Transcript 講義資料

形式言語とオートマトン2010
ー第11日目ー
東京工科大学
コンピュータサイエンス学部
亀田弘之
だんだん終わりが見えてきました．
そろそろ全体をまとめていきましょう．
今回も復習から
• 今日はざっと見ていきましょう．
2
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
確認(1)
• 有限オートマトン(FA)
– FAの定義と記述法
テープ上を一方向に動くヘッド
（テープ上の記号を順次読みながら内部状態を遷移）
M = <K, Σ, δ, q0, F> （５つ組）
状態遷移図
様相（configuration）
– FAの種類
決定性FA（DFA）
非決定性FA（ε遷移のあるものとないもの）
– 言語認識能力はどのFAでも同じ。
正規言語（正規表現）を認識
3
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
有限オートマトンのイメージ
• FAの概観
a1 a2
セル
入力記号
・・・
ai-1 ai
・・・
・・・
an
qk
入力テープ
内部状態
ヘッド
4
確認（２）
•
正規表現を認識するFAの存在とその構成法
1.
2.
3.
4.
5.
正規表現αが与えられる。
正規表現αに対して、ε-NFA を構成する。
ε-NFA をDFAに書き換える。
DFAを状態数最少のDFA(Min-DFA)に書き換える。
Min-DFAをシミュレートするプログラムを作成する。
5
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
研究課題
DFAをシミュレートするプログラム
• 基本的には状態遷移関数を実装すればＯＫ。
• コンパイラなどでの字句解析では、単語（文字
列）の読み込みに関してプログラミング上の工
夫が必要。
• Prologで書けばもっと簡単!? 状態遷移表を
Prologで記述すればいいだけ！
• いろんな言語で実装してみてください。
6
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
確認（３）
• プッシュダウンオートマトン(PDA)
– スタックの定義
データ構造：
・配列（またはアレイ）
・リスト
・スタック
・キュー など
スタックの構造と動作（pop-up と push-down）
LIFO (Last-In First-Out) 型のメモリ
– PDAの定義と記述法
テープ上を一方向に動くヘッド＋スタックメモリ
（テープの記号を順次読み、スタック上の記号を準じ読
み書きしながら内部状態を遷移）
M = < K, Σ, Γ,δ, q0, Z0, F > （７つ組）
状態遷移図
様相（configuration）
7
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
確認（４）
スタックとPDAのイメージ図
Pop up
Push down
LIFO (Last In First Out)
最後に入れたものが最初に取り出される。
8
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
確認（５）
• プッシュダウンオートマトン(PDA)
– PDAの種類
決定性プッシュダウンオートマトン
Deterministic pushdown automaton (DPDA)
非決定性プッシュダウンオートマトン
Nondeterministic pushdown automaton (NPDA)
– 言語認識能力はNPDAの方が高い。
FAは正規言語（正規表現）を認識
NPDAは文脈自由言語を認識
DPDAよりもNPDAの方が言語認識能力大
9
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
確認（６）
• チューリングマシン(Turing Machine; TM)
– TMの定義と記述法
 テープ上を左右どちらにも動けるヘッド
（テープ上の記号を順次読み、テープ上に時として記号を書き込み
ながら、そのたびごとに内部状態を遷移）
 M = < K, Γ, Σ, δ, q0, B, F > （７つ組）
 状態遷移図
 様相（configuration）
– TMの種類
 決定性TM（DTM）
 非決定性TM(NTM)
– 言語認識能力はどのTMでも同じ。
 句構造言語（句構造文法に適った文）を認識
10
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
補足
• 有限オートマトンは記憶容量有限な装置
• プッシュダウンオートマトンは、記憶容量に制
限のない装置（スタックは必要に応じて情報
を蓄積できる）
• 有限オートマトンは正規言語、プッシュダウン
オートマトンは文脈自由言語をそれぞれ認識
することができる。それ以上一般の言語の認
識するにはチューリングマシンが必要。
11
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
質問
• 現在のコンピュータは、どの種類のオートマト
ンと考えることができるか？ その理由ととも
に答えなさい。
12
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
確認（７）
• オートマトンと形式言語（形式文法）とは相互
に密接な関係がある．
• したがって，形式言語も深く学ぶ価値がある．
• オートマトンの応用分野：
– 計算モデル
• 計算概念の定式化
• 計算可能性
• 計算量
– その他
• 形式言語の応用分野：
