Введение

Алгоритм завершения Кнута — Бендикса (названный в честь Дональда Кнута и Питера Бендикса) — это полурешающий алгоритм для преобразования набора уравнений (над термами) в систему переписывания термов, обладающую свойством конфлюэнтности. В случае успешного завершения алгоритм эффективно решает задачу о равенстве слов для заданной алгебры. Алгоритм Бюхбергера для вычисления базисов Грёбнера является очень похожим алгоритмом. Хотя он был разработан независимо, его также можно рассматривать как реализацию алгоритма Кнута — Бендикса в теории полиномиальных колец.

Введение

Для множества уравнений E его дедуктивное замыкание – это множество всех уравнений, которые могут быть выведены путем применения уравнений из E в любом порядке. Формально, E рассматривается как бинарное отношение, является его замыканием по переписыванию, а – замыканием по эквивалентности. Для множества R правил переписывания его дедуктивное замыкание (∘) – это множество всех уравнений, которые могут быть подтверждены применением правил из R слева направо к обеим сторонам, пока они не станут буквально равны. Формально, R снова рассматривается как бинарное отношение, является его замыканием по переписыванию, – его обратным, а (∘) – композицией отношений их рефлексивных транзитивных замыканий ( и ). Например, если – групповые аксиомы, то цепочка выводов

показывает, что a−1⋅(a⋅b) b является элементом дедуктивного замыкания E. Если – версия E в виде "правила переписывания", то цепочки производных

показывают, что (a−1⋅a)⋅b ∘ b является элементом дедуктивного замыкания R. Однако нет способа вывести a−1⋅(a⋅b) ∘ b, подобно вышеуказанному, поскольку применение правила (x⋅y)⋅z → x⋅(y⋅z) справа налево не допускается. Алгоритм Кнута – Бендикса принимает набор уравнений E между термами и порядок редукции (>) на множестве всех термов и пытается построить систему переписывания термов, которая является конфлюэнтной и терминирующей, и имеет такое же дедуктивное замыкание, как и E.
Хотя доказательство следствий из E часто требует человеческой интуиции, доказательство следствий из R этого не требует. Для получения более подробной информации см. Конфлюэнтность (абстрактное переписывание) # Мотивирующие примеры, который приводит пример доказательства из теории групп, выполненного как с использованием E, так и с использованием R.

Правила

При заданном наборе уравнений E между термами следующие правила вывода могут быть использованы для преобразования его в эквивалентную конвергентную систему переписывания термов (если это возможно):
Они основаны на заданном пользователем порядке редукции (>) на множестве всех термов; он расширяется до хорошо обоснованного порядка (▻) на множестве правил переписывания путем определения (s → t) ▻ (l → r), если
в порядке включения, или
s и l буквально похожи, и t > r.

Удалить ‹ E∪{s = s} , R › ⊢ ‹ E , R › Композиция         ‹ E , R∪{s → t} ›         ⊢         ‹ E , R∪{s → u} ›         если Упростить ‹ E∪{s = t} , R › ⊢ ‹ E∪{s = u} , R › если Ориентировать ‹ E∪{s = t} , R › ⊢ ‹ E , R∪{s → t} › если s > t Схлопнуть ‹ E , R∪{s → t} › ⊢ ‹ E∪{u = t} , R › если по l → r с условием (s → t) ▻ (l → r) Вывести ‹ E , R › ⊢ ‹ E∪{s = t} , R › если (s,t) является критической парой R

