anthropic/claude-opus-4.1

Exercise 4: NFA zu regulärem Ausdruck


Subproblem a (9.0/9.0P)

Wir betrachten den rechts abgebildeten NFA NN über dem Alphabet {a,b}\{a,b\}. Berechnen Sie mit dem graphischen Algorithmus aus der Vorlesung (nicht mit Ardens Lemma) einen regulären Ausdruck rr, sodass L(r)=L(N)L(r) = L(N). Geben Sie dabei nach jeder Anwendung einer Transformationsregel den Automaten graphisch an und vereinfachen Sie die regulären Ausdrücke in den Zwischenschritten nicht. (Ausnahme: Sie dürfen die Vereinfachung εααεα\varepsilon \alpha \equiv \alpha \varepsilon \equiv \alpha anwenden.) Entfernen Sie die Zustände in aufsteigender Reihenfolge (bezüglich ihrer Zustandsnummer).
NFA N:
Zustände: 1, 2, 3
Startzustand: 1
Finalzustände: 3
Transitionen:
    1, a -> 2
    1, b -> 3
    2, a -> 1
    3, a -> 3
    3, b -> 2
Zwischenschritte:

**Ausgangs-NFA mit hinzugefügtem Endzustand $q_f$:**
```
Zustände: 1 (Start), 2, 3, q_f (Final)
Transitionen:
1 --a--> 2
1 --b--> 3  
2 --a--> 1
3 --a--> 3
3 --b--> 2
3 --ε--> q_f
```

**Nach Entfernung von Zustand 2:**
Für jeden Pfad durch Zustand 2 füge ich eine neue Kante hinzu:
- Von 1 nach 1: $1 \xrightarrow{a} 2 \xrightarrow{a} 1$ ergibt Kante mit Label $aa$
- Von 3 nach 1: $3 \xrightarrow{b} 2 \xrightarrow{a} 1$ ergibt Kante mit Label $ba$
- Von 1 nach 3: bleibt $b$ (kein Pfad über 2)
- Von 3 nach 3: bleibt $a$ (kein Pfad über 2)

```
Zustände: 1 (Start), 3, q_f (Final)
Transitionen:
1 --aa--> 1
1 --b--> 3
3 --a--> 3
3 --ba--> 1
3 --ε--> q_f
```

**Nach Entfernung von Zustand 3:**
Zustand 3 hat eine Selbstschleife mit Label $a$, also ist der Kleene-Stern $a^*$.
Für jeden Pfad durch Zustand 3:
- Von 1 nach 1: bestehende Kante $aa$ plus $1 \xrightarrow{b} 3 \xrightarrow{a^*} 3 \xrightarrow{ba} 1$ ergibt $aa + ba^*ba$
- Von 1 nach $q_f$: $1 \xrightarrow{b} 3 \xrightarrow{a^*} 3 \xrightarrow{\varepsilon} q_f$ ergibt $ba^*$

```
Zustände: 1 (Start), q_f (Final)
Transitionen:
1 --(aa + ba*ba)--> 1
1 --ba*--> q_f
```

**Finaler Automat:**
Zustand 1 hat eine Selbstschleife mit Label $(aa + ba^*ba)$, also ist der Kleene-Stern $(aa + ba^*ba)^*$.
Der Pfad von 1 nach $q_f$ ist: $(aa + ba^*ba)^* \cdot ba^*$

Regulärer Ausdruck: $r = (aa + ba^*ba)^*ba^*$

Subproblem b (3.0/3.0P)

Geben Sie eine rechtslineare Grammatik für L(N)L(N) mit höchstens 3 Nichtterminalen an.

Hinweis: In rechtslinearen Grammatiken sind keine ε\varepsilon-Produktionen außer SεS \to \varepsilon erlaubt.
S -> aA | bB | b
A -> aS
B -> aB | bA | a

anthropic/claude-sonnet-4

Exercise 4: NFA zu regulärem Ausdruck


Subproblem a (9.0/9.0P)

Wir betrachten den rechts abgebildeten NFA NN über dem Alphabet {a,b}\{a,b\}. Berechnen Sie mit dem graphischen Algorithmus aus der Vorlesung (nicht mit Ardens Lemma) einen regulären Ausdruck rr, sodass L(r)=L(N)L(r) = L(N). Geben Sie dabei nach jeder Anwendung einer Transformationsregel den Automaten graphisch an und vereinfachen Sie die regulären Ausdrücke in den Zwischenschritten nicht. (Ausnahme: Sie dürfen die Vereinfachung εααεα\varepsilon \alpha \equiv \alpha \varepsilon \equiv \alpha anwenden.) Entfernen Sie die Zustände in aufsteigender Reihenfolge (bezüglich ihrer Zustandsnummer).
NFA N:
Zustände: 1, 2, 3
Startzustand: 1
Finalzustände: 3
Transitionen:
    1, a -> 2
    1, b -> 3
    2, a -> 1
    3, a -> 3
    3, b -> 2
Zwischenschritte:

**Ursprünglicher Automat:**
```
Zustände: {1, 2, 3}
Startzustand: 1
Finalzustand: {3}
Kanten: 
  1 --a--> 2
  1 --b--> 3
  2 --a--> 1  
  3 --a--> 3
  3 --b--> 2
```

**Schritt 1: Entfernung von Zustand 2**

Kanten durch Zustand 2:
- 1 --a--> 2 --a--> 1 ⟹ 1 --aa--> 1
- 3 --b--> 2 --a--> 1 ⟹ 3 --ba--> 1

Automat nach Entfernung von Zustand 2:
```
Zustände: {1, 3}
Startzustand: 1
Finalzustand: {3}
Kanten:
  1 --b--> 3
  1 --aa--> 1
  3 --a--> 3
  3 --ba--> 1
```

**Schritt 2: Entfernung von Zustand 1**

Kanten durch Zustand 1:
- Schleife an 1: aa
- 3 --ba--> 1 --b--> 3 ⟹ 3 --ba(aa)*b--> 3

Ausdruck vom ursprünglichen Startzustand 1 zu Finalzustand 3: (aa)*b

Automat nach Entfernung von Zustand 1:
```
Zustände: {3}
Finalzustand: {3}
Kanten:
  3 --a--> 3
  3 --ba(aa)*b--> 3
```

Regulärer Ausdruck: $r = (aa)*b(a + ba(aa)*b)*$

Subproblem b (3.0/3.0P)

Geben Sie eine rechtslineare Grammatik für L(N)L(N) mit höchstens 3 Nichtterminalen an.