– 自然言語処理・音声処理
• カナ漢字変換システム
• 機械翻訳システム
• 自動通訳システム
– プログラミング言語とその処理
• コンパイラ設計
• プログラミング言語設計
– その他
13
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
確認（８）：言語の形式的定義
• 単語ｗ： X1, X2, X3, ・・・, Xn （はじめに単語ありき）
• 語彙V (Vocabulary) ： 単語の集合
V = { X1, X2, X3, ・・・, Xn } (有限集合)
• 文(sentence)： 単語の並び（単語の列）
（注）
– Vの要素( X1 や X2 など)は単語
– Xa Xb Xc Xd など，単語の並びは何でも文と考える．
– でも何でも良いわけではない。
14
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
確認（９）：考察
• 文は無限個存在する。
（単語は有限個）
• 言語L（例えば英語）として意味のあるものと
そうでないものとが混ざっている。
⇒ 言語Lとして意味のある文をすべて集めた集合
は、１つの言語（今の場合はL）を定める。
⇒ 言語Lとして意味があるものとないものとを
区別したい。
つまり、任意の文（単語列）に対して、それが
言語Lの文かそうではないのかを判定したい。
15
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
©Tokyo University of Technology,
School of Computer Science,
16
©Tokyo University of Technology,
School of Computer Science,
17
• そんなことできるのだろうか？
でも、人間はやっているよ！
じゃあ、できるんだね！（信念）
自動機械（オートマトン）を作ってみよう！
18
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
作成のためのアイデア
• はじめに言語Lの文すべてを知っているなら
ば、下記のような機械ができる。
文S1
オートマトン
S1 S2 S3
… Sn
S1は言語Lの
文だよ！
19
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
問題点１
• でも、
「言語Lの文すべてを知っている」
なんて、不可能だよ！
• 例：「２００8年6月23日、形式言語とオートマト
ンの授業が、講実4０3教室で、パワーポイン
トを用いて行われた。」 という文をあなたは
事前に知っていましたか？
20
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
問題点２
• もし何らかの方法により、事前に言語Lのすべての文
を知っていたとしても．．．
s = get_sentence();
if ( s ∈ Lの文の集合 ) then
s は Lの文である
else
s は Lの文ではない
end if
Lの文の集合が無限集合のときは、このプログラムは
停止しないことがある！！！
21
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
それではどうしようか？！
22
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
ここまでのまとめ
• 言語
– 意味のある文（言語Lの文）の集合
• 文法の必要性
– ある言語（例えば日本語）の文すべてを
あらかじめ知っているなんてことは不可能！
• オートマトン
– ある文が対象としている言語Lの文なのかを自動
判定する装置
23
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
どうも文法が大切らしい。
もう少し文法について学んでみよう！
24
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
ホントにしゃべれるよ
うになるのかなぁ
普遍文法という発想
• すべてのヒトは、
– 言語に依存しない普遍的な処理能力をもった装
置(device)を生得的に持っており、
– 個別言語に関する知識は後天的に獲得されるか
らだ。
僕にもこん
な装置がほ
しいなぁ…
これが私の基
本的考えです。
25
©Tokyo University of Technology, School of Computer
Science, H.Kameda
写真の出典：Wikipediaより
• その知識は、「文法」という形で獲得される。
• Chomskyはそのように考えた。
• それでは彼の考えを見てみよう。
26
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
文法の定義
重要
• 文法G=（ Vn, Vt, P, S ）：
– ただし、
•
•
•
•
Vn:
Vt:
P:
S:
非終端記号の集合
終端記号の集合
書き換え規則の集合
開始記号
27
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
文法
• 文法G=（ Vn, Vt, P, S ）：
– ただし、
• Vn: 非終端記号の集合
<= 構文木構成要素の集合
• Vt: 終端記号の集合
<= 単語の集合
• P: 書き換え規則の集合
• S: 開始記号
28
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
