anthropic/claude-opus-4.1

Exercise 3: NFA-Konstruktion

Sei Σ:={0,1}\Sigma:=\{0,1\}. Für eine Sprache LΣL\subseteq\Sigma^* bezeichnet L0L^{\downarrow 0} die Sprache, die man erhält, wenn man den Wörtern aus LL jeweils genau zwei Nullen entfernt. Z.B. gilt {0,010,1}0={1}\{0,010, 1\}^{\downarrow 0}=\{1\} und {1,101,0}0=\{1,101, 0\}^{\downarrow 0}=\emptyset. Formal:
L0:={uvw:u0v0wLu,v,wΣ}L^{\downarrow 0}:= \{uvw: u0v0w\in L \wedge u,v,w\in\Sigma^*\}
Beachten Sie insbesondere, dass das Löschen nicht optional ist.

Subproblem a (3.0/3.0P)

Gegeben sind drei reguläre Ausdrücke r1,r2,r3r_1,r_2,r_3 über Σ\Sigma. Geben Sie jeweils reguläre Ausdrücke s1,s2,s3s_1,s_2,s_3 an, sodass L(si)=L(ri)0L(s_i)=L(r_i)^{\downarrow 0} für i{1,2,3}i\in\{1,2,3\}.
r1:=(01)(01)r_1:=(0\mid 1)(0\mid 1), s1=εs_1=\varepsilon
r2:=(01)r_2:=(0\mid 1)^*, s2=(01)s_2=(0\mid 1)^*
r3:=(01)r_3:=(01)^*, s3=(01)1(01)1(01)s_3=(01)^*1(01)^*1(01)^*

Subproblem b (7.0/7.0P)

Sei M=(Q,Σ,δ,q0,F)M=(Q,\Sigma,\delta,q_0,F) ein beliebiger NFA. Es gilt weiterhin Σ={0,1}\Sigma=\{0,1\}. Konstruieren Sie einen ϵ\epsilon-NFA M=(Q,Σ,δ,q0,F)M'=(Q',\Sigma,\delta',q_0',F') mit L(M)=L(M)0L(M')=L(M)^{\downarrow 0}, indem Sie QQ', q0q_0', FF', und δ\delta' präzise angeben.

Sie können (müssen aber nicht) zusätzlich die Idee hinter Ihrer Konstruktion erläutern. Dies kann uns helfen, Ihre Definitionen zu verstehen.

Wenden Sie anschließend Ihre Konstruktion auf den nachfolgenden NFA M1M_1 an und zeichnen Sie das Ergebnis.

Hinweis: Sie können δ\delta' in Form von Gleichungen „δ(q,x):={...}\delta'(q',x):=\{...\}" oder alternativ Mengen von Tripeln „{(q,x,p)...}\{(q',x,p')\mid...\}" mit q,pQ,xΣ{ϵ}q',p'\in Q',x\in\Sigma\cup\{\epsilon\} angeben.
NFA M1M_1:
Zustände: q1, q2, q3
Startzustand: q1
Finalzustände: q3
Transitionen:
    q1, 0 -> q2
    q2, 1 -> q1
    q2, 0 -> q3
    q2, 1 -> q3
    q3, 1 -> q2
Q:=Q×{0,1,2}Q' := Q \times \{0, 1, 2\}
q0:=(q0,0)q_0' := (q_0, 0)
F:={(q,2)qF}F' := \{(q, 2) \mid q \in F\}

δ\delta':
For all qQq \in Q, i{0,1,2}i \in \{0, 1, 2\}:
- δ((q,i),1):={(p,i)pδ(q,1)}\delta'((q, i), 1) := \{(p, i) \mid p \in \delta(q, 1)\}
- δ((q,i),0):={(p,i)pδ(q,0)}\delta'((q, i), 0) := \{(p, i) \mid p \in \delta(q, 0)\}
- δ((q,i),ϵ):={{(p,i+1)pδ(q,0)}if i{0,1}if i=2\delta'((q, i), \epsilon) := \begin{cases}
  \{(p, i+1) \mid p \in \delta(q, 0)\} & \text{if } i \in \{0, 1\} \\
  \emptyset & \text{if } i = 2
  \end{cases}

Konstruktionsidee (optional):
The construction creates three "layers" of the original NFA, where each layer tracks how many zeros have been removed so far. The second component i{0,1,2}i \in \{0, 1, 2\} counts the number of zeros removed. On reading a 0, we can either follow the original transition (keeping the count) or skip it via an ε-transition (incrementing the count). On reading a 1, we simply follow the original transition. We accept only when we reach a final state of M after removing exactly 2 zeros.

Ihr Konstruktionsergebnis für M1M_1:
States: (q1,0),(q1,1),(q1,2),(q2,0),(q2,1),(q2,2),(q3,0),(q3,1),(q3,2)(q_1,0), (q_1,1), (q_1,2), (q_2,0), (q_2,1), (q_2,2), (q_3,0), (q_3,1), (q_3,2)
Start state: (q1,0)(q_1,0)
Final state: (q3,2)(q_3,2)

Transitions:
From (q1,0)(q_1,0): 0(q2,0)0 \to (q_2,0), ϵ(q2,1)\epsilon \to (q_2,1)
From (q1,1)(q_1,1): 0(q2,1)0 \to (q_2,1), ϵ(q2,2)\epsilon \to (q_2,2)
From (q1,2)(q_1,2): 0(q2,2)0 \to (q_2,2)

From (q2,0)(q_2,0): 1{(q1,0),(q3,0)}1 \to \{(q_1,0), (q_3,0)\}, 0(q3,0)0 \to (q_3,0), ϵ(q3,1)\epsilon \to (q_3,1)
From (q2,1)(q_2,1): 1{(q1,1),(q3,1)}1 \to \{(q_1,1), (q_3,1)\}, 0(q3,1)0 \to (q_3,1), ϵ(q3,2)\epsilon \to (q_3,2)
From (q2,2)(q_2,2): 1{(q1,2),(q3,2)}1 \to \{(q_1,2), (q_3,2)\}, 0(q3,2)0 \to (q_3,2)

From (q3,0)(q_3,0): 1(q2,0)1 \to (q_2,0)
From (q3,1)(q_3,1): 1(q2,1)1 \to (q_2,1)
From (q3,2)(q_3,2): 1(q2,2)1 \to (q_2,2)

Subproblem c (3.0/3.0P)

Es gilt weiterhin Σ={0,1}\Sigma=\{0,1\}. Für eine Sprache LΣL\subseteq\Sigma^* bezeichnet L0L^{\uparrow 0} die Sprache, die man erhält, wenn man den Wörtern aus LL jeweils zwei Nullen hinzufügt. Formal gilt
L0:={u0v0wuvwLu,v,wΣ}L^{\uparrow 0}:= \{u0v0w \mid uvw\in L \wedge u,v,w\in\Sigma^*\}.
Zeigen oder widerlegen Sie: Für jede nichtleere Sprache LΣL\subseteq \Sigma^* gilt L0LL^{\uparrow 0}\neq L.
Falls Sie die Aussage mit einem Gegenbeispiel widerlegen möchten, zeigen Sie auch die Korrektheit des Gegenbeispiels.
WahrFalsch
Proof that the statement is true:

For any non-empty language LΣL \subseteq \Sigma^*, I will show that L0LL^{\uparrow 0} \neq L.

Since LL is non-empty, there exists at least one word in LL. Let wLw \in L be a word with the minimum number of zeros among all words in LL. Let's say ww contains exactly kk zeros.

Key observation: Every word in L0L^{\uparrow 0} is formed by adding exactly 2 zeros to some word from LL. Since every word in LL has at least kk zeros, every word in L0L^{\uparrow 0} has at least k+2k + 2 zeros.

Now I consider two cases:

Case 1: k<2k < 2 (i.e., ww has 0 or 1 zeros)
- Then wLw \in L has fewer than 2 zeros
- But every word in L0L^{\uparrow 0} has at least k+22k + 2 \geq 2 zeros
- Therefore wLw \in L but wL0w \notin L^{\uparrow 0}
- Hence L⊈L0L \not\subseteq L^{\uparrow 0}, so LL0L \neq L^{\uparrow 0}

Case 2: k2k \geq 2 (i.e., all words in LL have at least 2 zeros)
- For ww to be in L0L^{\uparrow 0}, we would need w=u0v0zw = u0v0z for some uvzLuvz \in L
- But then uvzuvz would have exactly k2k - 2 zeros
- This contradicts our assumption that kk is the minimum number of zeros in any word in LL
- Therefore wLw \in L but wL0w \notin L^{\uparrow 0}
- Hence L⊈L0L \not\subseteq L^{\uparrow 0}, so LL0L \neq L^{\uparrow 0}

In both cases, we have LL0L \neq L^{\uparrow 0}. Therefore, the statement is true.

anthropic/claude-sonnet-4

Exercise 3: NFA-Konstruktion

Sei Σ:={0,1}\Sigma:=\{0,1\}. Für eine Sprache LΣL\subseteq\Sigma^* bezeichnet L0L^{\downarrow 0} die Sprache, die man erhält, wenn man den Wörtern aus LL jeweils genau zwei Nullen entfernt. Z.B. gilt {0,010,1}0={1}\{0,010, 1\}^{\downarrow 0}=\{1\} und {1,101,0}0=\{1,101, 0\}^{\downarrow 0}=\emptyset. Formal:
L0:={uvw:u0v0wLu,v,wΣ}L^{\downarrow 0}:= \{uvw: u0v0w\in L \wedge u,v,w\in\Sigma^*\}
Beachten Sie insbesondere, dass das Löschen nicht optional ist.

Subproblem a (2.0/3.0P)

Gegeben sind drei reguläre Ausdrücke r1,r2,r3r_1,r_2,r_3 über Σ\Sigma. Geben Sie jeweils reguläre Ausdrücke s1,s2,s3s_1,s_2,s_3 an, sodass L(si)=L(ri)0L(s_i)=L(r_i)^{\downarrow 0} für i{1,2,3}i\in\{1,2,3\}.
r1:=(01)(01)r_1:=(0\mid 1)(0\mid 1), s1=εs_1=\varepsilon
r2:=(01)r_2:=(0\mid 1)^*, s2=(01)s_2=(0\mid 1)^*
r3:=(01)r_3:=(01)^*, s3=(01)1s_3=(0\mid 1)^*1
2: wrong language: contains 1

Subproblem b (7.0/7.0P)

Sei M=(Q,Σ,δ,q0,F)M=(Q,\Sigma,\delta,q_0,F) ein beliebiger NFA. Es gilt weiterhin Σ={0,1}\Sigma=\{0,1\}. Konstruieren Sie einen ϵ\epsilon-NFA M=(Q,Σ,δ,q0,F)M'=(Q',\Sigma,\delta',q_0',F') mit L(M)=L(M)0L(M')=L(M)^{\downarrow 0}, indem Sie QQ', q0q_0', FF', und δ\delta' präzise angeben.

Sie können (müssen aber nicht) zusätzlich die Idee hinter Ihrer Konstruktion erläutern. Dies kann uns helfen, Ihre Definitionen zu verstehen.

Wenden Sie anschließend Ihre Konstruktion auf den nachfolgenden NFA M1M_1 an und zeichnen Sie das Ergebnis.