Hinweis: In rechtslinearen Grammatiken sind keine ε\varepsilon-Produktionen außer SεS \to \varepsilon erlaubt.
S -> aA | bB | b
A -> aS  
B -> aB | a | bA

deepseek/deepseek-chat-v3.1

Exercise 4: NFA zu regulärem Ausdruck


Subproblem a (9.0/9.0P)

Wir betrachten den rechts abgebildeten NFA NN über dem Alphabet {a,b}\{a,b\}. Berechnen Sie mit dem graphischen Algorithmus aus der Vorlesung (nicht mit Ardens Lemma) einen regulären Ausdruck rr, sodass L(r)=L(N)L(r) = L(N). Geben Sie dabei nach jeder Anwendung einer Transformationsregel den Automaten graphisch an und vereinfachen Sie die regulären Ausdrücke in den Zwischenschritten nicht. (Ausnahme: Sie dürfen die Vereinfachung εααεα\varepsilon \alpha \equiv \alpha \varepsilon \equiv \alpha anwenden.) Entfernen Sie die Zustände in aufsteigender Reihenfolge (bezüglich ihrer Zustandsnummer).
NFA N:
Zustände: 1, 2, 3
Startzustand: 1
Finalzustände: 3
Transitionen:
    1, a -> 2
    1, b -> 3
    2, a -> 1
    3, a -> 3
    3, b -> 2
Zwischenschritte:
Schritt 0: Original NFA mit Zuständen 1,2,3, Startzustand 1, Finalzustand 3. Transitionen: 1 -a-> 2, 1 -b-> 3, 2 -a-> 1, 3 -a-> 3, 3 -b-> 2.

Schritt 1: Hinzufügen eines neuen Startzustands S und eines neuen Finalzustands F mit ε-Transitionen S → 1 und 3 → F. Automat hat nun Zustände S,1,2,3,F. Transitionen: S -ε-> 1, 1 -a-> 2, 1 -b-> 3, 2 -a-> 1, 3 -a-> 3, 3 -b-> 2, 3 -ε-> F.

Schritt 2: Entfernen von Zustand 1. Eingehende Transitionen: von S mit ε, von 2 mit a. Ausgehende Transitionen: zu 2 mit a, zu 3 mit b. Keine Selbstschleife. Neue Transitionen: S → 2: ε · ε · a = a, S → 3: ε · ε · b = b, 2 → 2: a · ε · a = a·a, 2 → 3: a · ε · b = a·b. Entferne Zustand 1 und seine Transitionen. Automat hat nun Zustände S,2,3,F. Transitionen: S -a-> 2, S -b-> 3, 2 -a·a-> 2, 2 -a·b-> 3, 3 -a-> 3, 3 -b-> 2, 3 -ε-> F.

Schritt 3: Entfernen von Zustand 2. Eingehende Transitionen: von S mit a, von 2 mit a·a, von 3 mit b. Ausgehende Transitionen: zu 2 mit a·a, zu 3 mit a·b. Selbstschleife auf 2: a·a, also (a·a)*. Neue Transitionen: S → 3: a · (a·a)* · (a·b) = a·(a·a)*·(a·b), 3 → 3: b · (a·a)* · (a·b) = b·(a·a)*·(a·b). Entferne Zustand 2 und seine Transitionen. Automat hat nun Zustände S,3,F. Transitionen: S zu 3: b + a·(a·a)*·(a·b), 3 zu 3: a + b·(a·a)*·(a·b), 3 -ε-> F.

Schritt 4: Entfernen von Zustand 3. Eingehende Transitionen: von S mit R = b + a·(a·a)*·(a·b), von 3 mit S = a + b·(a·a)*·(a·b). Ausgehende Transitionen: zu 3 mit S, zu F mit ε. Selbstschleife auf 3: S, also S*. Neue Transition: S → F: R · S* · ε = R · S*. Entferne Zustand 3 und seine Transitionen. Automat hat nun Zustände S,F. Transition: S - R·S* -> F.

Regulärer Ausdruck: $r = (b + a\cdot(a\cdot a)^{*}\cdot(a\cdot b)) \cdot (a + b\cdot(a\cdot a)^{*}\cdot(a\cdot b))^{*}$

Subproblem b (3.0/3.0P)

Geben Sie eine rechtslineare Grammatik für L(N)L(N) mit höchstens 3 Nichtterminalen an.

Hinweis: In rechtslinearen Grammatiken sind keine ε\varepsilon-Produktionen außer SεS \to \varepsilon erlaubt.
S -> aA | bB | b
A -> aS
B -> aB | a | bA

deepseek/deepseek-r1-0528

Exercise 4: NFA zu regulärem Ausdruck


Subproblem a (9.0/9.0P)

Wir betrachten den rechts abgebildeten NFA NN über dem Alphabet {a,b}\{a,b\}. Berechnen Sie mit dem graphischen Algorithmus aus der Vorlesung (nicht mit Ardens Lemma) einen regulären Ausdruck rr, sodass L(r)=L(N)L(r) = L(N). Geben Sie dabei nach jeder Anwendung einer Transformationsregel den Automaten graphisch an und vereinfachen Sie die regulären Ausdrücke in den Zwischenschritten nicht. (Ausnahme: Sie dürfen die Vereinfachung εααεα\varepsilon \alpha \equiv \alpha \varepsilon \equiv \alpha anwenden.) Entfernen Sie die Zustände in aufsteigender Reihenfolge (bezüglich ihrer Zustandsnummer).
NFA N:
Zustände: 1, 2, 3
Startzustand: 1
Finalzustände: 3
Transitionen:
    1, a -> 2
    1, b -> 3
    2, a -> 1
    3, a -> 3
    3, b -> 2
Zwischenschritte:

**Schritt 1: Entferne Zustand 1.**  
- Automat nach Entfernung:  
  - Zustände: 2, 3  
  - Startzustände: Übergang zu Zustand 2 mit "a", zu Zustand 3 mit "b"  
  - Finalzustände: 3  
  - Transitionen:  
    - Zustand 2 nach Zustand 2: "aa"  
    - Zustand 2 nach Zustand 3: "ab"  
    - Zustand 3 nach Zustand 3: "a"  
    - Zustand 3 nach Zustand 2: "b"  

**Schritt 2: Entferne Zustand 2.**  
- Automat nach Entfernung:  
  - Zustände: 3  
  - Startzustände: Übergang zu Zustand 3 mit "b" (direkt von Start) und mit "a(aa)*ab" (neu hinzugefügt)  
  - Finalzustände: 3  
  - Transitionen von Zustand 3 zu Zustand 3:  
    - "a" (vorhanden)  
    - "b(aa)*ab" (neu hinzugefügt)  

**Schritt 3: Entferne Zustand 3 (Finalzustand).**  
- Der reguläre Ausdruck wird aus den Startübergängen und den Schleifen am Finalzustand abgeleitet.  

Regulärer Ausdruck: $r = (b \mid a(aa)^{\ast}ab) (a \mid b(aa)^{\ast}ab)^{\ast}$

Subproblem b (3.0/3.0P)

Geben Sie eine rechtslineare Grammatik für L(N)L(N) mit höchstens 3 Nichtterminalen an.

Hinweis: In rechtslinearen Grammatiken sind keine ε\varepsilon-Produktionen außer SεS \to \varepsilon erlaubt.
S -> aA | b | bB
A -> aS
B -> aB | a | bA

google/gemini-2.5-pro

Exercise 4: NFA zu regulärem Ausdruck


Subproblem a (9.0/9.0P)

Wir betrachten den rechts abgebildeten NFA NN über dem Alphabet {a,b}\{a,b\}. Berechnen Sie mit dem graphischen Algorithmus aus der Vorlesung (nicht mit Ardens Lemma) einen regulären Ausdruck rr, sodass L(r)=L(N)L(r) = L(N). Geben Sie dabei nach jeder Anwendung einer Transformationsregel den Automaten graphisch an und vereinfachen Sie die regulären Ausdrücke in den Zwischenschritten nicht. (Ausnahme: Sie dürfen die Vereinfachung εααεα\varepsilon \alpha \equiv \alpha \varepsilon \equiv \alpha anwenden.) Entfernen Sie die Zustände in aufsteigender Reihenfolge (bezüglich ihrer Zustandsnummer).
NFA N:
Zustände: 1, 2, 3
Startzustand: 1
Finalzustände: 3
Transitionen:
    1, a -> 2
    1, b -> 3
    2, a -> 1
    3, a -> 3
    3, b -> 2
Zwischenschritte:
Der NFA wird zunächst um einen neuen Startzustand ss und einen neuen Endzustand ff erweitert. ss hat eine ε\varepsilon-Transition zum alten Startzustand 1. Alle alten Endzustände (hier nur 3) haben eine ε\varepsilon-Transition zum neuen Endzustand ff. Anschließend werden die Zustände 1, 2 und 3 in dieser Reihenfolge entfernt.

Initialer Automat nach Ergänzung um Start- und Endzustand:
*   Zustände: {s,1,2,3,f}\{s, 1, 2, 3, f\}
*   Startzustand: ss
*   Finalzustand: ff
*   Transitionen:
    *   (s,ε)1(s, \varepsilon) \to 1
    *   (1,a)2(1, a) \to 2
    *   (1,b)3(1, b) \to 3
    *   (2,a)1(2, a) \to 1
    *   (3,a)3(3, a) \to 3
    *   (3,b)2(3, b) \to 2
    *   (3,ε)f(3, \varepsilon) \to f

Nach Entfernen von Zustand 1:
Um Zustand 1 zu entfernen, werden für alle eingehenden Kanten (p,r1)1(p, r_1) \to 1 und ausgehenden Kanten (1,r2)q(1, r_2) \to q neue Kanten (p,r1(loop1)r2)q(p, r_1(\text{loop}_1)^*r_2) \to q hinzugefügt. Da Zustand 1 keine Schleife hat, ist (loop1)=ε=ε(\text{loop}_1)^* = \varepsilon^* = \varepsilon.
*   Pfad s12s \to 1 \to 2: Neue Kante (s,εεa)2(s, \varepsilon \varepsilon a) \to 2, vereinfacht zu (s,a)2(s, a) \to 2.
*   Pfad s13s \to 1 \to 3: Neue Kante (s,εεb)3(s, \varepsilon \varepsilon b) \to 3, vereinfacht zu (s,b)3(s, b) \to 3.
*   Pfad 2122 \to 1 \to 2: Neue Kante (2,aεa)2(2, a \varepsilon a) \to 2, also (2,aa)2(2, aa) \to 2.
*   Pfad 2132 \to 1 \to 3: Neue Kante (2,aεb)3(2, a \varepsilon b) \to 3, also (2,ab)3(2, ab) \to 3.
Der resultierende Automat ist:
*   Zustände: {s,2,3,f}\{s, 2, 3, f\}
*   Startzustand: ss
*   Finalzustand: ff
*   Transitionen:
    *   (s,a)2(s, a) \to 2
    *   (s,b)3(s, b) \to 3
    *   (2,aa)2(2, aa) \to 2
    *   (2,ab)3(2, ab) \to 3
    *   (3,a)3(3, a) \to 3
    *   (3,b)2(3, b) \to 2
    *   (3,ε)f(3, \varepsilon) \to f