例１-1
• G=(Vn, Vt, P, S)
– Vn = { S, NPs, NPo, VP, PN, DET, N }
– Vt = { I, You, have, throw, a, the, book, ball }
– P = { ①：S → NPs VP,
②：NPs →
PN,
③：PN → I,
④：PN → You,
⑤：NPo → DET N,
⑥：VP → V NPo,
⑦：DET → a,
⑧：DET → the,
⑨：N → book,
⑩：N → ball,
⑪：V©Tokyo
→ have,
⑫：V
→ throw
} 29
University of Technology, School
of Computer
Science, H.Kameda
例１-2
• S =>
=>
=>
=>
=>
=>
=>
=>
NPs VP
PN VP
I
VP
I V NPo
I throw NPo
I throw DET N
I throw a N
I throw a ball
①
②
③
⑥
⑫
by ⑤
by ⑦
by ⑩
by
by
by
by
by
30
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
開始記号
• S =>
=>
=>
=>
=>
=>
=>
=>
例１-2
非終端記号
NPs VP
PN VP
I
VP
I V NPo
I throw NPo
I throw DET N
I throw a N
I throw a ball
適応規則
①
②
③
⑥
⑫
by ⑤
by ⑦
by ⑩
by
by
by
by
by
終端記号
31
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
例１-2
• S =>
=>
=>
=>
=>
=>
=>
=>
文
NPs VP
PN VP
I
VP
I V NPo
I throw NPo
I throw DET N
I throw a N
I throw a ball
①
②
③
⑥
⑫
by ⑤
by ⑦
by ⑩
by
by
by
by
by
終端記号のみの列
32
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
例１-2に対する問題
• これは木(tree)として記述せよ。
• この文法Gにより生成される文をすべて列挙
せよ。
33
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
言語の定義
• 言語Lとは、文法Gにより生成されるあらゆる
文の集合のこと。
• つまり、L＝L(G)。
34
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
問題
• Chomskyの主張が正しいとすると、日本語に
も文法が存在し、それは形式文法として記述
することができる。このとき、
1.日本語は正規言語か？ そうであれば証明
を、そうでなければ反例を示せ。
2.日本語は文脈自由文法か？ そうであれば
証明を、そうでなければ反例を示せ。
3.Chomskyの言語理論の限界は何か？
35
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
ここまでのまとめ
•
•
•
•
人間の頭の中には、言語処理装置がある。
すべての文を記憶しているわけではない。
文法として記憶している。
文法とは何か？
– 規範文法(Prescriptive Grammar)
– 記述文法(Descriptive Grammar)
• 形式文法と形式言語
36
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
形式文法と形式言語
• 文法G = （ Vn, Vt, P, S ）：
– ただし、
• Vn（非終端記号の集合）: 0 < #Vn < +∞
• Vt: 終端記号の集合:
0 < #Vt < +∞
• P: 書き換え規則の集合
{α→β| α, β ∈ (Vn∪Vt)*}
• S:
開始記号(S∈Vn)
• 言語L = L(G) = { x | S =*> x }
– ただし、S => ・・・ => x ∈ Vt
37
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
形式文法と形式言語（例）
• 文法G = （ Vn, Vt, P, S ）：
– Vn ={S}, Vt={}
– P={ }
• 言語L = L(G) = { x | S =*> x }
38
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
言語の階層（重要）
• 言語は文法の種類に応じて、階層構造をなし
ている。
– 句構造言語
– 文脈依存言語
– 文脈自由言語
– 正規言語
⇔
⇔
⇔
⇔
句構造文法
文脈依存文法
文脈自由文法
正規文法
Chomsky階層
(Chomsky Hierarchy)
とも言う。
一般的
特殊的
39
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
句構造文法
(Phrase-Structure Grammar; PSG)
• 文法G = （ Vn, Vt, P, S ）：
– Vn（非終端記号の集合）:
0 < #Vn < +∞
– Vt:
終端記号の集合: 0 < #Vt < +∞
– P:
書き換え規則の集合
{α→β| α, β ∈ (Vn∪Vt)*}
– S:
開始記号(S∈Vn)
40