Hinweis: Sie können δ\delta' in Form von Gleichungen „δ(q,x):={...}\delta'(q',x):=\{...\}" oder alternativ Mengen von Tripeln „{(q,x,p)...}\{(q',x,p')\mid...\}" mit q,pQ,xΣ{ϵ}q',p'\in Q',x\in\Sigma\cup\{\epsilon\} angeben.
NFA M1M_1:
Zustände: q1, q2, q3
Startzustand: q1
Finalzustände: q3
Transitionen:
    q1, 0 -> q2
    q2, 1 -> q1
    q2, 0 -> q3
    q2, 1 -> q3
    q3, 1 -> q2
Q:=Q×{0,1,2}Q':= Q \times \{0, 1, 2\}
q0:=(q0,0)q_0':= (q_0, 0)
F:={(q,2):qF}F':= \{(q, 2) : q \in F\}

δ\delta':
For all qQq \in Q and a{0,1}a \in \{0, 1\}:
- δ((q,0),a):={(p,0):pδ(q,a)}\delta'((q, 0), a) := \{(p, 0) : p \in \delta(q, a)\}
- δ((q,0),ϵ):={(p,1):pδ(q,0)}\delta'((q, 0), \epsilon) := \{(p, 1) : p \in \delta(q, 0)\}
- δ((q,1),a):={(p,1):pδ(q,a)}\delta'((q, 1), a) := \{(p, 1) : p \in \delta(q, a)\}
- δ((q,1),ϵ):={(p,2):pδ(q,0)}\delta'((q, 1), \epsilon) := \{(p, 2) : p \in \delta(q, 0)\}
- δ((q,2),a):={(p,2):pδ(q,a)}\delta'((q, 2), a) := \{(p, 2) : p \in \delta(q, a)\}

Konstruktionsidee (optional):
The states (q,i)(q, i) track the current state qq of the original automaton and how many 0's we have "virtually consumed" (i=0,1,2i = 0, 1, 2). We start in phase 0, use ε-transitions to simulate the first 0 (moving to phase 1), then the second 0 (moving to phase 2), and only accept in phase 2 when in a final state of the original automaton.

Ihr Konstruktionsergebnis für M1M_1:

States: (q1,0),(q1,1),(q1,2),(q2,0),(q2,1),(q2,2),(q3,0),(q3,1),(q3,2)(q_1, 0), (q_1, 1), (q_1, 2), (q_2, 0), (q_2, 1), (q_2, 2), (q_3, 0), (q_3, 1), (q_3, 2)
Start state: (q1,0)(q_1, 0)
Final state: (q3,2)(q_3, 2)

Transitions:
- (q1,0)0(q2,0)(q_1, 0) \xrightarrow{0} (q_2, 0)
- (q1,0)ϵ(q2,1)(q_1, 0) \xrightarrow{\epsilon} (q_2, 1)
- (q1,1)0(q2,1)(q_1, 1) \xrightarrow{0} (q_2, 1)
- (q1,1)ϵ(q2,2)(q_1, 1) \xrightarrow{\epsilon} (q_2, 2)
- (q1,2)0(q2,2)(q_1, 2) \xrightarrow{0} (q_2, 2)
- (q2,0)0(q3,0)(q_2, 0) \xrightarrow{0} (q_3, 0)
- (q2,0)1(q1,0),(q3,0)(q_2, 0) \xrightarrow{1} (q_1, 0), (q_3, 0)
- (q2,0)ϵ(q3,1)(q_2, 0) \xrightarrow{\epsilon} (q_3, 1)
- (q2,1)0(q3,1)(q_2, 1) \xrightarrow{0} (q_3, 1)
- (q2,1)1(q1,1),(q3,1)(q_2, 1) \xrightarrow{1} (q_1, 1), (q_3, 1)
- (q2,1)ϵ(q3,2)(q_2, 1) \xrightarrow{\epsilon} (q_3, 2)
- (q2,2)0(q3,2)(q_2, 2) \xrightarrow{0} (q_3, 2)
- (q2,2)1(q1,2),(q3,2)(q_2, 2) \xrightarrow{1} (q_1, 2), (q_3, 2)
- (q3,0)1(q2,0)(q_3, 0) \xrightarrow{1} (q_2, 0)
- (q3,1)1(q2,1)(q_3, 1) \xrightarrow{1} (q_2, 1)
- (q3,2)1(q2,2)(q_3, 2) \xrightarrow{1} (q_2, 2)

Subproblem c (3.0/3.0P)

Es gilt weiterhin Σ={0,1}\Sigma=\{0,1\}. Für eine Sprache LΣL\subseteq\Sigma^* bezeichnet L0L^{\uparrow 0} die Sprache, die man erhält, wenn man den Wörtern aus LL jeweils zwei Nullen hinzufügt. Formal gilt
L0:={u0v0wuvwLu,v,wΣ}L^{\uparrow 0}:= \{u0v0w \mid uvw\in L \wedge u,v,w\in\Sigma^*\}.
Zeigen oder widerlegen Sie: Für jede nichtleere Sprache LΣL\subseteq \Sigma^* gilt L0LL^{\uparrow 0}\neq L.
Falls Sie die Aussage mit einem Gegenbeispiel widerlegen möchten, zeigen Sie auch die Korrektheit des Gegenbeispiels.
WahrFalsch
The statement is true.

Proof by contradiction:

Suppose there exists a nonempty language LL such that L=L0L = L^{\uparrow 0}.

Case 1: If εL\varepsilon \in L, then since L=L0L = L^{\uparrow 0}, we have εL0\varepsilon \in L^{\uparrow 0}. This means ε=u0v0w\varepsilon = u0v0w for some u,v,wΣu,v,w \in \Sigma^* with uvwLuvw \in L. But this is impossible since u0v0wu0v0w has length at least 2 while ε\varepsilon has length 0.

Case 2: If εL\varepsilon \notin L, let wLw \in L be a string of minimum positive length. Since wL0w \in L^{\uparrow 0}, we have w=u0v0zw = u0v0z where uvzLuvz \in L. But then uvz=w2<w|uvz| = |w| - 2 < |w|, contradicting the minimality of w|w|.

Therefore, no such language LL exists, proving L0LL^{\uparrow 0} \neq L for all nonempty languages LL.

deepseek/deepseek-chat-v3.1

Exercise 3: NFA-Konstruktion

Sei Σ:={0,1}\Sigma:=\{0,1\}. Für eine Sprache LΣL\subseteq\Sigma^* bezeichnet L0L^{\downarrow 0} die Sprache, die man erhält, wenn man den Wörtern aus LL jeweils genau zwei Nullen entfernt. Z.B. gilt {0,010,1}0={1}\{0,010, 1\}^{\downarrow 0}=\{1\} und {1,101,0}0=\{1,101, 0\}^{\downarrow 0}=\emptyset. Formal:
L0:={uvw:u0v0wLu,v,wΣ}L^{\downarrow 0}:= \{uvw: u0v0w\in L \wedge u,v,w\in\Sigma^*\}
Beachten Sie insbesondere, dass das Löschen nicht optional ist.

Subproblem a (3.0/3.0P)

Gegeben sind drei reguläre Ausdrücke r1,r2,r3r_1,r_2,r_3 über Σ\Sigma. Geben Sie jeweils reguläre Ausdrücke s1,s2,s3s_1,s_2,s_3 an, sodass L(si)=L(ri)0L(s_i)=L(r_i)^{\downarrow 0} für i{1,2,3}i\in\{1,2,3\}.
r1:=(01)(01)r_1:=(0\mid 1)(0\mid 1), s1=εs_1=\varepsilon
r2:=(01)r_2:=(0\mid 1)^*, s2=(01)s_2=(0\mid 1)^*
r3:=(01)r_3:=(01)^*, s3=(01)1(01)1(01)s_3=(01)^*1(01)^*1(01)^*

Subproblem b (7.0/7.0P)

Sei M=(Q,Σ,δ,q0,F)M=(Q,\Sigma,\delta,q_0,F) ein beliebiger NFA. Es gilt weiterhin Σ={0,1}\Sigma=\{0,1\}. Konstruieren Sie einen ϵ\epsilon-NFA M=(Q,Σ,δ,q0,F)M'=(Q',\Sigma,\delta',q_0',F') mit L(M)=L(M)0L(M')=L(M)^{\downarrow 0}, indem Sie QQ', q0q_0', FF', und δ\delta' präzise angeben.

Sie können (müssen aber nicht) zusätzlich die Idee hinter Ihrer Konstruktion erläutern. Dies kann uns helfen, Ihre Definitionen zu verstehen.

Wenden Sie anschließend Ihre Konstruktion auf den nachfolgenden NFA M1M_1 an und zeichnen Sie das Ergebnis.

Hinweis: Sie können δ\delta' in Form von Gleichungen „δ(q,x):={...}\delta'(q',x):=\{...\}" oder alternativ Mengen von Tripeln „{(q,x,p)...}\{(q',x,p')\mid...\}" mit q,pQ,xΣ{ϵ}q',p'\in Q',x\in\Sigma\cup\{\epsilon\} angeben.
NFA M1M_1:
Zustände: q1, q2, q3
Startzustand: q1
Finalzustände: q3
Transitionen:
    q1, 0 -> q2
    q2, 1 -> q1
    q2, 0 -> q3
    q2, 1 -> q3
    q3, 1 -> q2
Q:=Q×{0,1,2}Q':= Q \times \{0,1,2\}
q0:=(q0,0)q_0':= (q_0, 0)
F:={(q,2)qF}F':= \{ (q, 2) \mid q \in F \}

δ\delta':
For all qQq \in Q, k{0,1,2}k \in \{0,1,2\}, and aΣa \in \Sigma:
- δ((q,k),a)={(p,k)pδ(q,a)}\delta'((q, k), a) = \{ (p, k) \mid p \in \delta(q, a) \}

For all qQq \in Q and k{0,1}k \in \{0,1\}:
- δ((q,k),ϵ)={(p,k+1)pδ(q,0)}\delta'((q, k), \epsilon) = \{ (p, k+1) \mid p \in \delta(q, 0) \}

Konstruktionsidee (optional):
Die Konstruktion simuliert den ursprünglichen NFA MM und erlaubt nicht-deterministisch das Überspringen von genau zwei Nullen. Jeder Zustand in MM' ist ein Paar (q,k)(q, k), wobei qq den Zustand in MM und kk die Anzahl der bisher übersprungenen Nullen (0, 1 oder 2) repräsentiert. Über Σ\Sigma-Transitionen wird MM normal simuliert ohne kk zu ändern. ϵ\epsilon-Transitionen erlauben das Überspringen einer Null (falls k<2k < 2), was kk erhöht und zu den Zuständen führt, die in MM beim Lesen einer Null von qq erreichbar sind. Endzustände sind solche, in denen MM in einem Finalzustand ist und genau zwei Nullen übersprungen wurden.

Ihr Konstruktionsergebnis für M1M_1:
Zustände: (q1,0), (q1,1), (q1,2), (q2,0), (q2,1), (q2,2), (q3,0), (q3,1), (q3,2)  
Startzustand: (q1,0)  
Finalzustände: (q3,2)  

Transitionen:
- (q1,0), 0 → (q2,0)
- (q1,0), ε → (q2,1)
- (q1,1), 0 → (q2,1)
- (q1,1), ε → (q2,2)
- (q1,2), 0 → (q2,2)
- (q2,0), 0 → (q3,0)
- (q2,0), 1 → (q1,0), (q3,0)
- (q2,0), ε → (q3,1)
- (q2,1), 0 → (q3,1)
- (q2,1), 1 → (q1,1), (q3,1)
- (q2,1), ε → (q3,2)
- (q2,2), 0 → (q3,2)
- (q2,2), 1 → (q1,2), (q3,2)
- (q3,0), 1 → (q2,0)
- (q3,1), 1 → (q2,1)
- (q3,2), 1 → (q2,2)

Subproblem c (3.0/3.0P)

Es gilt weiterhin Σ={0,1}\Sigma=\{0,1\}. Für eine Sprache LΣL\subseteq\Sigma^* bezeichnet L0L^{\uparrow 0} die Sprache, die man erhält, wenn man den Wörtern aus LL jeweils zwei Nullen hinzufügt. Formal gilt
L0:={u0v0wuvwLu,v,wΣ}L^{\uparrow 0}:= \{u0v0w \mid uvw\in L \wedge u,v,w\in\Sigma^*\}.
Zeigen oder widerlegen Sie: Für jede nichtleere Sprache LΣL\subseteq \Sigma^* gilt L0LL^{\uparrow 0}\neq L.
Falls Sie die Aussage mit einem Gegenbeispiel widerlegen möchten, zeigen Sie auch die Korrektheit des Gegenbeispiels.
WahrFalsch
Die Aussage ist wahr. Für jede nichtleere Sprache LΣL \subseteq \Sigma^* gilt L0LL^{\uparrow 0} \neq L.

Beweis:  
Angenommen, für eine nichtleere Sprache LL gilt L0=LL^{\uparrow 0} = L. Dann muss insbesondere LL0L \subseteq L^{\uparrow 0} gelten. Das bedeutet, dass jedes Wort wLw \in L in der Form w=u0v0ww = u0v0w' für einige u,v,wΣu, v, w' \in \Sigma^* geschrieben werden kann, sodass uvwLu v w' \in L. Daher muss jedes Wort in LL mindestens zwei Nullen enthalten.