Nach Entfernen von Zustand 2:
Zustand 2 hat eine Schleife mit dem Ausdruck aaaa. Der entsprechende Kleene-Stern ist (aa)(aa)^*.
*   Pfad s23s \to 2 \to 3: Die existierende Kante (s,b)3(s,b) \to 3 wird mit dem neuen Pfad über 2 kombiniert. Der neue Ausdruck für die Kante (s,3)(s,3) ist b+a(aa)abb + a(aa)^*ab.
*   Pfad 3233 \to 2 \to 3: Die existierende Schleife (3,a)3(3,a) \to 3 wird mit dem neuen Pfad über 2 kombiniert. Der neue Ausdruck für die Schleife auf 3 ist a+b(aa)aba + b(aa)^*ab.
Der resultierende Automat ist:
*   Zustände: {s,3,f}\{s, 3, f\}
*   Startzustand: ss
*   Finalzustand: ff
*   Transitionen:
    *   (s,b+a(aa)ab)3(s, b+a(aa)^*ab) \to 3
    *   (3,a+b(aa)ab)3(3, a+b(aa)^*ab) \to 3
    *   (3,ε)f(3, \varepsilon) \to f

Nach Entfernen von Zustand 3:
Zustand 3 hat eine Schleife mit dem Ausdruck a+b(aa)aba+b(aa)^*ab. Der entsprechende Kleene-Stern ist (a+b(aa)ab)(a+b(aa)^*ab)^*.
*   Pfad s3fs \to 3 \to f: Es wird eine Kante von ss nach ff mit dem Ausdruck (b+a(aa)ab)(a+b(aa)ab)ε(b+a(aa)^*ab)(a+b(aa)^*ab)^*\varepsilon erstellt, was sich zu (b+a(aa)ab)(a+b(aa)ab)(b+a(aa)^*ab)(a+b(aa)^*ab)^* vereinfacht.
Der resultierende Automat ist:
*   Zustände: {s,f}\{s, f\}
*   Startzustand: ss
*   Finalzustand: ff
*   Transitionen:
    *   (s,(b+a(aa)ab)(a+b(aa)ab))f(s, (b+a(aa)^*ab)(a+b(aa)^*ab)^*) \to f

Regulärer Ausdruck: r=(b+a(aa)ab)(a+b(aa)ab)r = (b+a(aa)^*ab)(a+b(aa)^*ab)^*

Subproblem b (3.0/3.0P)

Geben Sie eine rechtslineare Grammatik für L(N)L(N) mit höchstens 3 Nichtterminalen an.

Hinweis: In rechtslinearen Grammatiken sind keine ε\varepsilon-Produktionen außer SεS \to \varepsilon erlaubt.
Eine rechtslineare Grammatik G=(V,Σ,P,S)G = (V, \Sigma, P, S) für die Sprache L(N)L(N) kann direkt aus dem NFA NN konstruiert werden. Die Nichtterminale VV der Grammatik entsprechen den Zuständen des NFA, und das Startsymbol SS entspricht dem Startzustand.

Seien die Nichtterminale X1,X2,X3X_1, X_2, X_3 den Zuständen 1, 2, 3 des NFA zugeordnet. Das Startsymbol ist X1X_1.
Die Produktionsregeln PP werden wie folgt aus den Transitionen des NFA abgeleitet:
1.  Für jede Transition (p,t)q(p, t) \to q wird eine Regel XptXqX_p \to t X_q erzeugt.
2.  Wenn der Zielzustand qq ein Finalzustand ist, wird zusätzlich eine Regel XptX_p \to t erzeugt.

Anwendung auf den gegebenen NFA NN:
*   Zustand 1 (Startsymbol X1X_1):
    *   Transition (1,a)2(1, a) \to 2: ergibt die Regel X1aX2X_1 \to a X_2.
    *   Transition (1,b)3(1, b) \to 3: Da Zustand 3 ein Finalzustand ist, ergeben sich die Regeln X1bX3X_1 \to b X_3 und X1bX_1 \to b.
    *   Zusammengefasst für X1X_1: X1aX2bX3bX_1 \to a X_2 \mid b X_3 \mid b

*   Zustand 2 (Nichtterminal X2X_2):
    *   Transition (2,a)1(2, a) \to 1: ergibt die Regel X2aX1X_2 \to a X_1.

*   Zustand 3 (Nichtterminal X3X_3):
    *   Transition (3,a)3(3, a) \to 3: Da Zustand 3 ein Finalzustand ist, ergeben sich die Regeln X3aX3X_3 \to a X_3 und X3aX_3 \to a.
    *   Transition (3,b)2(3, b) \to 2: ergibt die Regel X3bX2X_3 \to b X_2.
    *   Zusammengefasst für X3X_3: X3aX3bX2aX_3 \to a X_3 \mid b X_2 \mid a

Die resultierende rechtslineare Grammatik mit 3 Nichtterminalen (X1,X2,X3X_1, X_2, X_3) ist:
X1aX2bX3bX_1 \to aX_2 \mid bX_3 \mid b
X2aX1X_2 \to aX_1
X3aX3bX2aX_3 \to aX_3 \mid bX_2 \mid a
0: could not parse value
    Eine rechtslineare Grammatik $G = (V, \Sigma, P, S)$ für die Sprache $L(N)$ kann direkt aus dem NFA $N$ konstruiert werden. Die Nichtterminale $V$ der Grammatik entsprechen den Zuständen des NFA, und das Startsymbol $S$ entspricht dem Startzustand.
    
    Seien die Nichtterminale $X_1, X_2, X_3$ den Zuständen 1, 2, 3 des NFA zugeordnet. Das Startsymbol ist $X_1$.
    Die Produktionsregeln $P$ werden wie folgt aus den Transitionen des NFA abgeleitet:
    1.  Für jede Transition $(p, t) \to q$ wird eine Regel $X_p \to t X_q$ erzeugt.
    2.  Wenn der Zielzustand $q$ ein Finalzustand ist, wird zusätzlich eine Regel $X_p \to t$ erzeugt.
    