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
句構造文法
(Phrase-Structure Grammar; PSG)
• 文法G = （ Vn, Vt, P, S ）：
– Vn（非終端記号の集合）:
0 < #Vn < +∞
– Vt:
終端記号の集合: 0 < #Vt < +∞
– P:
書き換え規則の集合
{α→β| α, β ∈ (Vn∪Vt)*}
– S:
開始記号(S∈Vn)
41
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
句構造文法
(Phrase-Structure Grammar; PSG)
• 文法G = （ Vn, Vt, P, S ）：
– Vn（非終端記号の集合）:
0 < #Vn < +∞
– Vt:
終端記号の集合: 0 < #Vt < +∞
– P:
書き換え規則の集合
{α→β| α, β ∈ (Vn∪Vt)*}
– S:
開始記号(S∈Vn)
ここに制限が付くと他の
文法になる。
42
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
文脈依存文法
(Context-Sensitive Grammar; CSG)
• 文法G = （ Vn, Vt, P, S ）：
– Vn（非終端記号の集合）: 0 < #Vn < +∞
– Vt:
終端記号の集合: 0 < #Vt < +∞
– P:
書き換え規則の集合
{αXβ→αγβ| α, β ∈ (Vn∪Vt)*, X∈Vn,
γ∈ (Vn∪Vt)+ }
– S:
開始記号(S∈Vn)
43
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
文脈自由文法
(Context-Free Grammar; CFG)
• 文法G = （ Vn, Vt, P, S ）：
– Vn（非終端記号の集合）:
0 < #Vn < +∞
– Vt:
終端記号の集合: 0 < #Vt < +∞
– P:
書き換え規則の集合
{ X→α| α∈ (Vn∪Vt)*}
– S:
開始記号(S∈Vn)
44
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
正規文法
(Regular Grammar; RG)
• 文法G = （ Vn, Vt, P, S ）：
– Vn（非終端記号の集合）:
0 < #Vn < +∞
– Vt:
終端記号の集合: 0 < #Vt < +∞
– P:
書き換え規則の集合
{X→aY, X→b| X,Y∈Vn, a,b ∈ Vt*}
– S:
開始記号(S∈Vn)
45
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
生成規則部分の比較
•
•
•
•
PSG:
CSG:
CFG:
RG:
α→β
αXβ→αγβ
X→α
X→aY, X→b
– ただし、
• α，β∈V*
• X, Y∈Vn
・γ∈V+
・a, b∈Vt
・V=Vn∪Vt
46
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
重要
Chomsky階層
PSG
CSG
CFG
RG
©Tokyo University of Technology,
School of Computer Science,
47
文法（言語）とオートマトン
----------------------------------------------------文 法
処理装置
----------------------------------------------------• 句構造文法(PSG)
⇔ ？
• 文脈依存文法(CSG)
⇔ ？
• 文脈自由文法(CFG)
⇔ ？
• 正規文法(RG)
⇔ ？
----------------------------------------------------48
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
文法（言語）とオートマトン
---------------------------------------------------------------文 法
処理装置
---------------------------------------------------------------• 句構造文法(PSG)
⇔
Turing 機械
• 文脈依存文法(CSG) ⇔
線形有界オートマトン
• 文脈自由文法(CFG) ⇔
プッシュダウンオートマトン
• 正規文法(RG)
⇔
有限オートマトン
---------------------------------------------------------------これも覚えておいてください．
49
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
言語の包含関係
L（PSG) ⊃ L(CSG) ⊃ L(CFG) ⊃ L(RG)
このうち、大切なのはCFGとRG。
なぜ大切か
というと…
50
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
CFGとRG
• CFG（文脈自由文法）：
– プログラミング言語設計
– コンパイラの構文解析
– 自然言語処理（機械翻訳・仮名漢字変換）
• RG（正規文法）：
– 正規表現（検索・コンパイラの語彙解析）
51
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
CFGの特徴
1.