Sei m=min{Anzahl der Nullen in wwL}m = \min\{ \text{Anzahl der Nullen in } w \mid w \in L \}. Da LL nichtleer ist, ist mm wohldefiniert und m2m \geq 2. Wähle ein Wort wLw \in L mit genau mm Nullen. Da wL0w \in L^{\uparrow 0}, existieren u,v,wΣu, v, w' \in \Sigma^* mit w=u0v0ww = u0v0w' und uvwLu v w' \in L. Das Wort uvwu v w' hat jedoch m2m - 2 Nullen, da zwei Nullen entfernt wurden. Da mm die minimale Anzahl von Nullen in LL ist, muss uvwu v w' mindestens mm Nullen haben, aber m2<mm - 2 < m für m2m \geq 2, was ein Widerspruch ist. Daher kann LL0L \subseteq L^{\uparrow 0} nicht gelten, und somit ist L0LL^{\uparrow 0} \neq L für jede nichtleere Sprache LL.

deepseek/deepseek-r1-0528

Exercise 3: NFA-Konstruktion

Sei Σ:={0,1}\Sigma:=\{0,1\}. Für eine Sprache LΣL\subseteq\Sigma^* bezeichnet L0L^{\downarrow 0} die Sprache, die man erhält, wenn man den Wörtern aus LL jeweils genau zwei Nullen entfernt. Z.B. gilt {0,010,1}0={1}\{0,010, 1\}^{\downarrow 0}=\{1\} und {1,101,0}0=\{1,101, 0\}^{\downarrow 0}=\emptyset. Formal:
L0:={uvw:u0v0wLu,v,wΣ}L^{\downarrow 0}:= \{uvw: u0v0w\in L \wedge u,v,w\in\Sigma^*\}
Beachten Sie insbesondere, dass das Löschen nicht optional ist.

Subproblem a (3.0/3.0P)

Gegeben sind drei reguläre Ausdrücke r1,r2,r3r_1,r_2,r_3 über Σ\Sigma. Geben Sie jeweils reguläre Ausdrücke s1,s2,s3s_1,s_2,s_3 an, sodass L(si)=L(ri)0L(s_i)=L(r_i)^{\downarrow 0} für i{1,2,3}i\in\{1,2,3\}.
r1:=(01)(01)r_1:=(0\mid 1)(0\mid 1), s1=ϵs_1=\epsilon
r2:=(01)r_2:=(0\mid 1)^*, s2=(01)s_2=(0 \mid 1)^*
r3:=(01)r_3:=(01)^*, s3=(01)1(01)1(01)s_3=(01)^*  1  (01)^*  1  (01)^*

Subproblem b (7.0/7.0P)

Sei M=(Q,Σ,δ,q0,F)M=(Q,\Sigma,\delta,q_0,F) ein beliebiger NFA. Es gilt weiterhin Σ={0,1}\Sigma=\{0,1\}. Konstruieren Sie einen ϵ\epsilon-NFA M=(Q,Σ,δ,q0,F)M'=(Q',\Sigma,\delta',q_0',F') mit L(M)=L(M)0L(M')=L(M)^{\downarrow 0}, indem Sie QQ', q0q_0', FF', und δ\delta' präzise angeben.

Sie können (müssen aber nicht) zusätzlich die Idee hinter Ihrer Konstruktion erläutern. Dies kann uns helfen, Ihre Definitionen zu verstehen.

Wenden Sie anschließend Ihre Konstruktion auf den nachfolgenden NFA M1M_1 an und zeichnen Sie das Ergebnis.

Hinweis: Sie können δ\delta' in Form von Gleichungen „δ(q,x):={...}\delta'(q',x):=\{...\}" oder alternativ Mengen von Tripeln „{(q,x,p)...}\{(q',x,p')\mid...\}" mit q,pQ,xΣ{ϵ}q',p'\in Q',x\in\Sigma\cup\{\epsilon\} angeben.
NFA M1M_1:
Zustände: q1, q2, q3
Startzustand: q1
Finalzustände: q3
Transitionen:
    q1, 0 -> q2
    q2, 1 -> q1
    q2, 0 -> q3
    q2, 1 -> q3
    q3, 1 -> q2
Q:=Q×{0,1,2}={(q,k)q{q1,q2,q3},k{0,1,2}}Q':= Q \times \{0,1,2\} = \{ (q,k) \mid q \in \{q_1,q_2,q_3\}, k \in \{0,1,2\} \}
q0:=(q1,0)q_0':= (q_1,0)
F:={(q3,2)}F':= \{ (q_3,2) \}

δ\delta':
For all (q,k)Q(q,k) \in Q' and a{0,1}a \in \{0,1\}:
- If a=0a=0:
  δ((q,k),0)={(p,k)pδ(q,0)}{(q,k+1)k<2}
  \delta'((q,k),0) = \{ (p,k) \mid p \in \delta(q,0) \} \cup \{ (q,k+1) \mid k < 2 \}
  
- If a=1a=1:
  δ((q,k),1)={(p,k)pδ(q,1)}
  \delta'((q,k),1) = \{ (p,k) \mid p \in \delta(q,1) \}
  

Konstruktionsidee (optional):
MM' simuliert MM und verwaltet einen Zähler kk für entfernte Nullen. Bei einer 00 kann sie diese entweder normal verarbeiten (Zustandswechsel gemäß MM) oder entfernen (kk erhöhen, Zustand unverändert). Bei 11 nur normale Verarbeitung. Akzeptiert, wenn MM in Endzustand ist und genau zwei Nullen entfernt wurden.

Ihr Konstruktionsergebnis für M1M_1:
- Zustände: (q1,0)(q_1,0), (q1,1)(q_1,1), (q1,2)(q_1,2), (q2,0)(q_2,0), (q2,1)(q_2,1), (q2,2)(q_2,2), (q3,0)(q_3,0), (q3,1)(q_3,1), (q3,2)(q_3,2)
- Start: (q1,0)(q_1,0)
- Ende: (q3,2)(q_3,2)
- Transitionen (in Tripelform):
  (q1,0,0)(q2,0)(q_1,0,0) \to (q_2,0), (q1,0,0)(q1,1)(q_1,0,0) \to (q_1,1)
  (q1,1,0)(q2,1)(q_1,1,0) \to (q_2,1), (q1,1,0)(q1,2)(q_1,1,0) \to (q_1,2)
  (q1,2,0)(q2,2)(q_1,2,0) \to (q_2,2)
  (q2,0,0)(q3,0)(q_2,0,0) \to (q_3,0), (q2,0,0)(q2,1)(q_2,0,0) \to (q_2,1)
  (q2,0,1)(q1,0)(q_2,0,1) \to (q_1,0), (q2,0,1)(q3,0)(q_2,0,1) \to (q_3,0)
  (q2,1,0)(q3,1)(q_2,1,0) \to (q_3,1), (q2,1,0)(q2,2)(q_2,1,0) \to (q_2,2)
  (q2,1,1)(q1,1)(q_2,1,1) \to (q_1,1), (q2,1,1)(q3,1)(q_2,1,1) \to (q_3,1)
  (q2,2,0)(q3,2)(q_2,2,0) \to (q_3,2)
  (q2,2,1)(q1,2)(q_2,2,1) \to (q_1,2), (q2,2,1)(q3,2)(q_2,2,1) \to (q_3,2)
  (q3,0,0)(q3,1)(q_3,0,0) \to (q_3,1)
  (q3,0,1)(q2,0)(q_3,0,1) \to (q_2,0)
  (q3,1,0)(q3,2)(q_3,1,0) \to (q_3,2)
  (q3,1,1)(q2,1)(q_3,1,1) \to (q_2,1)
  (q3,2,1)(q2,2)(q_3,2,1) \to (q_2,2)

Subproblem c (3.0/3.0P)

Es gilt weiterhin Σ={0,1}\Sigma=\{0,1\}. Für eine Sprache LΣL\subseteq\Sigma^* bezeichnet L0L^{\uparrow 0} die Sprache, die man erhält, wenn man den Wörtern aus LL jeweils zwei Nullen hinzufügt. Formal gilt
L0:={u0v0wuvwLu,v,wΣ}L^{\uparrow 0}:= \{u0v0w \mid uvw\in L \wedge u,v,w\in\Sigma^*\}.
Zeigen oder widerlegen Sie: Für jede nichtleere Sprache LΣL\subseteq \Sigma^* gilt L0LL^{\uparrow 0}\neq L.
Falls Sie die Aussage mit einem Gegenbeispiel widerlegen möchten, zeigen Sie auch die Korrektheit des Gegenbeispiels.
WahrFalsch
Die Aussage ist wahr: Für jede nichtleere Sprache LΣ L \subseteq \Sigma^*  gilt L0L L^{\uparrow 0} \neq L .

Beweis: Sei L L  eine nichtleere Sprache. Sei wL w \in L  ein Wort mit minimaler Anzahl an Nullen, sei m m  diese minimale Anzahl.

Fall 1: m<2 m < 2 . Dann hat w w  weniger als zwei Nullen. Aber jedes Wort in L0 L^{\uparrow 0}  hat mindestens zwei Nullen (da zwei Nullen eingefügt werden). Also ist wL0 w \notin L^{\uparrow 0} , aber wL w \in L , also L0L L^{\uparrow 0} \neq L .

Fall 2: m2 m \geq 2 . Dann hat w w  mindestens zwei Nullen. Angenommen, wL0 w \in L^{\uparrow 0} . Dann gibt es eine Zerlegung w=u0v0w w = u0v0w'  (wobei u,v,wΣ u,v,w' \in \Sigma^* ) und ein Wort x=uvwL x = u v w' \in L . Das Wort x x  hat m2 m - 2  Nullen (da wir zwei Nullen entfernen). Da m2 m \geq 2 , ist m20 m-2 \geq 0 , aber m2<m m-2 < m  (da m2 m \geq 2 ). Also hat x x  weniger Nullen als w w , nämlich m2 m-2 , was ein Widerspruch zur Minimalität von m m  ist. Also ist wL0 w \notin L^{\uparrow 0} , aber wL w \in L , also L0L L^{\uparrow 0} \neq L .

In beiden Fällen folgt die Behauptung.

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Exercise 3: NFA-Konstruktion

Sei Σ:={0,1}\Sigma:=\{0,1\}. Für eine Sprache LΣL\subseteq\Sigma^* bezeichnet L0L^{\downarrow 0} die Sprache, die man erhält, wenn man den Wörtern aus LL jeweils genau zwei Nullen entfernt. Z.B. gilt {0,010,1}0={1}\{0,010, 1\}^{\downarrow 0}=\{1\} und {1,101,0}0=\{1,101, 0\}^{\downarrow 0}=\emptyset. Formal:
L0:={uvw:u0v0wLu,v,wΣ}L^{\downarrow 0}:= \{uvw: u0v0w\in L \wedge u,v,w\in\Sigma^*\}
Beachten Sie insbesondere, dass das Löschen nicht optional ist.

Subproblem a (3.0/3.0P)

Gegeben sind drei reguläre Ausdrücke r1,r2,r3r_1,r_2,r_3 über Σ\Sigma. Geben Sie jeweils reguläre Ausdrücke s1,s2,s3s_1,s_2,s_3 an, sodass L(si)=L(ri)0L(s_i)=L(r_i)^{\downarrow 0} für i{1,2,3}i\in\{1,2,3\}.
r1:=(01)(01)r_1:=(0\mid 1)(0\mid 1), s1=ϵs_1=\epsilon
r2:=(01)r_2:=(0\mid 1)^*, s2=(01)s_2=(0\mid 1)^*
r3:=(01)r_3:=(01)^*, s3=(01)1(01)1(01)s_3=(01)^*1(01)^*1(01)^*

Subproblem b (7.0/7.0P)

Sei M=(Q,Σ,δ,q0,F)M=(Q,\Sigma,\delta,q_0,F) ein beliebiger NFA. Es gilt weiterhin Σ={0,1}\Sigma=\{0,1\}. Konstruieren Sie einen ϵ\epsilon-NFA M=(Q,Σ,δ,q0,F)M'=(Q',\Sigma,\delta',q_0',F') mit L(M)=L(M)0L(M')=L(M)^{\downarrow 0}, indem Sie QQ', q0q_0', FF', und δ\delta' präzise angeben.

