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1 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Informatik III Christian Schindelhauer Wintersemester.

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1 1 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Informatik III Christian Schindelhauer Wintersemester 2006/07 7. Vorlesung

2 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Informatik III7. Vorlesung - 2 Cocke-Younger-Kasami-Algorithmus Beispiel l = Länge i = Startindex j = Schlussindex

3 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Informatik III7. Vorlesung - 3 Cocke-Younger-Kasami-Algorithmus Beispiel l = Länge i = Startindex j = Schlussindex

4 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Informatik III7. Vorlesung - 4 Cocke-Younger-Kasami-Algorithmus Beispiel l = Länge i = Startindex j = Schlussindex

5 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Informatik III7. Vorlesung - 5 Cocke-Younger-Kasami-Algorithmus Beispiel l = Länge i = Startindex j = Schlussindex

6 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Informatik III7. Vorlesung - 6 Cocke-Younger-Kasami-Algorithmus Beispiel l = Länge i = Startindex j = Schlussindex

7 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Informatik III7. Vorlesung - 7 Cocke-Younger-Kasami-Algorithmus Beispiel l = Länge i = Startindex j = Schlussindex

8 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Informatik III7. Vorlesung - 8 Cocke-Younger-Kasami-Algorithmus Beispiel l = Länge i = Startindex j = Schlussindex

9 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Informatik III7. Vorlesung - 9 Cocke-Younger-Kasami-Algorithmus Beispiel l = Länge i = Startindex j = Schlussindex

10 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Informatik III7. Vorlesung - 10 Cocke-Younger-Kasami-Algorithmus Beispiel l = Länge i = Startindex j = Schlussindex

11 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Informatik III7. Vorlesung - 11 Cocke-Younger-Kasami-Algorithmus Beispiel l = Länge i = Startindex j = Schlussindex

12 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Informatik III7. Vorlesung - 12 Cocke-Younger-Kasami-Algorithmus Beispiel l = Länge i = Startindex j = Schlussindex

13 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Informatik III7. Vorlesung - 13 Cocke-Younger-Kasami-Algorithmus Beispiel l = Länge i = Startindex j = Schlussindex

14 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Informatik III7. Vorlesung - 14 Cocke-Younger-Kasami-Algorithmus Beispiel l = Länge i = Startindex j = Schlussindex

15 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Informatik III7. Vorlesung - 15 Cocke-Younger-Kasami-Algorithmus Beispiel l = Länge i = Startindex j = Schlussindex

16 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Informatik III7. Vorlesung - 16 Cocke-Younger-Kasami-Algorithmus Beispiel l = Länge i = Startindex j = Schlussindex

17 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Informatik III7. Vorlesung - 17 Cocke-Younger-Kasami-Algorithmus Beispiel l = Länge i = Startindex j = Schlussindex

18 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Informatik III7. Vorlesung - 18 Cocke-Younger-Kasami-Algorithmus Beispiel l = Länge i = Startindex j = Schlussindex

19 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Informatik III7. Vorlesung - 19 Cocke-Younger-Kasami-Algorithmus Beispiel l = Länge i = Startindex j = Schlussindex

20 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Informatik III7. Vorlesung - 20 Cocke-Younger-Kasami-Algorithmus Beispiel l = Länge i = Startindex j = Schlussindex

21 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Informatik III7. Vorlesung - 21 Cocke-Younger-Kasami-Algorithmus Beispiel l = Länge i = Startindex j = Schlussindex

22 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Informatik III7. Vorlesung - 22 Cocke-Younger-Kasami-Algorithmus Beispiel l = Länge i = Startindex j = Schlussindex

23 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Informatik III7. Vorlesung - 23 Cocke-Younger-Kasami-Algorithmus Beispiel l = Länge i = Startindex j = Schlussindex baaba ist in der Sprache

24 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Informatik III7. Vorlesung - 24 Kapitel IV Kontextfreie Sprachen Keller- automaten

25 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Informatik III7. Vorlesung - 25 Prinzip des Kellerautomats Push-Down-Automaton (PDA)  Ein Kellerautomat vereinigt einen –NFA mit einem –Keller (Stack)  Der Keller kann potenziell beliebig viel Zeichen speichern  Zugriff ist eingeschränkt: –Pop: Auslesen des obersten Zeichens (inklusive Entfernen) –Push: Hineinlegen eines Zeichens  Auf den Übergängen des NFA wird der Zugriff auf den Keller festgelegt –zusätzlich zum aktuellen Zeichen der Eingabe, –die weiterhin von links nach rechts gelesen wird.