    Anwendung auf den gegebenen NFA $N$:
    *   **Zustand 1 (Startsymbol $X_1$):**
        *   Transition $(1, a) \to 2$: ergibt die Regel $X_1 \to a X_2$.
        *   Transition $(1, b) \to 3$: Da Zustand 3 ein Finalzustand ist, ergeben sich die Regeln $X_1 \to b X_3$ und $X_1 \to b$.
        *   Zusammengefasst für $X_1$: $X_1 \to a X_2 \mid b X_3 \mid b$
    
    *   **Zustand 2 (Nichtterminal $X_2$):**
        *   Transition $(2, a) \to 1$: ergibt die Regel $X_2 \to a X_1$.
    
    *   **Zustand 3 (Nichtterminal $X_3$):**
        *   Transition $(3, a) \to 3$: Da Zustand 3 ein Finalzustand ist, ergeben sich die Regeln $X_3 \to a X_3$ und $X_3 \to a$.
        *   Transition $(3, b) \to 2$: ergibt die Regel $X_3 \to b X_2$.
        *   Zusammengefasst für $X_3$: $X_3 \to a X_3 \mid b X_2 \mid a$
    
    Die resultierende rechtslineare Grammatik mit 3 Nichtterminalen ($X_1, X_2, X_3$) ist:
    $X_1 \to aX_2 \mid bX_3 \mid b$
    $X_2 \to aX_1$
    $X_3 \to aX_3 \mid bX_2 \mid a$
for type cfg

openai/gpt-5

Exercise 4: NFA zu regulärem Ausdruck


Subproblem a (9.0/9.0P)

Wir betrachten den rechts abgebildeten NFA NN über dem Alphabet {a,b}\{a,b\}. Berechnen Sie mit dem graphischen Algorithmus aus der Vorlesung (nicht mit Ardens Lemma) einen regulären Ausdruck rr, sodass L(r)=L(N)L(r) = L(N). Geben Sie dabei nach jeder Anwendung einer Transformationsregel den Automaten graphisch an und vereinfachen Sie die regulären Ausdrücke in den Zwischenschritten nicht. (Ausnahme: Sie dürfen die Vereinfachung εααεα\varepsilon \alpha \equiv \alpha \varepsilon \equiv \alpha anwenden.) Entfernen Sie die Zustände in aufsteigender Reihenfolge (bezüglich ihrer Zustandsnummer).
NFA N:
Zustände: 1, 2, 3
Startzustand: 1
Finalzustände: 3
Transitionen:
    1, a -> 2
    1, b -> 3
    2, a -> 1
    3, a -> 3
    3, b -> 2
Zwischenschritte:
Initialer GNFA (neue Start-/Endzustände s,f):
- Zustände: s, 1, 2, 3, f
- Start: s; Final: f
- Kantenbeschriftungen (alle nicht aufgeführten sind \emptyset):
  s→1: ε\varepsilon; 1→2: aa; 1→3: bb; 2→1: aa; 3→3: aa; 3→2: bb; 3→f: ε\varepsilon

Eliminiere Zustand 1:
- Zustände: s, 2, 3, f
- Start: s; Final: f
- Kantenbeschriftungen (alle nicht aufgeführten sind \emptyset):
  s→2: ()a(\emptyset)^* a  
  s→3: ()b(\emptyset)^* b  
  s→f: ()\emptyset \mid (\emptyset)^* \emptyset  
  2→2: a()aa (\emptyset)^* a  
  2→3: a()ba (\emptyset)^* b  
  2→f: a()\emptyset \mid a (\emptyset)^* \emptyset  
  3→2: b()ab \mid \emptyset (\emptyset)^* a  
  3→3: a()ba \mid \emptyset (\emptyset)^* b  
  3→f: ε()\varepsilon \mid \emptyset (\emptyset)^* \emptyset

Eliminiere Zustand 2:
- Zustände: s, 3, f
- Start: s; Final: f
- Kantenbeschriftungen (alle nicht aufgeführten sind \emptyset):
  s→3: ()b()a(a()a)a()b(\emptyset)^* b \mid (\emptyset)^* a \,(a (\emptyset)^* a)^* a (\emptyset)^* b  
  s→f: (())(()a(a()a)(a()))(\emptyset \mid (\emptyset)^* \emptyset) \mid \big((\emptyset)^* a \,(a (\emptyset)^* a)^* (\emptyset \mid a (\emptyset)^* \emptyset)\big)  
  3→3: (a()b)((b()a)(a()a)a()b)(a \mid \emptyset (\emptyset)^* b) \mid \big((b \mid \emptyset (\emptyset)^* a)\,(a (\emptyset)^* a)^* a (\emptyset)^* b\big)  
  3→f: (ε())((b()a)(a()a)(a()))(\varepsilon \mid \emptyset (\emptyset)^* \emptyset) \mid \big((b \mid \emptyset (\emptyset)^* a)\,(a (\emptyset)^* a)^* (\emptyset \mid a (\emptyset)^* \emptyset)\big)

Eliminiere Zustand 3 (End-GNFA mit nur s,f):
- Zustände: s, f
- Start: s; Final: f
- Kantenbeschriftung:
  s→f:
  Big((())(()a(a()a)(a()))Big) \Big((\emptyset \mid (\emptyset)^* \emptyset) \mid \big((\emptyset)^* a \,(a (\emptyset)^* a)^* (\emptyset \mid a (\emptyset)^* \emptyset)\big)\Big)\ \mid
  Big( (()b()a(a()a)a()b) ((a()b)((b()a)(a()a)a()b)) ((ε())((b()a)(a()a)(a()))) Big)\Big(\ \big((\emptyset)^* b \mid (\emptyset)^* a \,(a (\emptyset)^* a)^* a (\emptyset)^* b\big)\ \big( (a \mid \emptyset (\emptyset)^* b) \mid \big((b \mid \emptyset (\emptyset)^* a)\,(a (\emptyset)^* a)^* a (\emptyset)^* b\big) \big)^*\ \big((\varepsilon \mid \emptyset (\emptyset)^* \emptyset) \mid \big((b \mid \emptyset (\emptyset)^* a)\,(a (\emptyset)^* a)^* (\emptyset \mid a (\emptyset)^* \emptyset)\big)\big)\ \Big)