Sie können (müssen aber nicht) zusätzlich die Idee hinter Ihrer Konstruktion erläutern. Dies kann uns helfen, Ihre Definitionen zu verstehen.

Wenden Sie anschließend Ihre Konstruktion auf den nachfolgenden NFA M1M_1 an und zeichnen Sie das Ergebnis.

Hinweis: Sie können δ\delta' in Form von Gleichungen „δ(q,x):={...}\delta'(q',x):=\{...\}" oder alternativ Mengen von Tripeln „{(q,x,p)...}\{(q',x,p')\mid...\}" mit q,pQ,xΣ{ϵ}q',p'\in Q',x\in\Sigma\cup\{\epsilon\} angeben.
NFA M1M_1:
Zustände: q1, q2, q3
Startzustand: q1
Finalzustände: q3
Transitionen:
    q1, 0 -> q2
    q2, 1 -> q1
    q2, 0 -> q3
    q2, 1 -> q3
    q3, 1 -> q2
Q:=Q×{0,1,2}Q':=Q \times \{0,1,2\}
q0:=(q0,0)q_0':=(q_0, 0)
F:=F×{2}F':=F \times \{2\}

δ\delta':
Für einen Zustand (q,k)Q(q,k) \in Q' und ein Symbol xΣ{ϵ}x \in \Sigma \cup \{\epsilon\} ist δ((q,k),x)\delta'((q,k),x) wie folgt definiert:
*   Für aΣa \in \Sigma: δ((q,k),a):={(p,k)pδ(q,a)}\delta'((q,k), a) := \{ (p,k) \mid p \in \delta(q,a) \}
*   Für ϵ\epsilon:
    *   δ((q,k),ϵ):={(p,k+1)pδ(q,0)}\delta'((q,k), \epsilon) := \{ (p,k+1) \mid p \in \delta(q,0) \}, falls k{0,1}k \in \{0,1\}.
    *   δ((q,2),ϵ):=\delta'((q,2), \epsilon) := \emptyset.

Konstruktionsidee (optional):
Die Konstruktion ist eine Produktkonstruktion. Der neue Automat MM' besteht aus drei Kopien des ursprünglichen Automaten MM, die wir als Ebene 0, 1 und 2 bezeichnen. Ein Zustand in MM' ist ein Paar (q,k)(q,k), wobei qq ein Zustand aus MM ist und k{0,1,2}k \in \{0,1,2\} die Ebene angibt und gleichzeitig zählt, wie viele Nullen bereits aus der Eingabe "gelöscht" wurden.

*   Der Startzustand ist der Startzustand von MM auf Ebene 0, also (q0,0)(q_0,0).
*   Übergänge auf Symbolen aus Σ\Sigma finden nur innerhalb einer Ebene statt. Wenn es in MM einen Übergang qapq \xrightarrow{a} p gibt, gibt es in MM' für jede Ebene kk einen Übergang (q,k)a(p,k)(q,k) \xrightarrow{a} (p,k).
*   Das "Löschen" einer Null wird durch einen ϵ\epsilon-Übergang von einer Ebene zur nächsten simuliert. Für jeden Übergang q0pq \xrightarrow{0} p in MM gibt es in MM' ϵ\epsilon-Übergänge (q,0)ϵ(p,1)(q,0) \xrightarrow{\epsilon} (p,1) und (q,1)ϵ(p,2)(q,1) \xrightarrow{\epsilon} (p,2).
*   Die Endzustände von MM' sind die Endzustände von MM auf Ebene 2, also F×{2}F \times \{2\}. Dadurch wird sichergestellt, dass ein Wort nur dann akzeptiert wird, wenn genau zwei Nullen gelöscht wurden.

Ihr Konstruktionsergebnis für M1M_1:
Der resultierende NFA M1=(Q,Σ,δ,q0,F)M_1'=(Q',\Sigma,\delta',q_0',F') hat die folgenden Komponenten:

*   Zustände QQ': {(qi,j)i{1,2,3},j{0,1,2}}\{ (q_i, j) \mid i \in \{1,2,3\}, j \in \{0,1,2\} \}.
*   Startzustand q0q_0': (q1,0)(q_1, 0).
*   Finalzustände FF': {(q3,2)}\{ (q_3, 2) \}.
*   Transitionen δ\delta':
    *   Ebene 0:
        *   δ((q1,0),0)={(q2,0)}\delta'((q_1,0), 0) = \{(q_2,0)\}
        *   δ((q2,0),0)={(q3,0)}\delta'((q_2,0), 0) = \{(q_3,0)\}
        *   δ((q2,0),1)={(q1,0),(q3,0)}\delta'((q_2,0), 1) = \{(q_1,0), (q_3,0)\}
        *   δ((q3,0),1)={(q2,0)}\delta'((q_3,0), 1) = \{(q_2,0)\}
    *   Ebene 1:
        *   δ((q1,1),0)={(q2,1)}\delta'((q_1,1), 0) = \{(q_2,1)\}
        *   δ((q2,1),0)={(q3,1)}\delta'((q_2,1), 0) = \{(q_3,1)\}
        *   δ((q2,1),1)={(q1,1),(q3,1)}\delta'((q_2,1), 1) = \{(q_1,1), (q_3,1)\}
        *   δ((q3,1),1)={(q2,1)}\delta'((q_3,1), 1) = \{(q_2,1)\}
    *   Ebene 2:
        *   δ((q1,2),0)={(q2,2)}\delta'((q_1,2), 0) = \{(q_2,2)\}
        *   δ((q2,2),0)={(q3,2)}\delta'((q_2,2), 0) = \{(q_3,2)\}
        *   δ((q2,2),1)={(q1,2),(q3,2)}\delta'((q_2,2), 1) = \{(q_1,2), (q_3,2)\}
        *   δ((q3,2),1)={(q2,2)}\delta'((q_3,2), 1) = \{(q_2,2)\}
    *   ϵ\epsilon-Transitionen zwischen den Ebenen:
        *   δ((q1,0),ϵ)={(q2,1)}\delta'((q_1,0), \epsilon) = \{(q_2,1)\}
        *   δ((q2,0),ϵ)={(q3,1)}\delta'((q_2,0), \epsilon) = \{(q_3,1)\}
        *   δ((q1,1),ϵ)={(q2,2)}\delta'((q_1,1), \epsilon) = \{(q_2,2)\}
        *   δ((q2,1),ϵ)={(q3,2)}\delta'((q_2,1), \epsilon) = \{(q_3,2)\}

    Alle nicht explizit genannten Transitionen führen in die leere Menge.

Subproblem c (3.0/3.0P)

Es gilt weiterhin Σ={0,1}\Sigma=\{0,1\}. Für eine Sprache LΣL\subseteq\Sigma^* bezeichnet L0L^{\uparrow 0} die Sprache, die man erhält, wenn man den Wörtern aus LL jeweils zwei Nullen hinzufügt. Formal gilt
L0:={u0v0wuvwLu,v,wΣ}L^{\uparrow 0}:= \{u0v0w \mid uvw\in L \wedge u,v,w\in\Sigma^*\}.
Zeigen oder widerlegen Sie: Für jede nichtleere Sprache LΣL\subseteq \Sigma^* gilt L0LL^{\uparrow 0}\neq L.
Falls Sie die Aussage mit einem Gegenbeispiel widerlegen möchten, zeigen Sie auch die Korrektheit des Gegenbeispiels.
WahrFalsch
Die Aussage ist wahr.

Beweis:
Wir führen einen Widerspruchsbeweis. Angenommen, es gibt eine nichtleere Sprache LΣL \subseteq \Sigma^*, für die L0=LL^{\uparrow 0} = L gilt.

Da LL nichtleer ist, enthält LL mindestens ein Wort. Die Menge der Längen aller Wörter in LL, also S={wwL}S = \{|w| \mid w \in L\}, ist eine nichtleere Teilmenge der natürlichen Zahlen (einschließlich 0). Nach dem Wohlordnungsprinzip besitzt jede nichtleere Teilmenge der natürlichen Zahlen ein kleinstes Element. Sei mm die minimale Länge eines Wortes in LL. Es gibt also ein Wort wminLw_{min} \in L mit wmin=m|w_{min}| = m, und für alle anderen Wörter wLw' \in L gilt wm|w'| \ge m.

Aus unserer Annahme L=L0L = L^{\uparrow 0} folgt insbesondere die Inklusion LL0L \subseteq L^{\uparrow 0}. Das bedeutet, jedes Wort in LL muss auch in L0L^{\uparrow 0} sein. Also muss auch unser Wort minimaler Länge, wminw_{min}, in L0L^{\uparrow 0} sein.

Per Definition von L0L^{\uparrow 0} bedeutet wminL0w_{min} \in L^{\uparrow 0}, dass es Wörter u,v,wΣu, v, w' \in \Sigma^* geben muss, sodass zwei Bedingungen erfüllt sind:
1. wmin=u0v0ww_{min} = u0v0w'
2. Das Wort wrem:=uvww_{rem} := uvw' ist ein Element von LL.

Betrachten wir nun die Länge des Wortes wremw_{rem}. Es gilt:
wrem=uvw=u+v+w|w_{rem}| = |uvw'| = |u| + |v| + |w'|.
Die Länge von wminw_{min} ist:
wmin=u0v0w=u+1+v+1+w=uvw+2=wrem+2|w_{min}| = |u0v0w'| = |u| + 1 + |v| + 1 + |w'| = |uvw'| + 2 = |w_{rem}| + 2.

Daraus folgt wrem=wmin2=m2|w_{rem}| = |w_{min}| - 2 = m - 2.
Wir haben also ein Wort wremw_{rem} gefunden, das in LL ist und die Länge m2m-2 hat. Da m2<mm-2 < m ist, widerspricht dies der Tatsache, dass mm die minimale Länge eines Wortes in LL ist.

Dieser Widerspruch beweist, dass unsere ursprüngliche Annahme falsch sein muss. Es kann also keine nichtleere Sprache LL geben, für die L=L0L = L^{\uparrow 0} gilt. Folglich muss für jede nichtleere Sprache LL die Ungleichung L0LL^{\uparrow 0} \neq L gelten.

openai/gpt-5

Exercise 3: NFA-Konstruktion

Sei Σ:={0,1}\Sigma:=\{0,1\}. Für eine Sprache LΣL\subseteq\Sigma^* bezeichnet L0L^{\downarrow 0} die Sprache, die man erhält, wenn man den Wörtern aus LL jeweils genau zwei Nullen entfernt. Z.B. gilt {0,010,1}0={1}\{0,010, 1\}^{\downarrow 0}=\{1\} und {1,101,0}0=\{1,101, 0\}^{\downarrow 0}=\emptyset. Formal:
L0:={uvw:u0v0wLu,v,wΣ}L^{\downarrow 0}:= \{uvw: u0v0w\in L \wedge u,v,w\in\Sigma^*\}
Beachten Sie insbesondere, dass das Löschen nicht optional ist.

Subproblem a (3.0/3.0P)

Gegeben sind drei reguläre Ausdrücke r1,r2,r3r_1,r_2,r_3 über Σ\Sigma. Geben Sie jeweils reguläre Ausdrücke s1,s2,s3s_1,s_2,s_3 an, sodass L(si)=L(ri)0L(s_i)=L(r_i)^{\downarrow 0} für i{1,2,3}i\in\{1,2,3\}.
r1:=(01)(01)r_1:=(0\mid 1)(0\mid 1), s1=εs_1=\varepsilon
r2:=(01)r_2:=(0\mid 1)^*, s2=(01)s_2=(0\mid 1)^*
r3:=(01)r_3:=(01)^*, s3=(01)1(01)1(01)s_3=(01)^*1(01)^*1(01)^*

Subproblem b (7.0/7.0P)

Sei M=(Q,Σ,δ,q0,F)M=(Q,\Sigma,\delta,q_0,F) ein beliebiger NFA. Es gilt weiterhin Σ={0,1}\Sigma=\{0,1\}. Konstruieren Sie einen ϵ\epsilon-NFA M=(Q,Σ,δ,q0,F)M'=(Q',\Sigma,\delta',q_0',F') mit L(M)=L(M)0L(M')=L(M)^{\downarrow 0}, indem Sie QQ', q0q_0', FF', und δ\delta' präzise angeben.