2.
3.
4.
5.
CFGには標準形がある。
導出の過程を木で表現できる（導出木の存在）。
解析手法が豊富に知られている。
自然言語処理に部分的に適用できる。
プログラミング言語設計に利用されている。
52
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
CFGには標準形がある！
• これは理論的な証明を行う際に有効です！と
うのは、あらゆる文脈自由文法が形式的に同
じ形に書けるからです。
53
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
１．CFGの標準形
• Chomskyの標準形
• Greibachの標準形
教科書p.174
54
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
Chomskyの標準形
• どの書き換え規則も，
– 右辺がただ一つの終端記号になっているか，
– ２個の非終端記号だけである
という条件を満たしている．
つまり，…
• A → BC
•A → a
• ただし，A,B,Cは非終端記号，aは終端記号
55
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
Greibachの標準形
• どの書き換え規則も，その右辺が
– 左端にただ一つの終端記号を有し，かつ，
– その終端記号に続いて０個以上の非終端記号か
らなっている，
という条件を満たしている．
つまり，…
•A → a
• A → aB
•A → aBC
•A → aBCD
•…
•A → aBCD…E…F
ただし，A～Fは非終端記号，aは終端記号
56
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
Chomskyの標準形
• 任意のCFGにおける書き換え規則群Pは、
A→BC または A→a という形だけで表現
できる。
57
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
Greibachの標準形
• 任意のCFGにおける書き換え規則群Pは、
A→aα という形だけで表現できる。ただし、
X∈Vn, a∈Vt, α∈Vn*。
58
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
Chomskyの標準形への変換方法
（教科書 p.177 問題6.9）
できるようになっておいてください。
試験に出るかもしれません。
59
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
例示
• G=< { S, A, B }, { a, b }, P, S >
S → bA
A→ a
B → b
S → aB
A → aS
B → bS
A → bAA
B → aBB
これと等価なChomsky標準形
文法を求めよう．
60
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
結果
S→C1A
D1→AA
B→C6D2
C2→a
C4→a
B→b
A→C2S
S→C4B
D2→BB
C3→b
C5→b
A→C3D1
B→C5S
C1→b
A→a
C6→a
61
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
練習問題
G=< { S, T, L }, { a, b, +, -, ×, /, [, ] }, P, S >
P:
S→T+S
S →T-S
S →T
T →L×T
T →L/T
T→L
L →[S]
L →a
L →b
1. 言語L(G)はどのようなものか？簡単に説明せよ．
2. L(G)を生成するChomsky標準形文法を求めよ．
3. L(G)を生成するGreibach標準形文法を求めよ．
試験に出るかも？
62
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
ここまでのまとめ
• 言語には階層がある（Chomsky階層）
• 正規言語（正規文法）は語句解析に深い関係
がある。
• 文脈自由言語（文脈自由文法）は構文解析に
深い関係がある。
• 文脈自由文法には標準形が存在する．
63
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
その他の重要事項
64
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
定理１
• 与えられたｃｆｇ Gによって生成される言語
L(G)が，空集合かそうでないかを決定するア
ルゴリズムが存在する．
65
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
定理２
• 与えられたｃｆｇ Gによって生成される言語
L(G)が，有限集合か無限集合かを決定する
アルゴリズムが存在する．
（つまり，生成される文が有限個なのか無限
個なのかを決定するアルゴリズムが存在する，
ということ．）
66
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
定理３
• 文法Gが自己埋め込みでないcfgであれば，
L(G)は正規集合である．
定義（自己埋め込み）：
どちらも空でない文字列α1，α2について
A ＝＞ α1 A α2 となるような非終端記号Aが
存在すること．
67
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
注
• G=< { S }, { a, b }, P, S >
P:
S→aSa
S →aS
S →a
S →b
S →bS
68
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
文法の曖昧性