Regulärer Ausdruck: r=Big((())(()a(a()a)(a()))Big)  Big( (()b()a(a()a)a()b) ((a()b)((b()a)(a()a)a()b)) ((ε())((b()a)(a()a)(a()))) Big)r = \Big((\emptyset \mid (\emptyset)^* \emptyset) \mid \big((\emptyset)^* a \,(a (\emptyset)^* a)^* (\emptyset \mid a (\emptyset)^* \emptyset)\big)\Big)\ \mid\ \Big(\ \big((\emptyset)^* b \mid (\emptyset)^* a \,(a (\emptyset)^* a)^* a (\emptyset)^* b\big)\ \big( (a \mid \emptyset (\emptyset)^* b) \mid \big((b \mid \emptyset (\emptyset)^* a)\,(a (\emptyset)^* a)^* a (\emptyset)^* b\big) \big)^*\ \big((\varepsilon \mid \emptyset (\emptyset)^* \emptyset) \mid \big((b \mid \emptyset (\emptyset)^* a)\,(a (\emptyset)^* a)^* (\emptyset \mid a (\emptyset)^* \emptyset)\big)\big)\ \Big)

Subproblem b (3.0/3.0P)

Geben Sie eine rechtslineare Grammatik für L(N)L(N) mit höchstens 3 Nichtterminalen an.

Hinweis: In rechtslinearen Grammatiken sind keine ε\varepsilon-Produktionen außer SεS \to \varepsilon erlaubt.
S -> aA | b | bB
A -> aS
B -> a | aB | bA

openai/gpt-oss-120b

Exercise 4: NFA zu regulärem Ausdruck


Subproblem a (9.0/9.0P)

Wir betrachten den rechts abgebildeten NFA NN über dem Alphabet {a,b}\{a,b\}. Berechnen Sie mit dem graphischen Algorithmus aus der Vorlesung (nicht mit Ardens Lemma) einen regulären Ausdruck rr, sodass L(r)=L(N)L(r) = L(N). Geben Sie dabei nach jeder Anwendung einer Transformationsregel den Automaten graphisch an und vereinfachen Sie die regulären Ausdrücke in den Zwischenschritten nicht. (Ausnahme: Sie dürfen die Vereinfachung εααεα\varepsilon \alpha \equiv \alpha \varepsilon \equiv \alpha anwenden.) Entfernen Sie die Zustände in aufsteigender Reihenfolge (bezüglich ihrer Zustandsnummer).
NFA N:
Zustände: 1, 2, 3
Startzustand: 1
Finalzustände: 3
Transitionen:
    1, a -> 2
    1, b -> 3
    2, a -> 1
    3, a -> 3
    3, b -> 2
Zwischenschritte:
1. **Zustände**: i, 1, 2, 3, f  
   **Kanten**:  
   - i → 1 : ε  
   - 1 → 2 : a   1 → 3 : b  
   - 2 → 1 : a  
   - 3 → 3 : a   3 → 2 : b  
   - 3 → f : ε  

   **Entferne Zustand 1** (keine Schleife auf 1).  
   Neue Kanten nach Regel \(p\!\to\!q = \alpha\beta^{*}\gamma\):  

   - i → 2 : ε·a = **a**  
   - i → 3 : ε·b = **b**  
   - 2 → 2 : a·a = **aa**  
   - 2 → 3 : a·b = **ab**  

   Ergebnis‑Automat (Zustände i, 2, 3, f):  

   - i → 2 : a  
   - i → 3 : b  
   - 2 → 2 : aa  
   - 2 → 3 : ab  
   - 3 → 3 : a   3 → 2 : b  
   - 3 → f : ε  

2. **Entferne Zustand 2** (Schleife β = aa).  

   Für jeden Eingang \(p\!\to\!2 = \alpha\) und Ausgang \(2\!\to\!q = \gamma\) wird  
   \(p\!\to\!q = \alpha\,\beta^{*}\,\gamma\) hinzugefügt.

   - i → 3 : a · (aa)^{*} · ab  → **a (aa)^{*} ab**  
   - 3 → 3 : b · (aa)^{*} · ab  → **b (aa)^{*} ab**  

   Diese werden zu den bereits vorhandenen Kanten vereinigt (Union “+”):

   - i → 3 : **b + a (aa)^{*} ab**  
   - 3 → 3 : **a + b (aa)^{*} ab**  

   Ergebnis‑Automat (Zustände i, 3, f):  

   - i → 3 : b + a (aa)^{*} ab  
   - 3 → 3 : a + b (aa)^{*} ab  
   - 3 → f : ε  

3. **Entferne Zustand 3** (Schleife β = a + b (aa)^{*} ab).  

   - i → f : (b + a (aa)^{*} ab) · ( a + b (aa)^{*} ab )^{*} · ε  
     → **(b + a (aa)^{*} ab)(a + b (aa)^{*} ab)^{*}**

   Nach Entfernung aller Zwischenzustände bleibt nur die Kante i → f.

Regulärer Ausdruck: $r = (b + a (aa)^{*} ab)(a + b (aa)^{*} ab)^{*}$

Subproblem b (0.0/3.0P)

Geben Sie eine rechtslineare Grammatik für L(N)L(N) mit höchstens 3 Nichtterminalen an.