Sie können (müssen aber nicht) zusätzlich die Idee hinter Ihrer Konstruktion erläutern. Dies kann uns helfen, Ihre Definitionen zu verstehen.

Wenden Sie anschließend Ihre Konstruktion auf den nachfolgenden NFA M1M_1 an und zeichnen Sie das Ergebnis.

Hinweis: Sie können δ\delta' in Form von Gleichungen „δ(q,x):={...}\delta'(q',x):=\{...\}" oder alternativ Mengen von Tripeln „{(q,x,p)...}\{(q',x,p')\mid...\}" mit q,pQ,xΣ{ϵ}q',p'\in Q',x\in\Sigma\cup\{\epsilon\} angeben.
NFA M1M_1:
Zustände: q1, q2, q3
Startzustand: q1
Finalzustände: q3
Transitionen:
    q1, 0 -> q2
    q2, 1 -> q1
    q2, 0 -> q3
    q2, 1 -> q3
    q3, 1 -> q2
Q:=Q×{0,1,2}Q':=Q\times\{0,1,2\}
q0:=(q0,0)q_0':=(q_0,0)
F:={(q,2)qF}F':=\{(q,2)\mid q\in F\}

δ\delta':
Für alle qQq\in Q, i{0,1,2}i\in\{0,1,2\}, a{0,1}a\in\{0,1\}:
- δ((q,i),a):={(p,i)pδ(q,a)}\delta'((q,i),a):=\{(p,i)\mid p\in\delta(q,a)\}
- δ((q,0),ϵ):={(p,1)pδ(q,0)}\delta'((q,0),\epsilon):=\{(p,1)\mid p\in\delta(q,0)\}
- δ((q,1),ϵ):={(p,2)pδ(q,0)}\delta'((q,1),\epsilon):=\{(p,2)\mid p\in\delta(q,0)\}
- δ((q,2),ϵ):=\delta'((q,2),\epsilon):=\emptyset

Konstruktionsidee (optional):
Wir simulieren MM und dürfen genau zweimal eine zusätzliche 0 „einspeisen“, ohne ein Eingabesymbol zu verbrauchen. Ein Zähler i{0,1,2}i\in\{0,1,2\} in den Zuständen zählt, wie viele solcher Einspeisungen bereits erfolgt sind. Epsilon-Kanten entsprechen dem Lesen einer 0 in MM ohne Eingabeverbrauch und erhöhen den Zähler. Akzeptiert wird nur, wenn genau zwei Einspeisungen erfolgt sind.

Ihr Konstruktionsergebnis für M1M_1:
- Zustände: {(q1,i),(q2,i),(q3,i)i=0,1,2}\{(q1,i),(q2,i),(q3,i)\mid i=0,1,2\}
- Startzustand: (q1,0)(q1,0)
- Finalzustände: {(q3,2)}\{(q3,2)\}
- Konsumierende Kanten (für jedes i{0,1,2}i\in\{0,1,2\}):
  - (q1,i)0(q2,i)(q1,i)\xrightarrow{0}(q2,i)
  - (q2,i)0(q3,i)(q2,i)\xrightarrow{0}(q3,i)
  - (q2,i)1(q1,i)(q2,i)\xrightarrow{1}(q1,i)
  - (q2,i)1(q3,i)(q2,i)\xrightarrow{1}(q3,i)
  - (q3,i)1(q2,i)(q3,i)\xrightarrow{1}(q2,i)
- Epsilon-Kanten (eingefügte 0, erhöhen den Zähler):
  - (q1,0)ϵ(q2,1)(q1,0)\xrightarrow{\epsilon}(q2,1)
  - (q2,0)ϵ(q3,1)(q2,0)\xrightarrow{\epsilon}(q3,1)
  - (q1,1)ϵ(q2,2)(q1,1)\xrightarrow{\epsilon}(q2,2)
  - (q2,1)ϵ(q3,2)(q2,1)\xrightarrow{\epsilon}(q3,2)

Subproblem c (3.0/3.0P)

Es gilt weiterhin Σ={0,1}\Sigma=\{0,1\}. Für eine Sprache LΣL\subseteq\Sigma^* bezeichnet L0L^{\uparrow 0} die Sprache, die man erhält, wenn man den Wörtern aus LL jeweils zwei Nullen hinzufügt. Formal gilt
L0:={u0v0wuvwLu,v,wΣ}L^{\uparrow 0}:= \{u0v0w \mid uvw\in L \wedge u,v,w\in\Sigma^*\}.
Zeigen oder widerlegen Sie: Für jede nichtleere Sprache LΣL\subseteq \Sigma^* gilt L0LL^{\uparrow 0}\neq L.
Falls Sie die Aussage mit einem Gegenbeispiel widerlegen möchten, zeigen Sie auch die Korrektheit des Gegenbeispiels.
WahrFalsch
Angenommen, es gäbe eine nichtleere Sprache L mit L^{\uparrow 0}=L. Wähle w∈L mit minimaler Anzahl an Nullen, d.h. minimalem |w|_0. Aus w∈L^{\uparrow 0} folgt: Es gibt u,v,x∈Σ^* und w'∈L mit w=u0v0x und w'=uvx. Dann gilt |w'|_0=|w|_0−2, also w'∈L hat strikt weniger Nullen als w — Widerspruch zur Minimalität von |w|_0. Also kann für keine nichtleere L die Gleichheit L^{\uparrow 0}=L gelten. Damit ist die Aussage wahr.

openai/gpt-oss-120b

Exercise 3: NFA-Konstruktion

Sei Σ:={0,1}\Sigma:=\{0,1\}. Für eine Sprache LΣL\subseteq\Sigma^* bezeichnet L0L^{\downarrow 0} die Sprache, die man erhält, wenn man den Wörtern aus LL jeweils genau zwei Nullen entfernt. Z.B. gilt {0,010,1}0={1}\{0,010, 1\}^{\downarrow 0}=\{1\} und {1,101,0}0=\{1,101, 0\}^{\downarrow 0}=\emptyset. Formal:
L0:={uvw:u0v0wLu,v,wΣ}L^{\downarrow 0}:= \{uvw: u0v0w\in L \wedge u,v,w\in\Sigma^*\}
Beachten Sie insbesondere, dass das Löschen nicht optional ist.

Subproblem a (3.0/3.0P)

Gegeben sind drei reguläre Ausdrücke r1,r2,r3r_1,r_2,r_3 über Σ\Sigma. Geben Sie jeweils reguläre Ausdrücke s1,s2,s3s_1,s_2,s_3 an, sodass L(si)=L(ri)0L(s_i)=L(r_i)^{\downarrow 0} für i{1,2,3}i\in\{1,2,3\}.
r1:=(01)(01)r_1:=(0\mid 1)(0\mid 1), s1=εs_1=\varepsilon  
r2:=(01)r_2:=(0\mid 1)^*, s2=(01)s_2=(0\mid 1)^*  
r3:=(01)r_3:=(01)^*, s3=(01)1(01)1(01)s_3=(01)^*\,1\,(01)^*\,1\,(01)^*

Subproblem b (7.0/7.0P)

Sei M=(Q,Σ,δ,q0,F)M=(Q,\Sigma,\delta,q_0,F) ein beliebiger NFA. Es gilt weiterhin Σ={0,1}\Sigma=\{0,1\}. Konstruieren Sie einen ϵ\epsilon-NFA M=(Q,Σ,δ,q0,F)M'=(Q',\Sigma,\delta',q_0',F') mit L(M)=L(M)0L(M')=L(M)^{\downarrow 0}, indem Sie QQ', q0q_0', FF', und δ\delta' präzise angeben.

Sie können (müssen aber nicht) zusätzlich die Idee hinter Ihrer Konstruktion erläutern. Dies kann uns helfen, Ihre Definitionen zu verstehen.

Wenden Sie anschließend Ihre Konstruktion auf den nachfolgenden NFA M1M_1 an und zeichnen Sie das Ergebnis.

Hinweis: Sie können δ\delta' in Form von Gleichungen „δ(q,x):={...}\delta'(q',x):=\{...\}" oder alternativ Mengen von Tripeln „{(q,x,p)...}\{(q',x,p')\mid...\}" mit q,pQ,xΣ{ϵ}q',p'\in Q',x\in\Sigma\cup\{\epsilon\} angeben.
NFA M1M_1:
Zustände: q1, q2, q3
Startzustand: q1
Finalzustände: q3
Transitionen:
    q1, 0 -> q2
    q2, 1 -> q1
    q2, 0 -> q3
    q2, 1 -> q3
    q3, 1 -> q2
**Allgemeine Konstruktion**

**Zustände**  
\(Q' = Q \times \{0,1,2\}\) (der zweite Faktor zählt, wie viele Nullen bereits gelöscht wurden)

**Startzustand**  
\(q_0' = (q_0,0)\)

**Endzustände**  
\(F' = \{ (q,2) \mid q\in F\}\) (der originale Endzustand *nach* exakt zwei gelöschten Nullen)

**Übergangs‑Funktion**  

Für jedes \(k\in\{0,1,2\}\) und jedes \(a\in\Sigma\) definiere  

\[
\begin{aligned}
&\text{(a) normale Übergänge:}&
\delta'((q,k),a) &:= \{\, (p,k) \mid p\in\delta(q,a) \,\}  \\[2mm]
&\text{(b) „Überspring‑Übergänge“ (nur bei 0 und wenn noch nicht 2 Nullen gelöscht wurden):}\\
\delta'((q,k),0) &:= \{ (k+1) \text{-Zustand} \mid k<2\}\\
&\text{d.h. } \delta'((q,k),0) \supseteq \{\, (q,k+1) \,\}\;\text{für }k=0,1
\end{aligned}
\]

Kurz gesagt:  
* Alle ursprünglichen Übergänge bleiben unverändert (der Zähler ändert sich nicht).  
* Zusätzlich darf aus jedem Zustand bei Eingabe ‘0’ ein **Zusatz‑Übergang** gewählt werden, der das aktuelle Symbol **verbraucht**, aber den Zustand nicht ändert und den Zähler um 1 erhöht.  

---

### Anwendung auf den NFA \(M_1\)

**Ursprünglicher NFA \(M_1\)**  

Zustände: \(q_1,q_2,q_3\)  
Start: \(q_1\)  Ende: \(q_3\)  

Übergänge  

\[
\begin{array}{c|c}
\text{Quelle} & \text{Eingabe} \rightarrow \text{Ziel} \\ \hline
q_1 & 0 \rightarrow q_2 \\[1mm]
q_2 & 1 \rightarrow q_1 \\[1mm]
q_2 & 0 \rightarrow q_3 \\[1mm]
q_2 & 1 \rightarrow q_3 \\[1mm]
q_3 & 1 \rightarrow q_2
\end{array}
\]

---

#### 1. Zustände von \(M_1'\)

\[
Q' = \{\,q_i^k \mid i\in\{1,2,3\},\; k\in\{0,1,2\}\,\}
\]

z. B. \(q_1^0, q_1^1, q_1^2, q_2^0,\dots , q_3^2\).

#### 2. Start- und Endzustände

\[
q_0' = q_1^0,\qquad
F' = \{\, q_3^2 \,\}
\]

#### 3. Übergangs­funktion \(\delta'\)

*Normale Übergänge (Zähler bleibt unverändert)*  

\[
\begin{aligned}
\delta'(q_1^k,0) &\ni q_2^k && (k=0,1,2)\\
\delta'(q_2^k,1) &\ni q_1^k && (k=0,1,2)\\
\delta'(q_2^k,0) &\ni q_3^k && (k=0,1,2)\\
\delta'(q_2^k,1) &\ni q_3^k && (k=0,1,2)\\
\delta'(q_3^k,1) &\ni q_2^k && (k=0,1,2)
\end{aligned}
\]

*„Überspring‑Übergänge“ (Verbrauch eines ‘0’ und Zähler‑Erhöhung)*  

\[
\begin{aligned}
\delta'(q_i^0,0) &\ni q_i^1 &&\text{für } i=1,2,3\\
\delta'(q_i^1,0) &\ni q_i^2 &&\text{für } i=1,2,3
\end{aligned}
\]

(Es gibt **keine** Überspring‑Übergänge mehr, wenn bereits zwei Nullen gelöscht wurden, d. h. für \(k=2\) gibt es keinen solchen Zusatz‑Übergang.)