• 自己埋め込みはCFGを特徴付ける性質の１
つ。
• これとは別に、“曖昧性”というのも重要な概
念です。押さえておきましょう！
（注）ここでいう曖昧性とは、ambiguityです。
69
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
文法と言語とオートマトン
•
•
•
•
句構造文法(PSG)
文脈依存文法(CSG)
文脈自由文法(CFG)
正規文法(RG)
70
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
言語の階層（重要）
• 言語は文法の種類に応じて、階層構造をなし
ている。
– 句構造言語
– 文脈依存言語
– 文脈自由言語
– 正規言語
⇔
⇔
⇔
⇔
句構造文法
文脈依存文法
文脈自由文法
正規文法
Chomsky階層
(Chomsky Hierarchy)
とも言う。
一般的
特殊的
71
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
文法（言語）とオートマトン
---------------------------------------------------------------文 法
処理装置
---------------------------------------------------------------• 句構造文法(PSG)
⇔
Turing 機械
• 文脈依存文法(CSG) ⇔
線形有界オートマトン
• 文脈自由文法(CFG) ⇔
プッシュダウンオートマトン
• 正規文法(RG)
⇔
有限オートマトン
---------------------------------------------------------------これも覚えておいてください．
72
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
おまけの絵（曖昧性,ambiguity）
73
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
確認（７）
• オートマトンと形式言語（形式文法）とは相互
に密接な関係がある．
• したがって，形式言語も深く学ぶ価値がある．
• オートマトンの応用分野：
– 計算モデル
• 計算概念の定式化
• 計算可能性
• 計算量
– その他
• 形式言語の応用分野：
– 自然言語処理・音声処理
• カナ漢字変換システム
• 機械翻訳システム
• 自動通訳システム
– プログラミング言語とその処理
• コンパイラ設計
• プログラミング言語設計
– その他
74
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
• ここまでは「オートマトンと形式言語」の関係
に重点をおいてきたが、もう一つの側面として
、「オートマトンと計算」がある。以下はこれに
ついて概観してみよう！
75
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
Turing認識可能性と
Turing決定可能性
• Turing-recognizablity
• Turing-decidability
76
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
定義：装置Mが言語Lを認識する
• 装置Mが言語Lを認識する 
L ＝ ｛ w | Mがwを受理(accept)する ｝
77
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
定義：言語LがTuring認識可能
• あるTuringマシンが存在し、それが言語Lを
認識するとき、言語LはTuring認識可能であ
るという。
78
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
Turingマシンの動作について
• Turingマシンに入力を与え、動作を開始させ
ると以下の３つの結果が生じる。
1. その入力文字列をacceptする
2. その入力文字列をrejectする
3. 無限ループに陥り、動作が停止しない！
79
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
定義：決定する
• あるTuringマシンにある言語の文を入力とし
て与え、動作を開始させたとき、Turingマシン
はやがて停止し、その入力をacceptするか
rejectするとき、そのTuringマシンはその言語
の決定器であるといい、また、そのTuringマ
シンはその言語を決定するという。
80
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
定義：言語LがTuring決定可能
• あるTuringマシンが存在し、それが言語Lを
決定するとき、言語LはTuring決定可能であ
るという。
81
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
例：
• 言語
L  {0
2
n
| n  0}
はTuring-decidable(Turing決定可能)な
言語である。
（この言語Lを受理するTuringマシンを構成し
てみなさい。）
82
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
定理
• 非決定性TMは同等な決定性TMを持つ。
（証明を考えてみよう！）
83
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
アルゴリズムについて
84
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
アルゴリズムとは何か？