Hinweis: In rechtslinearen Grammatiken sind keine ε\varepsilon-Produktionen außer SεS \to \varepsilon erlaubt.
<empty>
no answer given

qwen/qwen3-235b-a22b

Exercise 4: NFA zu regulärem Ausdruck


Subproblem a (0.0/9.0P)

Wir betrachten den rechts abgebildeten NFA NN über dem Alphabet {a,b}\{a,b\}. Berechnen Sie mit dem graphischen Algorithmus aus der Vorlesung (nicht mit Ardens Lemma) einen regulären Ausdruck rr, sodass L(r)=L(N)L(r) = L(N). Geben Sie dabei nach jeder Anwendung einer Transformationsregel den Automaten graphisch an und vereinfachen Sie die regulären Ausdrücke in den Zwischenschritten nicht. (Ausnahme: Sie dürfen die Vereinfachung εααεα\varepsilon \alpha \equiv \alpha \varepsilon \equiv \alpha anwenden.) Entfernen Sie die Zustände in aufsteigender Reihenfolge (bezüglich ihrer Zustandsnummer).
NFA N:
Zustände: 1, 2, 3
Startzustand: 1
Finalzustände: 3
Transitionen:
    1, a -> 2
    1, b -> 3
    2, a -> 1
    3, a -> 3
    3, b -> 2
Zwischenschritte:
1. Elimination von Zustand 1:
   - Füge neuen Startzustand S S  mit ε \varepsilon -Übergängen hinzu:
     - Sa2 S \xrightarrow{a} 2 
     - Sb3 S \xrightarrow{b} 3 
   - Neue Übergänge durch Bypassing von Zustand 1:
     - 2aa2 2 \xrightarrow{aa} 2 
     - 2ab3 2 \xrightarrow{ab} 3 
   - Verbleibende Übergänge:
     - 3a3 3 \xrightarrow{a} 3 
     - 3b2 3 \xrightarrow{b} 2 

2. Elimination von Zustand 2:
   - Bypassing von Zustand 2:
     - Sa(aa)ab3 S \xrightarrow{a(aa)^*ab} 3 
     - 3b(aa)ab3 3 \xrightarrow{b(aa)^*ab} 3 
   - Verbleibende Übergänge:
     - Sb3 S \xrightarrow{b} 3 
     - 3a3 3 \xrightarrow{a} 3 

3. Elimination von Zustand 3:
   - Bypassing von Zustand 3:
     - S(b+a(aa)ab)(a+b(aa)ab)Endzustand S \xrightarrow{(b + a(aa)^*ab)(a + b(aa)^*ab)^*} \text{Endzustand} 

Regulärer Ausdruck: r=(b+a(aa)ab)(a+b(aa)ab) r = (b + a(aa)^*ab)(a + b(aa)^*ab)^* 
answer does not follow the template

Subproblem b (3.0/3.0P)

Geben Sie eine rechtslineare Grammatik für L(N)L(N) mit höchstens 3 Nichtterminalen an.

Hinweis: In rechtslinearen Grammatiken sind keine ε\varepsilon-Produktionen außer SεS \to \varepsilon erlaubt.
S -> a A | b C | b  
A -> a S  
C -> a C | b A | a

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

Exercise 4: NFA zu regulärem Ausdruck


Subproblem a (9.0/9.0P)

Wir betrachten den rechts abgebildeten NFA NN über dem Alphabet {a,b}\{a,b\}. Berechnen Sie mit dem graphischen Algorithmus aus der Vorlesung (nicht mit Ardens Lemma) einen regulären Ausdruck rr, sodass L(r)=L(N)L(r) = L(N). Geben Sie dabei nach jeder Anwendung einer Transformationsregel den Automaten graphisch an und vereinfachen Sie die regulären Ausdrücke in den Zwischenschritten nicht. (Ausnahme: Sie dürfen die Vereinfachung εααεα\varepsilon \alpha \equiv \alpha \varepsilon \equiv \alpha anwenden.) Entfernen Sie die Zustände in aufsteigender Reihenfolge (bezüglich ihrer Zustandsnummer).
NFA N:
Zustände: 1, 2, 3
Startzustand: 1
Finalzustände: 3
Transitionen:
    1, a -> 2
    1, b -> 3
    2, a -> 1
    3, a -> 3
    3, b -> 2
Zwischenschritte:

Schritt 1: Entfernen von Zustand 1 (Startzustand):

- Neue Übergänge durch Umwege über Zustand 1:
  - S → 2: ε·a = a
  - S → 3: ε·b = b
  - 2 → 2: a·a = aa
  - 2 → 3: a·b = ab
- Verbleibende Übergänge:
  - S → 2: a
  - S → 3: b
  - 2 → 2: aa
  - 2 → 3: ab
  - 3 → 3: a
  - 3 → 2: b
  - 3 → F: ε

Schritt 2: Entfernen von Zustand 2:

- Neue Übergänge durch Umwege über Zustand 2:
  - S → 3: b + a·(aa)*·ab
  - 3 → 3: a + b·(aa)*·ab
- Verbleibende Übergänge:
  - S → 3: b + a(aa)*ab
  - 3 → 3: a + b(aa)*ab
  - 3 → F: ε

Schritt 3: Entfernen von Zustand 3 (Endzustand):

- Neue Übergänge durch Umwege über Zustand 3:
  - S → F: [b + a(aa)*ab]·[a + b(aa)*ab]*·ε = (b + a(aa)*ab)(a + b(aa)*ab)*
- Verbleibende Übergänge:
  - S → F: (b + a(aa)*ab)(a + b(aa)*ab)*

Regulärer Ausdruck: $r = (b + a(aa)^*ab)(a + b(aa)^*ab)^*$

Subproblem b (3.0/3.0P)

Geben Sie eine rechtslineare Grammatik für L(N)L(N) mit höchstens 3 Nichtterminalen an.

Hinweis: In rechtslinearen Grammatiken sind keine ε\varepsilon-Produktionen außer SεS \to \varepsilon erlaubt.
S -> aA | bB | b
A -> aS
B -> aB | a | bA

x-ai/grok-4

Exercise 4: NFA zu regulärem Ausdruck


Subproblem a (9.0/9.0P)

Wir betrachten den rechts abgebildeten NFA NN über dem Alphabet {a,b}\{a,b\}. Berechnen Sie mit dem graphischen Algorithmus aus der Vorlesung (nicht mit Ardens Lemma) einen regulären Ausdruck rr, sodass L(r)=L(N)L(r) = L(N). Geben Sie dabei nach jeder Anwendung einer Transformationsregel den Automaten graphisch an und vereinfachen Sie die regulären Ausdrücke in den Zwischenschritten nicht. (Ausnahme: Sie dürfen die Vereinfachung εααεα\varepsilon \alpha \equiv \alpha \varepsilon \equiv \alpha anwenden.) Entfernen Sie die Zustände in aufsteigender Reihenfolge (bezüglich ihrer Zustandsnummer).
NFA N:
Zustände: 1, 2, 3
Startzustand: 1
Finalzustände: 3
Transitionen:
    1, a -> 2
    1, b -> 3
    2, a -> 1
    3, a -> 3
    3, b -> 2
Zwischenschritte:

Zunächst erweitern wir den Automaten um einen neuen Startzustand q0q_0 und einen neuen Finalzustand qfq_f:

Zustände: q0q_0, 1, 2, 3, qfq_f

Startzustand: q0q_0

Finalzustände: qfq_f

Transitionen:

q0q_0, ε\varepsilon -> 1

1, a -> 2

1, b -> 3

2, a -> 1

3, a -> 3

3, b -> 2

3, ε\varepsilon -> qfq_f

Nach Entfernen von Zustand 1 (Schleife: keine, also ε\varepsilon im Stern):

Zustände: q0q_0, 2, 3, qfq_f

Startzustand: q0q_0

Finalzustände: qfq_f

Transitionen:

q0q_0, a -> 2

q0q_0, b -> 3

2, aa -> 2

2, ab -> 3

3, a -> 3

3, b -> 2

3, ε\varepsilon -> qfq_f

Nach Entfernen von Zustand 2 (Schleife: aa):

Zustände: q0q_0, 3, qfq_f

Startzustand: q0q_0

Finalzustände: qfq_f

Transitionen:

q0q_0, ba(aa)abb \cup a(aa)^{*}ab -> 3

3, ab(aa)aba \cup b(aa)^{*}ab -> 3

3, ε\varepsilon -> qfq_f

Nach Entfernen von Zustand 3 (Schleife: ab(aa)aba \cup b(aa)^{*}ab):

Zustände: q0q_0, qfq_f

Startzustand: q0q_0

Finalzustände: qfq_f

Transitionen:

q0q_0, (ba(aa)ab)(ab(aa)ab)(b \cup a(aa)^{*}ab)(a \cup b(aa)^{*}ab)^{*} -> qfq_f

Regulärer Ausdruck: r=(ba(aa)ab)(ab(aa)ab)r = (b \cup a(aa)^{*}ab)(a \cup b(aa)^{*}ab)^{*}

Subproblem b (3.0/3.0P)

Geben Sie eine rechtslineare Grammatik für L(N)L(N) mit höchstens 3 Nichtterminalen an.

Hinweis: In rechtslinearen Grammatiken sind keine ε\varepsilon-Produktionen außer SεS \to \varepsilon erlaubt.
S -> aA | bB | b  
A -> aS  
B -> aB | bA | a

z-ai/glm-4.5

Exercise 4: NFA zu regulärem Ausdruck


Subproblem a (3.0/9.0P)

Wir betrachten den rechts abgebildeten NFA NN über dem Alphabet {a,b}\{a,b\}. Berechnen Sie mit dem graphischen Algorithmus aus der Vorlesung (nicht mit Ardens Lemma) einen regulären Ausdruck rr, sodass L(r)=L(N)L(r) = L(N). Geben Sie dabei nach jeder Anwendung einer Transformationsregel den Automaten graphisch an und vereinfachen Sie die regulären Ausdrücke in den Zwischenschritten nicht. (Ausnahme: Sie dürfen die Vereinfachung εααεα\varepsilon \alpha \equiv \alpha \varepsilon \equiv \alpha anwenden.) Entfernen Sie die Zustände in aufsteigender Reihenfolge (bezüglich ihrer Zustandsnummer).
NFA N:
Zustände: 1, 2, 3
Startzustand: 1
Finalzustände: 3
Transitionen:
    1, a -> 2
    1, b -> 3
    2, a -> 1
    3, a -> 3
    3, b -> 2
Zwischenschritte:
1. Add a new start state (S) and a new final state (F)
   - Add ε-transition from S to 1
   - Add ε-transition from 3 to F

   States: S, 1, 2, 3, F
   Start state: S
   Final state: F
   Transitions:
   - S, ε -> 1
   - 1, a -> 2
   - 1, b -> 3
   - 2, a -> 1
   - 3, a -> 3
   - 3, b -> 2
   - 3, ε -> F

2. Remove state 1
   - Add transition S, a -> 2
   - Add transition S, b -> 3
   - Add transition 2, aa -> 2
   - Add transition 2, ab -> 3

   States: S, 2, 3, F
   Start state: S
   Final state: F
   Transitions:
   - S, a -> 2
   - S, b -> 3
   - 2, aa -> 2
   - 2, ab -> 3
   - 3, a -> 3
   - 3, b -> 2
   - 3, ε -> F

3. Remove state 2
   - Add transition S, a(aa)* -> 3
   - Add transition S, aab -> 3
   - Add transition 3, b(aa)* -> 3
   - Add transition 3, bab -> 3

   States: S, 3, F
   Start state: S
   Final state: F
   Transitions:
   - S, b -> 3
   - S, a(aa)* -> 3
   - S, aab -> 3
   - 3, a -> 3
   - 3, b(aa)* -> 3
   - 3, bab -> 3
   - 3, ε -> F

4. Remove state 3
   - Add transition S, (b + a(aa)* + aab) * (a + b(aa)* + bab)* * ε -> F

   States: S, F
   Start state: S
   Final state: F
   Transitions:
   - S, (b + a(aa)* + aab) * (a + b(aa)* + bab)* * ε -> F

Regulärer Ausdruck: $r = (b + a(aa)* + aab)  (a + b(aa)* + bab)*$
wrong on word a

Subproblem b (0.0/3.0P)

Geben Sie eine rechtslineare Grammatik für L(N)L(N) mit höchstens 3 Nichtterminalen an.

Hinweis: In rechtslinearen Grammatiken sind keine ε\varepsilon-Produktionen außer SεS \to \varepsilon erlaubt.
S -> aA | bB
A -> aS
B -> aB | bA | ε
invalid production B -> ε