---

#### 4. Ergebnis‑Diagramm (textuelle Darstellung)

```
          0                0                0
   q1^0 ──► q2^0 ◀─► q2^0 ──► q3^0
    │      ▲  │     ▲   │
    │      │ 0 1|   1│   (normal)
    │      │  │     │
    │      │  ▼     ▼
    │  (skip 0)  (skip 0)
    │      │     │
    ▼      ▼     ▼
   q1^1 → q2^1 → q3^1   (analog für k=2)
```

In Worten:  
Aus jedem Zustand \(q_i^k\) gibt es einen **normale** Übergang wie im originalen NFA, der den Zähler nicht ändert, und zusätzlich einen **„skip“-Übergang** bei Eingabe ‘0’, der den Zähler von 0→1 bzw. 1→2 erhöht und den Zustand unverändert lässt. Sobald der Zähler den Wert 2 erreicht hat, dürfen nur noch die normalen Übergänge verwendet werden, und nur wenn der aktuelle Zustand zu den ursprünglichen Endzuständen gehört (hier \(q_3\)), wird das Wort akzeptiert.  

Damit ist ein $\epsilon$‑NFA \(M'\) konstruiert, das genau die Sprache \(L(M)^{\downarrow 0}\) akzeptiert, und das Ergebnis für den konkreten NFA \(M_1\) wurde vollständig angegeben.

Subproblem c (3.0/3.0P)

Es gilt weiterhin Σ={0,1}\Sigma=\{0,1\}. Für eine Sprache LΣL\subseteq\Sigma^* bezeichnet L0L^{\uparrow 0} die Sprache, die man erhält, wenn man den Wörtern aus LL jeweils zwei Nullen hinzufügt. Formal gilt
L0:={u0v0wuvwLu,v,wΣ}L^{\uparrow 0}:= \{u0v0w \mid uvw\in L \wedge u,v,w\in\Sigma^*\}.
Zeigen oder widerlegen Sie: Für jede nichtleere Sprache LΣL\subseteq \Sigma^* gilt L0LL^{\uparrow 0}\neq L.
Falls Sie die Aussage mit einem Gegenbeispiel widerlegen möchten, zeigen Sie auch die Korrektheit des Gegenbeispiels.
WahrFalsch
Beweis, dass für jede nichtleere Sprache L{0,1}L\subseteq\{0,1\}^* stets L0LL^{\uparrow0}\neq L gilt

Sei LL\neq\varnothing.  
Betrachte die Menge der Längen aller Wörter von LL:
(L)={wwL}N.
\ell(L)=\{\,|w|\mid w\in L\,\}\subseteq\mathbb N .

Da N\mathbb N wohlgeordnet ist, besitzt (L)\ell(L) ein Minimum.
Sei also wLw\in L ein Wort mit minimaler Länge n=wn=|w|.

Für jedes Wort xL0x\in L^{\uparrow0} gibt es laut Definition Wörter
u,vΣu,v\in\Sigma^* und ein Wort yLy\in L mit
x=u0v0wundy=uvw.
x = u0v0w\quad\text{und}\quad y = uvw .

Damit ist x=y+2|x| = |y|+2. Da yLy\in L, gilt yn|y|\ge n (wegen der Minimalität von ww).
Folglich xn+2|x| \ge n+2.

Insbesondere hat jedes Wort aus L0L^{\uparrow0} eine Länge von mindestens
n+2n+2. Das Wort ww hat jedoch Länge nn und kann deshalb nicht in
L0L^{\uparrow0} liegen. Also ist wLL0w\in L\setminus L^{\uparrow0} und damit
LL0L\neq L^{\uparrow0}.

Damit ist die Aussage wahr: Für jede nichtleere Sprache LΣL\subseteq\Sigma^*
gilt L0LL^{\uparrow0}\neq L. \blacksquare 

qwen/qwen3-235b-a22b

Exercise 3: NFA-Konstruktion

Sei Σ:={0,1}\Sigma:=\{0,1\}. Für eine Sprache LΣL\subseteq\Sigma^* bezeichnet L0L^{\downarrow 0} die Sprache, die man erhält, wenn man den Wörtern aus LL jeweils genau zwei Nullen entfernt. Z.B. gilt {0,010,1}0={1}\{0,010, 1\}^{\downarrow 0}=\{1\} und {1,101,0}0=\{1,101, 0\}^{\downarrow 0}=\emptyset. Formal:
L0:={uvw:u0v0wLu,v,wΣ}L^{\downarrow 0}:= \{uvw: u0v0w\in L \wedge u,v,w\in\Sigma^*\}
Beachten Sie insbesondere, dass das Löschen nicht optional ist.

Subproblem a (0.0/3.0P)

Gegeben sind drei reguläre Ausdrücke r1,r2,r3r_1,r_2,r_3 über Σ\Sigma. Geben Sie jeweils reguläre Ausdrücke s1,s2,s3s_1,s_2,s_3 an, sodass L(si)=L(ri)0L(s_i)=L(r_i)^{\downarrow 0} für i{1,2,3}i\in\{1,2,3\}.
s₁=ε  
s₂=(0|1)*  
s₃=(0 1 1* | 1)*
answer does not follow the template

Subproblem b (7.0/7.0P)

Sei M=(Q,Σ,δ,q0,F)M=(Q,\Sigma,\delta,q_0,F) ein beliebiger NFA. Es gilt weiterhin Σ={0,1}\Sigma=\{0,1\}. Konstruieren Sie einen ϵ\epsilon-NFA M=(Q,Σ,δ,q0,F)M'=(Q',\Sigma,\delta',q_0',F') mit L(M)=L(M)0L(M')=L(M)^{\downarrow 0}, indem Sie QQ', q0q_0', FF', und δ\delta' präzise angeben.

Sie können (müssen aber nicht) zusätzlich die Idee hinter Ihrer Konstruktion erläutern. Dies kann uns helfen, Ihre Definitionen zu verstehen.

Wenden Sie anschließend Ihre Konstruktion auf den nachfolgenden NFA M1M_1 an und zeichnen Sie das Ergebnis.

Hinweis: Sie können δ\delta' in Form von Gleichungen „δ(q,x):={...}\delta'(q',x):=\{...\}" oder alternativ Mengen von Tripeln „{(q,x,p)...}\{(q',x,p')\mid...\}" mit q,pQ,xΣ{ϵ}q',p'\in Q',x\in\Sigma\cup\{\epsilon\} angeben.
NFA M1M_1:
Zustände: q1, q2, q3
Startzustand: q1
Finalzustände: q3
Transitionen:
    q1, 0 -> q2
    q2, 1 -> q1
    q2, 0 -> q3
    q2, 1 -> q3
    q3, 1 -> q2
Q:=Q×{0,1,2}Q':= Q \times \{0,1,2\}  
q0:=(q0,0)q_0':= (q_0, 0)  
F:=F×{2}F':= F \times \{2\}  

δ\delta':  
Für jede Transition qapq \xrightarrow{a} p in MM:  
- Für alle c{0,1,2}c \in \{0,1,2\}:  
  - Falls a=1a = 1, füge ((q,c),1,(p,c))( (q,c), 1, (p,c) ) hinzu.  
  - Falls a=0a = 0, füge ((q,c),0,(p,c))( (q,c), 0, (p,c) ) hinzu.  
- Falls a=0a = 0 und c<2c < 2, füge ((q,c),ϵ,(p,c+1))( (q,c), \epsilon, (p,c+1) ) hinzu.  

Konstruktionsidee (optional):  
Der ε-NFA MM' simuliert MM in drei Schichten, wobei jede Schicht die Anzahl der bisher entfernten Nullen (0, 1 oder 2) repräsentiert. Bei jeder Transition von MM auf Eingabe aa wird diese in der aktuellen Schicht verarbeitet. Zusätzlich kann bei a=0a=0 eine ε-Transition in die nächsthöhere Schicht eingefügt werden, um eine Null zu entfernen. Akzeptiert wird nur in der Schicht 2, da genau zwei Nullen entfernt werden müssen.  

Ihr Konstruktionsergebnis für M1M_1:  
Zustände: (q1,0),(q1,1),(q1,2),(q2,0),(q2,1),(q2,2),(q3,0),(q3,1),(q3,2)(q1,0), (q1,1), (q1,2), (q2,0), (q2,1), (q2,2), (q3,0), (q3,1), (q3,2)  
Startzustand: (q1,0)(q1,0)  
Finalzustände: (q3,2)(q3,2)  
Transitionen:  
- (q1,0)0(q2,0)(q1,0) \xrightarrow{0} (q2,0)  
- (q1,1)0(q2,1)(q1,1) \xrightarrow{0} (q2,1)  
- (q1,2)0(q2,2)(q1,2) \xrightarrow{0} (q2,2)  
- (q1,0)ϵ(q2,1)(q1,0) \xrightarrow{\epsilon} (q2,1)  
- (q1,1)ϵ(q2,2)(q1,1) \xrightarrow{\epsilon} (q2,2)  
- (q2,0)1(q1,0)(q2,0) \xrightarrow{1} (q1,0), (q2,1)1(q1,1)(q2,1) \xrightarrow{1} (q1,1), (q2,2)1(q1,2)(q2,2) \xrightarrow{1} (q1,2)  
- (q2,0)0(q3,0)(q2,0) \xrightarrow{0} (q3,0), (q2,1)0(q3,1)(q2,1) \xrightarrow{0} (q3,1), (q2,2)0(q3,2)(q2,2) \xrightarrow{0} (q3,2)  
- (q2,0)ϵ(q3,1)(q2,0) \xrightarrow{\epsilon} (q3,1), (q2,1)ϵ(q3,2)(q2,1) \xrightarrow{\epsilon} (q3,2)  
- (q2,0)1(q3,0)(q2,0) \xrightarrow{1} (q3,0), (q2,1)1(q3,1)(q2,1) \xrightarrow{1} (q3,1), (q2,2)1(q3,2)(q2,2) \xrightarrow{1} (q3,2)  
- (q3,0)1(q2,0)(q3,0) \xrightarrow{1} (q2,0), (q3,1)1(q2,1)(q3,1) \xrightarrow{1} (q2,1), (q3,2)1(q2,2)(q3,2) \xrightarrow{1} (q2,2)

Subproblem c (3.0/3.0P)

Es gilt weiterhin Σ={0,1}\Sigma=\{0,1\}. Für eine Sprache LΣL\subseteq\Sigma^* bezeichnet L0L^{\uparrow 0} die Sprache, die man erhält, wenn man den Wörtern aus LL jeweils zwei Nullen hinzufügt. Formal gilt
L0:={u0v0wuvwLu,v,wΣ}L^{\uparrow 0}:= \{u0v0w \mid uvw\in L \wedge u,v,w\in\Sigma^*\}.
Zeigen oder widerlegen Sie: Für jede nichtleere Sprache LΣL\subseteq \Sigma^* gilt L0LL^{\uparrow 0}\neq L.
Falls Sie die Aussage mit einem Gegenbeispiel widerlegen möchten, zeigen Sie auch die Korrektheit des Gegenbeispiels.
WahrFalsch
Die Aussage ist wahr. 

Beweis durch Widerspruch:  
Angenommen, es gäbe eine nichtleere Sprache LΣ L \subseteq \Sigma^*  mit L0=L L^{\uparrow 0} = L . Sei wL w \in L  ein Wort minimaler Länge m m . Da L0=L L^{\uparrow 0} = L , muss wL0 w \in L^{\uparrow 0}  gelten. Nach Definition von L0 L^{\uparrow 0}  existiert ein xL x \in L , sodass w w  durch Einfügen zweier Nullen in x x  entsteht. Dies impliziert w=x+2 |w| = |x| + 2 . Da xL x \in L , gilt xm |x| \geq m , also wm+2 |w| \geq m + 2 . Dies widerspricht der Minimalität von m m , da w w  Länge m m  hat. Somit gibt es keine solche Sprache L L , und die Aussage ist bewiesen.

qwen/qwen3-235b-a22b-thinking-2507

Exercise 3: NFA-Konstruktion

Sei Σ:={0,1}\Sigma:=\{0,1\}. Für eine Sprache LΣL\subseteq\Sigma^* bezeichnet L0L^{\downarrow 0} die Sprache, die man erhält, wenn man den Wörtern aus LL jeweils genau zwei Nullen entfernt. Z.B. gilt {0,010,1}0={1}\{0,010, 1\}^{\downarrow 0}=\{1\} und {1,101,0}0=\{1,101, 0\}^{\downarrow 0}=\emptyset. Formal:
L0:={uvw:u0v0wLu,v,wΣ}L^{\downarrow 0}:= \{uvw: u0v0w\in L \wedge u,v,w\in\Sigma^*\}
Beachten Sie insbesondere, dass das Löschen nicht optional ist.