26 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Informatik III7. Vorlesung - 26 Keller-Automat: Formale Definition  Definition –Ein Kellerautomat (pushdown automaton - PDA) wird durch ein Sechser-Tupel (Q, , , ,q 0,F), wobei Q, , ,F endliche Mengen sind und 1.Q ist die Menge der Zustände 2.  ist das Eingabealphabet 3.  ist das Kelleralphabet 4.  : Q        P(Q    ) ist die Übergangsfunktion 5.q 0 ist der Startzustand 6.F  Q ist die Menge der akzeptierenden Zustände  Ein PDA akzeptiert die Eingabe w, –wenn es eine Darstellung w= w 1 w 2...w m mit w i    gibt –wenn es eine Zustandsfolge q = r 0 r 2...r m mit s i  Q gibt –wenn es Zeichenketten s 0,s 1,..., s m    * gibt, so dass 1.r 0 = q 0 und s 0 =   Startzustand mit leeren Keller 2.Für i = 0,..., m-1 gilt:  (r i+1,b)   (r i,w i+1,a), wobei  s i = at und s i+1 = bt für passende a,b   , t    *  Übergang mit Kellerverhalten:  Lies a, Schreibe b 3.r m  F Ein akzeptierender Zustand erscheint als Endzustand

27 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Informatik III7. Vorlesung - 27 Keller-Automat: Beispielberechnung  Der PDA M = (Q, , , ,q 1,F) akzeptiert die Sprache {0 n 1 n | n≥0}  Q = {q 1,q 2,q 3,q 4 }   = {0,1}   = {0,$}  F = {q 1, q 4 }   : –  (q 1, ,  ) = {(q 2,$)} q 1 : Push $, Gehe zu q 2 –  (q 2, 0,  ) = {(q 2,0)} q 2 : Falls Lese = 0: Push 0; Gehe zu q 2 –  (q 2, 1, 0) = {(q 3,  )} q 2 : Falls Lese=1 und Pop=0 gehe zu q 3 –  (q 3, 1,0) = {(q 3,  )} q 3 : Falls Lese=1 gehe zu q 3 –  (q 3, , $) = {(q 4,  )} q 3 : Falls Pop=$ gehe zu q 4 –  (q, a) = {}, für alle anderen Kombinationen q  Q,a   

28 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Informatik III7. Vorlesung - 28 Keller-Automat: Beispielberechnung

29 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Informatik III7. Vorlesung - 29 Keller-Automat: Beispielberechnung

30 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Informatik III7. Vorlesung - 30 Keller-Automat: Beispielberechnung

31 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Informatik III7. Vorlesung - 31 Keller-Automat: Beispielberechnung

32 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Informatik III7. Vorlesung - 32 Keller-Automat: Beispielberechnung

33 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Informatik III7. Vorlesung - 33 Keller-Automat: Beispielberechnung

34 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Informatik III7. Vorlesung - 34 Keller-Automat: Beispielberechnung

35 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Informatik III7. Vorlesung - 35 Keller-Automat: Beispielberechnung

36 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Informatik III7. Vorlesung - 36 Keller-Automat: Beispielberechnung

37 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Informatik III7. Vorlesung - 37 Keller-Automat: Beispielberechnung

38 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Informatik III7. Vorlesung - 38 Keller-Automat: Beispielberechnung Automat akzeptiert!

39 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Informatik III7. Vorlesung - 39 Keller-Automaten beschreiben genau die kontextfreien Sprachen  Theorem 6.1 –Eine Sprache ist genau dann kontextfrei, wenn ein Kellerautomat sie erkennt  Lemma 6.1 –Ist eine Sprache kontextfrei, dann erkennt Sie ein Kellerautomat.  Beweisidee –Die Mehrdeutigkeit der kontextfreien Sprache wird durch den Nichtdeterminismus des PDA gelöst –Die Ableitung der Worte steht im Keller –Im Keller werden die möglichen Übergänge der Ableitung geraten –Oben im Keller = Links, Unten im Keller = Rechts. –Sobald oben im Keller ein Terminal steht, wird es mit der Eingabe verglichen und jeweils gestrichen –Sobald oben im Keller eine Variable steht, wird eine mögliche Ersetzung im Keller durchgeführt.

40 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Informatik III7. Vorlesung - 40 Jede kontextfreie Sprache kann von einem PDA erkannt werden  Lemma 6.1 –Ist eine Sprache kontextfrei, dann gibt es einen Kellerautomat für sie.  Konstruktion des Kellerautomaten –Wir können davon ausgehen, dass die Sprache als kontextfreie Grammatik G=(V, ,R,S) in Chomsky-Normalform vorliegt. –Ist S   in der Grammatik so gibt es einen ist der Startzustand des PDA akzeptierend –Zuerst wird der Stack mit den Symbolen $S initialisiert –Sei q der Zustand nach der Initialisierung –Für jede Regel der Form A  BC wird ein Übergang von q zu Zustand q[BC] hergestellt, der A vom Keller geholt,  von der Eingabe liest und C auf den Keller legt Der Übergang von q[BC] nach q liest  von der Eingabe und legt B auf den Keller ablegt. –Für jede Regel der Form A  a wird ein Übergang von q zu q anglegt, der von der Eingabe a liest und A vom Keller holt –Eine weitere Regel liest $ vom Keller und geht in den einzigen akzeptierenden Zustand q[akz]

41 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Informatik III7. Vorlesung - 41 Beispielkonstruktion  Grammatik: G=(V, ,R,S) mit –V={S,,A,B} –  ={a,b,c}  R = {S  AB, A  BB, A  a, A  c, B  b }  Beispiel: – SKeller: $SEingabe: cb  ABKeller: $BAEingabe: cb  cBKeller: $B Eingabe: b  cb Keller: $ Eingabe: -

42 42 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Ende der 7. Vorlesung Informatik III Christian Schindelhauer


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