Пример

Следующий пример выполнения, полученный из решателя уравнений E, вычисляет завершение (аддитивных) групповых аксиом, как в Knuth, Bendix (1970). Он начинается с трех начальных уравнений для группы (нейтральный элемент 0, обратные элементы, ассоциативность), используя f(X,Y) для X+Y и i(X) для −X. 10 отмеченных звездочкой уравнений, как оказалось, составляют полученную конвергентную систему переписывания. "pm" – сокращение от "парамодуляция", реализующая вывод. Вычисление критических пар является примером парамодуляции для уравнительных единичных клаузул. "rw" – переписывание, реализующее композицию, схлопывание и упрощение. Ориентация уравнений выполняется неявно и не записывается. Nr Lhs Rhs Источник 1: * f(X,0) = X initial("GROUP. lop", at line 9 column 1) 2: * f(X,i(X)) = 0 initial("GROUP. lop", at line 12 column 1) 3: * f(f(X,Y),Z) = f(X,f(Y,Z)) initial("GROUP. lop", at line 15 column 1) 5: f(X,Y) = f(X,f(0,Y)) pm(3,1) 6: f(X,f(Y,i(f(X,Y)))) = 0 pm(2,3) 7: f(0,Y) = f(X,f(i(X),Y)) pm(3,2) 27: f(X,0) = f(0,i(i(X))) pm(7,2) 36: X = f(0,i(i(X))) rw(27,1) 46: f(X,Y) = f(X,i(i(Y))) pm(5,36) 52: * f(0,X) = X rw(36,46) 60: * i(0) = 0 pm(2,52) 63: i(i(X)) = f(0,X) pm(46,52) 64: * f(X,f(i(X),Y)) = Y rw(7,52) 67: * i(i(X)) = X rw(63,52) 74: * f(i(X),X) = 0 pm(2,67) 79: f(0,Y) = f(i(X),f(X,Y)) pm(3,74) 83: * Y = f(i(X),f(X,Y)) rw(79,52) 134: f(i(X),0) = f(Y,i(f(X,Y))) pm(83,6) 151: i(X) = f(Y,i(f(X,Y))) rw(134,1) 165: * f(i(X),i(Y)) = i(f(Y,X)) pm(83,151)
См. также Задача о слове (математика) для другого представления этого примера. Системы переписывания строк в теории групп

Важным случаем в вычислительной теории групп являются системы переписывания строк, которые могут быть использованы для присвоения канонических меток элементам или смежным классам конечно представленной группы как произведению генераторов. Этот особый случай является предметом внимания данного раздела. Мотивация в теории групп
Лемма о критических парах утверждает, что система переписывания термов локально конфлюэнтна (или слабо конфлюэнтна) тогда и только тогда, когда все ее критические пары сходятся. Кроме того, у нас есть лемма Ньюмана, которая утверждает, что если (абстрактная) система переписывания сильно нормализует и слабо сливается, то система переписывания сливается. Итак, если мы можем добавить правила к системе переписывания термов, чтобы заставить все критические пары сходиться, сохраняя при этом сильное нормализующее свойство, то это заставит полученную систему переписывания быть конфлюэнтной. Рассмотрим конечно представленный моноид, где X – конечное множество генераторов, а R – множество определяющих соотношений на X. Пусть X* – множество всех слов в X (т.е. свободный моноид, порожденный X). Поскольку соотношения R порождают отношение эквивалентности на X*, можно рассматривать элементы M как классы эквивалентности X* по R. Для каждого класса {w1, w2, } желательно выбрать стандартный представитель wk. Этот представитель называется канонической или нормальной формой для каждого слова wk в классе. Если существует вычислимый метод определения для каждого wk его нормальной формы wi, то задача о слове легко решается. Конфлюэнтная система переписывания позволяет сделать именно это. Хотя выбор канонической формы теоретически может быть сделан произвольно, этот подход обычно невычислим. (Учитывайте, что отношение эквивалентности на языке может породить бесконечное число бесконечных классов.) Если язык хорошо упорядочен, то порядок < дает согласованный метод определения минимальных представителей, однако вычисление этих представителей все равно может быть невозможным. В частности, если система переписывания используется для вычисления минимальных представителей, то порядок < должен также иметь свойство:

A < B → XAY < XBY для всех слов A,B,X,Y

Это свойство называется трансляционной инвариантностью. Порядок, который является одновременно трансляционно инвариантным и хорошо упорядоченным, называется порядком редукции. Из представления моноида можно определить систему переписывания, заданную соотношениями R. Если A x B находится в R, то либо A < B, в этом случае B → A является правилом в системе переписывания, иначе A > B и A → B. Поскольку < является порядком редукции, данное слово W можно сократить до W > W 1 > > W n, где W n не приводимо по системе переписывания. Однако, в зависимости от правил, применяемых на каждом шаге Wi → Wi+1, можно получить два разных неприводимых сокращения Wn ≠ W'm для W. Однако, если система переписывания, заданная соотношениями, преобразована в конфлюэнтную систему переписывания с помощью алгоритма Кнута – Бендикса, то все сокращения гарантированно приведут к одному и тому же неприводимому слову, а именно к нормальной форме для этого слова. Описание ...