Subproblem a (3.0/3.0P)

Gegeben sind drei reguläre Ausdrücke r1,r2,r3r_1,r_2,r_3 über Σ\Sigma. Geben Sie jeweils reguläre Ausdrücke s1,s2,s3s_1,s_2,s_3 an, sodass L(si)=L(ri)0L(s_i)=L(r_i)^{\downarrow 0} für i{1,2,3}i\in\{1,2,3\}.
r1:=(01)(01)r_1:=(0\mid 1)(0\mid 1), s1=εs_1=\varepsilon
r2:=(01)r_2:=(0\mid 1)^*, s2=(01)s_2=(0\mid 1)^*
r3:=(01)r_3:=(01)^*, s3=(01)1(01)1(01)s_3=(01)^*1(01)^*1(01)^*

Subproblem b (7.0/7.0P)

Sei M=(Q,Σ,δ,q0,F)M=(Q,\Sigma,\delta,q_0,F) ein beliebiger NFA. Es gilt weiterhin Σ={0,1}\Sigma=\{0,1\}. Konstruieren Sie einen ϵ\epsilon-NFA M=(Q,Σ,δ,q0,F)M'=(Q',\Sigma,\delta',q_0',F') mit L(M)=L(M)0L(M')=L(M)^{\downarrow 0}, indem Sie QQ', q0q_0', FF', und δ\delta' präzise angeben.

Sie können (müssen aber nicht) zusätzlich die Idee hinter Ihrer Konstruktion erläutern. Dies kann uns helfen, Ihre Definitionen zu verstehen.

Wenden Sie anschließend Ihre Konstruktion auf den nachfolgenden NFA M1M_1 an und zeichnen Sie das Ergebnis.

Hinweis: Sie können δ\delta' in Form von Gleichungen „δ(q,x):={...}\delta'(q',x):=\{...\}" oder alternativ Mengen von Tripeln „{(q,x,p)...}\{(q',x,p')\mid...\}" mit q,pQ,xΣ{ϵ}q',p'\in Q',x\in\Sigma\cup\{\epsilon\} angeben.
NFA M1M_1:
Zustände: q1, q2, q3
Startzustand: q1
Finalzustände: q3
Transitionen:
    q1, 0 -> q2
    q2, 1 -> q1
    q2, 0 -> q3
    q2, 1 -> q3
    q3, 1 -> q2
Q:=Q×{0,1,2}Q':= Q \times \{0, 1, 2\}  
q0:=(q0,0)q_0':= (q_0, 0)  
F:={(q,2)qF}F':= \{(q, 2) \mid q \in F\}  

δ\delta':  
- Für alle qQq \in Q, k{0,1,2}k \in \{0,1,2\}, aΣa \in \Sigma:  
  δ((q,k),a):={(p,k)pδ(q,a)}\delta'((q, k), a) := \{(p, k) \mid p \in \delta(q, a)\}  
- Für alle qQq \in Q, k{0,1}k \in \{0,1\}:  
  δ((q,k),ε):={(p,k+1)pδ(q,0)}\delta'((q, k), \varepsilon) := \{(p, k+1) \mid p \in \delta(q, 0)\}  

Konstruktionsidee (optional):  
Der ϵ\epsilon-NFA MM' überwacht die Anzahl k{0,1,2}k \in \{0,1,2\} bereits simuliert "entfernter" Nullen durch Zustandserweiterung. Beim Lesen eines Symbols aa verbleibt MM' im gleichen kk, sofern aa in der verkürzten Eingabe vorkommt (a{0,1}a \in \{0,1\}). Durch ϵ\epsilon-Übergänge simuliert MM' das "Entfernen" einer Null aus der Originalsprache: bei Zustand (q,k)(q, k) mit k<2k < 2 folgt ein ϵ\epsilon-Übergang zu (p,k+1)(p, k+1), falls MM bei qq auf 00 zu pp gelangt. Nur bei k=2k=2 und einem akzeptierenden Zustand qFq \in F wird die Eingabe akzeptiert.  

Ihr Konstruktionsergebnis für M1M_1:  
Q={(q1,0),(q1,1),(q1,2),(q2,0),(q2,1),(q2,2),(q3,0),(q3,1),(q3,2)}Q' = \{(q_1,0), (q_1,1), (q_1,2), (q_2,0), (q_2,1), (q_2,2), (q_3,0), (q_3,1), (q_3,2)\}  
q0=(q1,0)q_0' = (q_1, 0)  
F={(q3,2)}F' = \{(q_3, 2)\}  
δ\delta'-Übergänge:  
- Symbol-Transitionen:  
  - 00:  
    - (q1,k)0(q2,k)(q_1, k) \xrightarrow{0} (q_2, k) für k=0,1,2k=0,1,2  
    - (q2,k)0(q3,k)(q_2, k) \xrightarrow{0} (q_3, k) für k=0,1,2k=0,1,2  
  - 11:  
    - (q2,k)1(q1,k),(q3,k)(q_2, k) \xrightarrow{1} (q_1, k), (q_3, k) für k=0,1,2k=0,1,2  
    - (q3,k)1(q2,k)(q_3, k) \xrightarrow{1} (q_2, k) für k=0,1,2k=0,1,2  
- ϵ\epsilon-Transitionen:  
  - (q1,0)ϵ(q2,1)(q_1, 0) \xrightarrow{\epsilon} (q_2, 1)  
  - (q1,1)ϵ(q2,2)(q_1, 1) \xrightarrow{\epsilon} (q_2, 2)  
  - (q2,0)ϵ(q3,1)(q_2, 0) \xrightarrow{\epsilon} (q_3, 1)  
  - (q2,1)ϵ(q3,2)(q_2, 1) \xrightarrow{\epsilon} (q_3, 2)

Subproblem c (3.0/3.0P)

Es gilt weiterhin Σ={0,1}\Sigma=\{0,1\}. Für eine Sprache LΣL\subseteq\Sigma^* bezeichnet L0L^{\uparrow 0} die Sprache, die man erhält, wenn man den Wörtern aus LL jeweils zwei Nullen hinzufügt. Formal gilt
L0:={u0v0wuvwLu,v,wΣ}L^{\uparrow 0}:= \{u0v0w \mid uvw\in L \wedge u,v,w\in\Sigma^*\}.
Zeigen oder widerlegen Sie: Für jede nichtleere Sprache LΣL\subseteq \Sigma^* gilt L0LL^{\uparrow 0}\neq L.
Falls Sie die Aussage mit einem Gegenbeispiel widerlegen möchten, zeigen Sie auch die Korrektheit des Gegenbeispiels.
WahrFalsch
Die Aussage ist wahr. Für jede nichtleere Sprache LΣL \subseteq \Sigma^* gilt L0LL^{\uparrow 0} \neq L. Sei n:=min{wwL}n := \min \{ |w| \mid w \in L \}. Jedes Wort in L0L^{\uparrow 0} hat mindestens die Länge n+2n+2, da zwei Nullen zu einem Wort aus LL hinzugefügt werden. Da LL ein Wort der Länge nn enthält, während alle Wörter in L0L^{\uparrow 0} mindestens die Länge n+2n+2 haben, gilt LL0L \neq L^{\uparrow 0}.

x-ai/grok-4

Exercise 3: NFA-Konstruktion

Sei Σ:={0,1}\Sigma:=\{0,1\}. Für eine Sprache LΣL\subseteq\Sigma^* bezeichnet L0L^{\downarrow 0} die Sprache, die man erhält, wenn man den Wörtern aus LL jeweils genau zwei Nullen entfernt. Z.B. gilt {0,010,1}0={1}\{0,010, 1\}^{\downarrow 0}=\{1\} und {1,101,0}0=\{1,101, 0\}^{\downarrow 0}=\emptyset. Formal:
L0:={uvw:u0v0wLu,v,wΣ}L^{\downarrow 0}:= \{uvw: u0v0w\in L \wedge u,v,w\in\Sigma^*\}
Beachten Sie insbesondere, dass das Löschen nicht optional ist.

Subproblem a (3.0/3.0P)

Gegeben sind drei reguläre Ausdrücke r1,r2,r3r_1,r_2,r_3 über Σ\Sigma. Geben Sie jeweils reguläre Ausdrücke s1,s2,s3s_1,s_2,s_3 an, sodass L(si)=L(ri)0L(s_i)=L(r_i)^{\downarrow 0} für i{1,2,3}i\in\{1,2,3\}.
r1:=(01)(01)r_1:=(0\mid 1)(0\mid 1), s1=ϵs_1=\epsilon
r2:=(01)r_2:=(0\mid 1)^*, s2=(01)s_2=(0\mid 1)^*
r3:=(01)r_3:=(01)^*, s3=(01)1(01)1(01)s_3=(01)^*1(01)^*1(01)^*

Subproblem b (7.0/7.0P)

Sei M=(Q,Σ,δ,q0,F)M=(Q,\Sigma,\delta,q_0,F) ein beliebiger NFA. Es gilt weiterhin Σ={0,1}\Sigma=\{0,1\}. Konstruieren Sie einen ϵ\epsilon-NFA M=(Q,Σ,δ,q0,F)M'=(Q',\Sigma,\delta',q_0',F') mit L(M)=L(M)0L(M')=L(M)^{\downarrow 0}, indem Sie QQ', q0q_0', FF', und δ\delta' präzise angeben.

Sie können (müssen aber nicht) zusätzlich die Idee hinter Ihrer Konstruktion erläutern. Dies kann uns helfen, Ihre Definitionen zu verstehen.

Wenden Sie anschließend Ihre Konstruktion auf den nachfolgenden NFA M1M_1 an und zeichnen Sie das Ergebnis.

Hinweis: Sie können δ\delta' in Form von Gleichungen „δ(q,x):={...}\delta'(q',x):=\{...\}" oder alternativ Mengen von Tripeln „{(q,x,p)...}\{(q',x,p')\mid...\}" mit q,pQ,xΣ{ϵ}q',p'\in Q',x\in\Sigma\cup\{\epsilon\} angeben.
NFA M1M_1:
Zustände: q1, q2, q3
Startzustand: q1
Finalzustände: q3
Transitionen:
    q1, 0 -> q2
    q2, 1 -> q1
    q2, 0 -> q3
    q2, 1 -> q3
    q3, 1 -> q2
Q:=Q×{0,1,2}Q':=Q \times \{0,1,2\}
q0:=(q0,0)q_0':=(q_0, 0)
F:={(q,2)qF}F':=\{ (q,2) \mid q \in F \}

δ\delta':
For all qQq \in Q, k{0,1,2}k \in \{0,1,2\}, xΣx \in \Sigma:
δ((q,k),x)={(p,k)pδ(q,x)}\delta'((q,k), x) = \{ (p, k) \mid p \in \delta(q, x) \}

For all qQq \in Q, k{0,1}k \in \{0,1\}:
δ((q,k),ϵ)={(p,k+1)pδ(q,0)}\delta'((q,k), \epsilon) = \{ (p, k+1) \mid p \in \delta(q, 0) \}

Konstruktionsidee (optional):
Die Konstruktion simuliert den NFA MM, wobei ϵ\epsilon-Transitionen verwendet werden, um genau zwei Nullen "einzufügen", ohne Eingabe zu konsumieren. Jede solche ϵ\epsilon-Transition simuliert eine Transition auf 0 im Original-NFA und erhöht den Zähler in der Zustandskomponente. Der Zähler stellt sicher, dass genau zwei Nullen eingefügt werden. Akzeptanz erfolgt nur in Zuständen (f,2)(f,2) mit fFf \in F.

