жолдар жиынындағы анықталған амалдар жиынтығына дейін тоғытуға үміт тігілген. Кейіннен жартылай Тью жүйелерінің шектеусіз грамматикаға изоморфты екені, ал олардың Тьюринг машиналарына изоморфты екені анықталды. Бұл зерттеу әдісі табысқа жетті және қазір компьютерлер математикалық және логикалық теоремалардың дәлелдерін тексеру үшін қолданылуда. Алонзо Черчтің ұсынысымен Эмил Пост 1947 жылы жарияланған мақаласында алғаш рет "Тьюдің белгілі бір мәселесінің" шешілмейтіндігін дәлелдеді, Мартин Дэвис оны "классикалық математикадағы мәселенің шешілмейтіндігіне қатысты алғашқы дәлел, бұл жағдайда жартылай топтар үшін сөз мәселесі" деп атады. Дэвис сондай-ақ бұл дәлелді А.А. Марков та тәуелсіз түрде ұсынғанын мәлімдейді.
Монографиялар
Рональд В. Бук және Фридрих Отто, Стрингтерді қайта жазу жүйелері, Springer, 1993, Маттиас Янтцен, Конфлюентті жолдарды қайта жазу, Birkhäuser, 1988.
Оқулық
Мартин Дэвис, Рон Сигал, Элейн Дж. Вейукер, Есептеу мүмкіндігі, күрделілік және тілдер: теориялық компьютер ғылымының негіздері, 2-ші басылым, Академиялық баспа, 1994, 7-тарау.
Элейн Рич, Автоматтар, есептеу мүмкіндігі және күрделілік: теория және қолданылуы, Прентис Холл, 2007, 23.5-тарау.
Elaine Rich, Automata, computability and complexity: theory and applications, Prentice Hall, 2007, , chapter 23.5.
Сауалнамалар
Самсон Абрамский, Дов М. Габбай, Томас С. Э. Майбаум (ред.), Компьютерлік ғылымдағы логика нұсқаулығы: Семантикалық модельдеу, Оксфорд университетінің баспасы, 1995, Grzegorz Rozenberg, Arto Salomaa (ред.), Формальды тілдер нұсқаулығы: Сөз, тіл, грамматика, Спрингер, 1997.