• “アルゴリズム(algorithm)”という用語はもと
もと数学の分野で“手続き(procedure or
recipe)”とも呼ばれていたもの。素数を発見
するためのアルゴリズム(例：エラストテネス
の篩法)や最大公約数を計算するアルゴリズ
ム(ユークリッド互除法)などが有名である。
しかしながら、“何らかの仕事を処理するた
めの指示群”といった程度の概念でとらえら
れていた。（それでも十分だった…）
85
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
Hilbertの２３の問題
• 1900年に数学者David Hilbertがパリで開催
された国際数学者会議の講演で、23の問題
を提案した。
その第10問題がアルゴリズムに関するもの
であった。
86
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
Hilbertの第10問題
• 多項式(polynomial)pが与えられたとき、その
多項式pは整数解のみを持つ多項式である
のか否かを判定する手順（アルゴリズム）を
考えよ。
87
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
例：
• 次の多項式pはx=5,y=3,z=0のときゼロにな
る。つまり、pは整数解を持つ。与えられた任
意の多項式がこのように整数解のみを持つ
かどうかを判定する処理手続きを考案したい
。
6 x yz  3 xy  x  10
3
2
2
3
88
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
考えてみてください！
• ある種の数学者たちはこのような問題に取り
組んでいます！
皆さんも数学者に挑戦してみては？
89
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
事実
• そんなアルゴリズムは存在しない！
• でも、存在しないことを証明することは困難で
あった。
• 「存在する」という証明は、例を１つみつけれ
ばOK .
• 「存在しない」というのはどうやって証明すれ
ばいいのか？
• そのような背景からアルゴリズムの理解は深
まって行った。
90
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
歴史的な話
• 1936年、Alonzo ChurchとAlan Turingの二
人の“アルゴリズムの定義”が得られた。
– ラムダ計算(λ-clculus)による定義 （Church）
– Turing machineによる定義 （Turing）
この２つの定義は同等であることが示された！
（これをChurch-Turing Thesisという）
91
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
Hilbertの第10問題
• 次のDは決定可能(decidable)か？
D = { p | p は整数解のみを持つ多項式}
この問題に対する答えは否定的であった。
しかしながら、この問題はTuring認識可能で
あることを示すことができる。
このことをもっと単純な問題で見てみよう！
92
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
簡単化された問題
• D1={ p | pはｘに関する多項式で、整数のみを
解として持つ}
• TM M1はD1を認識する。
• M1：
ｘに関する多項式pを入力とする。
1. 多項式pの値を、以下のxについて順次計算し、
どこかでp=0となったらそのpをacceptする。
x=0, 1, -1, 2, -2, 3, -3, 4, -4, …
93
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
• これは認識可能であるが決定可能ではない。
また、多変数への拡張は可能である。
• しかしながら、これらは決定可能ではないと
いう問題点がある。
• だが、…
94
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
定理
• 多項式
p  c1 x  c 2 x
n
n 1
   c n x  c n 1
がx=aでp=0とする。このとき、
c max  {c1 , c 2 ,  , c n 1 }
とするとき以下の不等式が成り立つ。
| a | ( n  1)
c max
| c1 |
95
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
• この定理により、先の「簡単化された問題」は
決定的であることが分かる。
• しかしながら、一般的な問題つまりHilbertの
第10問題は決定可能なのだろうか？
96
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
• 1970年、Yuri MatijasevicによりHilbertの第
10問題に対するアルゴリズムは存在しないこ
とが証明された。
（ Matijasevic の定理）
97
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
おまけ
• 無限と有限について
– 整数は自然数と同じだけある（個数は同じ）。
– 有理数は自然数と同じだけある。
– 無理数は自然数よりもたくさんある。
98
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda
まとめ
• オートマトンと形式言語
• オートマトンと計算量
• 形式言語と計算量（複雑さ）
99
©Tokyo University of Technology, School of Computer Science, H.Kameda