Ihr Konstruktionsergebnis für M1M_1:
Zustände: (q1,0)(q1,0), (q1,1)(q1,1), (q1,2)(q1,2), (q2,0)(q2,0), (q2,1)(q2,1), (q2,2)(q2,2), (q3,0)(q3,0), (q3,1)(q3,1), (q3,2)(q3,2)

Startzustand: (q1,0)(q1,0)

Finalzustände: (q3,2)(q3,2)

Transitionen auf 0:  
(q1,0)(q2,0)(q1,0) \to (q2,0)  
(q1,1)(q2,1)(q1,1) \to (q2,1)  
(q1,2)(q2,2)(q1,2) \to (q2,2)  
(q2,0)(q3,0)(q2,0) \to (q3,0)  
(q2,1)(q3,1)(q2,1) \to (q3,1)  
(q2,2)(q3,2)(q2,2) \to (q3,2)

Transitionen auf 1:  
(q2,0)(q1,0)(q2,0) \to (q1,0), (q3,0)(q3,0)  
(q2,1)(q1,1)(q2,1) \to (q1,1), (q3,1)(q3,1)  
(q2,2)(q1,2)(q2,2) \to (q1,2), (q3,2)(q3,2)  
(q3,0)(q2,0)(q3,0) \to (q2,0)  
(q3,1)(q2,1)(q3,1) \to (q2,1)  
(q3,2)(q2,2)(q3,2) \to (q2,2)

ϵ\epsilon-Transitionen:  
(q1,0)(q2,1)(q1,0) \to (q2,1)  
(q1,1)(q2,2)(q1,1) \to (q2,2)  
(q2,0)(q3,1)(q2,0) \to (q3,1)  
(q2,1)(q3,2)(q2,1) \to (q3,2)

Subproblem c (3.0/3.0P)

Es gilt weiterhin Σ={0,1}\Sigma=\{0,1\}. Für eine Sprache LΣL\subseteq\Sigma^* bezeichnet L0L^{\uparrow 0} die Sprache, die man erhält, wenn man den Wörtern aus LL jeweils zwei Nullen hinzufügt. Formal gilt
L0:={u0v0wuvwLu,v,wΣ}L^{\uparrow 0}:= \{u0v0w \mid uvw\in L \wedge u,v,w\in\Sigma^*\}.
Zeigen oder widerlegen Sie: Für jede nichtleere Sprache LΣL\subseteq \Sigma^* gilt L0LL^{\uparrow 0}\neq L.
Falls Sie die Aussage mit einem Gegenbeispiel widerlegen möchten, zeigen Sie auch die Korrektheit des Gegenbeispiels.
WahrFalsch
Angenommen, es gibt eine nichtleere Sprache L{0,1}L \subseteq \{0,1\}^* mit L=L0L = L^{\uparrow 0}.  
Da LL nichtleer ist, gibt es eine minimale Wortlänge m0m \geq 0, sodass LL ein Wort der Länge mm enthält, aber keines kürzeren.  
Jedes Wort in L0L^{\uparrow 0} entsteht durch das Einfügen von genau zwei Nullen in ein Wort aus LL und hat daher Länge mindestens m+2m+2.  
Folglich enthält L0L^{\uparrow 0} keine Wörter der Länge m<m+2m < m+2, im Widerspruch dazu, dass L=L0L = L^{\uparrow 0} Wörter der Länge mm enthält.  
Daher kann keine solche nichtleere Sprache LL existieren, und die Aussage ist wahr.

z-ai/glm-4.5

Exercise 3: NFA-Konstruktion

Sei Σ:={0,1}\Sigma:=\{0,1\}. Für eine Sprache LΣL\subseteq\Sigma^* bezeichnet L0L^{\downarrow 0} die Sprache, die man erhält, wenn man den Wörtern aus LL jeweils genau zwei Nullen entfernt. Z.B. gilt {0,010,1}0={1}\{0,010, 1\}^{\downarrow 0}=\{1\} und {1,101,0}0=\{1,101, 0\}^{\downarrow 0}=\emptyset. Formal:
L0:={uvw:u0v0wLu,v,wΣ}L^{\downarrow 0}:= \{uvw: u0v0w\in L \wedge u,v,w\in\Sigma^*\}
Beachten Sie insbesondere, dass das Löschen nicht optional ist.

Subproblem a (2.0/3.0P)

Gegeben sind drei reguläre Ausdrücke r1,r2,r3r_1,r_2,r_3 über Σ\Sigma. Geben Sie jeweils reguläre Ausdrücke s1,s2,s3s_1,s_2,s_3 an, sodass L(si)=L(ri)0L(s_i)=L(r_i)^{\downarrow 0} für i{1,2,3}i\in\{1,2,3\}.
r1:=(01)(01)r_1:=(0\mid 1)(0\mid 1), s1=εs_1=\varepsilon
r2:=(01)r_2:=(0\mid 1)^*, s2=(01)s_2=(0\mid 1)^*
r3:=(01)r_3:=(01)^*, s3=(10)(10)1(01)(01)1s_3=(10)^*\mid(10)^*1(01)^*\mid(01)^*1
2: wrong language: contains 1

Subproblem b (7.0/7.0P)

Sei M=(Q,Σ,δ,q0,F)M=(Q,\Sigma,\delta,q_0,F) ein beliebiger NFA. Es gilt weiterhin Σ={0,1}\Sigma=\{0,1\}. Konstruieren Sie einen ϵ\epsilon-NFA M=(Q,Σ,δ,q0,F)M'=(Q',\Sigma,\delta',q_0',F') mit L(M)=L(M)0L(M')=L(M)^{\downarrow 0}, indem Sie QQ', q0q_0', FF', und δ\delta' präzise angeben.

Sie können (müssen aber nicht) zusätzlich die Idee hinter Ihrer Konstruktion erläutern. Dies kann uns helfen, Ihre Definitionen zu verstehen.

Wenden Sie anschließend Ihre Konstruktion auf den nachfolgenden NFA M1M_1 an und zeichnen Sie das Ergebnis.

Hinweis: Sie können δ\delta' in Form von Gleichungen „δ(q,x):={...}\delta'(q',x):=\{...\}" oder alternativ Mengen von Tripeln „{(q,x,p)...}\{(q',x,p')\mid...\}" mit q,pQ,xΣ{ϵ}q',p'\in Q',x\in\Sigma\cup\{\epsilon\} angeben.
NFA M1M_1:
Zustände: q1, q2, q3
Startzustand: q1
Finalzustände: q3
Transitionen:
    q1, 0 -> q2
    q2, 1 -> q1
    q2, 0 -> q3
    q2, 1 -> q3
    q3, 1 -> q2
Q={q(i):qQ,i{0,1,2}}Q'=\{q^{(i)} : q \in Q, i \in \{0, 1, 2\}\}
q0=q0(0)q_0'=q_0^{(0)}
F={q(2):qF}F'=\{q^{(2)} : q \in F\}

δ\delta':
For each qQq \in Q and i{0,1}i \in \{0, 1\}:
- For each xΣx \in \Sigma, δ(q(i),x)={p(i):pδ(q,x)}\delta'(q^{(i)}, x) = \{p^{(i)} : p \in \delta(q, x)\}.
- δ(q(i),ϵ)={p(i):pδ(q,ϵ)}{p(i+1):pδ(q,0)}\delta'(q^{(i)}, \epsilon) = \{p^{(i)} : p \in \delta(q, \epsilon)\} \cup \{p^{(i+1)} : p \in \delta(q, 0)\}.

For each qQq \in Q:
- For each xΣ{ϵ}x \in \Sigma \cup \{\epsilon\}, δ(q(2),x)={p(2):pδ(q,x)}\delta'(q^{(2)}, x) = \{p^{(2)} : p \in \delta(q, x)\}.

Konstruktionsidee (optional):
Die Idee hinter der Konstruktion ist, dass der ϵ\epsilon-NFA MM' den NFA MM simuliert, aber genau zwei Nullen überspringen muss. Die Zustände von MM' haben die Form q(i)q^{(i)}, wobei qq ein Zustand von MM ist und i{0,1,2}i \in \{0, 1, 2\} angibt, wie viele Nullen bereits übersprungen wurden. 

Wenn MM' in einem Zustand q(i)q^{(i)} mit i<2i < 2 ist, kann er entweder ein Symbol normal verarbeiten (gemäß den Transitionen von MM) oder eine Null überspringen (mittels einer ϵ\epsilon-Transition, die den Zustand zu q(i+1)q^{(i+1)} übergehen lässt, wobei alle möglichen Zustände berücksichtigt werden, die MM beim Lesen einer Null erreichen würde).

Wenn MM' in einem Zustand q(2)q^{(2)} ist, hat er bereits zwei Nullen übersprungen und verarbeitet die restlichen Symbole normal gemäß den Transitionen von MM.

Ein Wort ww wird von MM' akzeptiert, wenn MM das Wort u0v0wu0v0w für einige u,vΣu, v \in \Sigma^* akzeptieren würde, was genau der Definition von L0L^{\downarrow 0} entspricht.

Ihr Konstruktionsergebnis für M1M_1:
Zustände: q1^(0), q1^(1), q1^(2), q2^(0), q2^(1), q2^(2), q3^(0), q3^(1), q3^(2)
Startzustand: q1^(0)
Finalzustände: q3^(2)

Transitionen:
q1^(0) --0--> q2^(0)
q1^(0) --ε--> q2^(1)
q2^(0) --1--> q1^(0), q3^(0)
q2^(0) --0--> q3^(0)
q2^(0) --ε--> q3^(1)
q3^(0) --1--> q2^(0)

q1^(1) --0--> q2^(1)
q1^(1) --ε--> q2^(2)
q2^(1) --1--> q1^(1), q3^(1)
q2^(1) --0--> q3^(1)
q2^(1) --ε--> q3^(2)
q3^(1) --1--> q2^(1)

q1^(2) --0--> q2^(2)
q2^(2) --1--> q1^(2), q3^(2)
q2^(2) --0--> q3^(2)
q3^(2) --1--> q2^(2)

Subproblem c (0.0/3.0P)

Es gilt weiterhin Σ={0,1}\Sigma=\{0,1\}. Für eine Sprache LΣL\subseteq\Sigma^* bezeichnet L0L^{\uparrow 0} die Sprache, die man erhält, wenn man den Wörtern aus LL jeweils zwei Nullen hinzufügt. Formal gilt
L0:={u0v0wuvwLu,v,wΣ}L^{\uparrow 0}:= \{u0v0w \mid uvw\in L \wedge u,v,w\in\Sigma^*\}.
Zeigen oder widerlegen Sie: Für jede nichtleere Sprache LΣL\subseteq \Sigma^* gilt L0LL^{\uparrow 0}\neq L.
Falls Sie die Aussage mit einem Gegenbeispiel widerlegen möchten, zeigen Sie auch die Korrektheit des Gegenbeispiels.
WahrFalsch
wrong answer for choice (0)
The statement is false. A counterexample is L={0,1}{00}{0,1}L = \{0,1\}^* \cdot \{00\} \cdot \{0,1\}^*, the language of all strings that contain "00" as a substring.

To show that L0=LL^{\uparrow 0} = L:

1. LL0L \subseteq L^{\uparrow 0}: For any word wLw \in L, we can write w=u00vw = u00v for some u,vΣu, v \in \Sigma^*. Then w=u00v=u0ε0vL0w = u00v = u0\varepsilon 0v \in L^{\uparrow 0} (taking u=uu' = u, v=εv' = \varepsilon, w=vw' = v).

2. L0LL^{\uparrow 0} \subseteq L: For any word wL0w \in L^{\uparrow 0}, we have w=u0v0ww = u0v0w' for some u,v,wΣu, v, w' \in \Sigma^* such that uvwLuvw' \in L. Since uvwLuvw' \in L, we have uvw=x00yuvw' = x00y for some x,yΣx, y \in \Sigma^*. Then w=u0v0w=u0v0x00yw = u0v0w' = u0v0x00y, which contains "00" as a substring. So wLw \in L.

Since LL is non-empty (for example, 00L00 \in L) and L0=LL^{\uparrow 0} = L, this is a valid counterexample to the statement.