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遞歸可枚舉語言

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數學邏輯計算機科學中,遞歸可枚舉語言是也叫做部分可判定語言圖靈可識別語言形式語言類型。它在形式語言的喬姆斯基層級中叫做類型-0語言。所有遞歸可枚舉語言的類叫做RE

形式定義

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遞歸可枚舉語言定義:設S ⊆ Σ*為一個語言,E是一個枚舉器,若LE) = S,則稱E 枚舉了語言S。若存在這樣 的ES就稱為遞歸可枚舉語言

注意,枚舉器E可以以任意的順序枚舉語言LE),而且LE) 中的某個串可能會被E多次重複地打印。

圖靈可識別語言定義:設是一台圖靈機,若在輸入串運行後可進入接受狀態並停機,則稱接受串所接受的所有字符串的集合稱為所識別的語言,簡稱的語言,記作

是一個語言,若存在圖靈機使得,則稱圖靈機 識別,且稱為圖靈可識別語言

兩個定義的等價性

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下列定理揭示了遞歸可枚舉語言和圖靈可識別語言的聯繫。

定理:一個語言是圖靈可識別的,若且唯若它是遞歸可枚舉的。

證明:若有枚舉器E枚舉語言S,構造一個圖靈機M如下:

M = 對於輸入ω

  1. 運行E,依次生成字符串s1, s2, ...;
  2. 若遇到某個si = ω則進入接受狀態並停機。

注意當ω ∉ S時,M可能永不停機,但M所接受的語 言集合恰好是S,所以M識別了S

假設我們有圖靈機M識別語言S,構造一個枚舉器E如下:

E = 忽略輸入

  1. i = 1, 2, 3, ...重複下列步驟;
  2. 設Σ* = {s1, s2, ...},分別將s1, s2, ... ,si作為M的輸入,模擬M執行i步;
  3. 若某個sj, 1 ≤ j ≤ i,在i步內可被M接受,則將其輸出。

顯然,這樣構造的枚舉器E最終輸出的語言恰好就是S。注意S中的字符串並 沒有在E中按字典序輸出,而且同一個串可能會被E輸出多次,但根據枚舉器的定義,這些都是允許的。

閉包性質

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遞歸可枚舉語言在下列運算下是閉合的。就是說,如果LP是兩個遞歸可枚舉語言,則下列語言也是遞歸可枚舉的:

  • LKleene星號
  • LP串接
  • 併集
  • 交集

注意遞歸可枚舉語言不閉合於差集和補集之下。

圖靈可識別語言與圖靈可判定語言的關係

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注意圖靈可識別語言和圖靈可判定語言的區別:若是圖靈可識別語言,則只需存在一台圖靈機,當的輸入時,一定會停機並進入接受狀態;當的輸入時,可能停機並進入拒絕狀態,或者永不停機。而若是圖靈可判定語言,則必須存在圖靈機,使得對於任意輸入串總能停機,並根據 屬於或不屬於 分別進入接受或拒絕狀態。

並不是所有的語言都是圖靈可識別的,可以證明存在圖靈不可識別語言。

定理

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參見

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