Exam 2024_endterm.txt — deepseek/deepseek-chat-v3.1

Exercise a b c d e f g Total
1: Quiz: Reguläre und kontextfreie Sprachen 2.0/2.0 2.0/2.0 2.0/2.0 2.0/2.0 2.0/2.0 3.0/3.0 0.0/3.0 13.0/16.0
2: Residualsprachen und Minimierung 5.0/5.0 2.0/2.0 2.0/2.0 2.0/2.0 3.0/3.0 4.0/4.0 18.0/18.0
3: NFA-Konstruktion 3.0/3.0 7.0/7.0 3.0/3.0 13.0/13.0
4: NFA zu regulärem Ausdruck 9.0/9.0 3.0/3.0 12.0/12.0
5: Kontextfreie Sprachen 4.0/6.0 4.0/4.0 3.0/3.0 11.0/13.0
6: Quiz: Berechenbarkeit und Komplexität 2.0/2.0 2.0/2.0 2.0/2.0 2.0/2.0 2.0/2.0 4.0/4.0 14.0/14.0
7: Reduktion 6.0/6.0 8.0/8.0 14.0/14.0
8: Bonus 2.0/2.0 1.0/1.0 2.0/2.0 5.0/5.0
Exam total 100.0/105.0

Exercise 1: Quiz: Reguläre und kontextfreie Sprachen

Teilaufgaben (a-e): Für diese Fragen ist eine Begründung nicht gefordert. Sie erhalten die Punkte auf eine Teilaufgabe genau dann, wenn Sie alle Antwortmöglichkeiten korrekt angekreuzt haben.
Es ist immer mindestens eine Antwortmöglichkeit richtig.
Jede Frage bringt 2P.

In dieser Aufgabe verwenden wir durchgehend das Alphabet Σ:={a,b}\Sigma:=\{a,b\}.

Subproblem a (2.0/2.0P)

Sei LΣL\subseteq\Sigma^* eine endliche Sprache mit L=L|L|=|L^*|. Welche Aussagen sind wahr?
LL ist regulärεL\varepsilon\in LL=LL|L|=|LL|

Subproblem b (2.0/2.0P)

Sei LΣL\subseteq\Sigma^* und L:={wL:w210w}L':=\{w\in L : |w|^2\le 10|w|\}. Welche Aussagen sind wahr?
LL' ist regulärLL' ist kontextfreiLL' ist deterministisch kontextfrei

Subproblem c (2.0/2.0P)

Sei LΣL\subseteq\Sigma^* regulär und k>0k>0. Welche der folgenden Sprachen sind regulär?
{wL:w0(modk)}\{w\in L: |w| \equiv 0\pmod k\}{w1...wk:w1,...,wkL}\{w_1...w_k: w_1,...,w_k\in L\}{wk:wL}\{w^k: w\in L\}

Subproblem d (2.0/2.0P)

Sei LΣL\subseteq\Sigma^* kontextfrei. Welche der folgenden Sprachen sind kontextfrei?

Hinweis: LR:={xk...x1:x1...xkLx1,...,xkΣk0}L^R:=\{x_k...x_1 : x_1...x_k\in L\wedge x_1,...,x_k\in\Sigma\wedge k\ge0\} ist die Spiegelung von LL.
L\overline{L}LLRL\cup L^RLLRL\cap L^R

Subproblem e (2.0/2.0P)

Sei GG die Grammatik mit Produktionen SaTS\rightarrow aT, TSbT\rightarrow Sb. Welche Aussagen sind wahr?
GG ist rechtslinearGG ist kontextfreiL(G)L(G) ist regulärL(G)L(G) ist kontextfrei

Subproblem f (3.0/3.0P)

Seien L1,L2,L3{a,b}L_1,L_2,L_3\subseteq\{a,b\}^* Sprachen, sodass L1L_1 genau die Wörter gerader Länge enthält, L2L_2 genau die Wörter enthält, in denen auf jedes aa unmittelbar ein bb folgt, und L3:=L1L2L_3:= L_1\cap L_2. Es gilt etwa ε,ab,babbL3\varepsilon,ab,babb\in L_3 und b,ba,aabbL3b,ba,aabb\notin L_3. Geben Sie reguläre Ausdrücke r1,r2,r3r_1,r_2,r_3 an, sodass L(ri)=LiL(r_i)=L_i, für i{1,2,3}i\in\{1,2,3\}.
r1=((a+b)(a+b))r_1=((a+b)(a+b))^*
r2=(b+ab)r_2=(b+ab)^*
r3=((ab)b(ab)b)(ab)r_3=((ab)^*b(ab)^*b)^*(ab)^*

Subproblem g (0.0/3.0P)

Sei MM der folgende DFA. Gibt es einen DFA MM', sodass L(M)L(M) und L(M)L(M') die gleichen Residualsprachen haben, aber nicht gleich sind; also {L(M)w:wΣ}={L(M)w:wΣ}\{L(M)^w:w\in\Sigma^*\}=\{L(M')^w:w\in\Sigma^*\} und L(M)L(M)L(M)\ne L(M')?

Falls ja, geben Sie einen solchen DFA an; falls nein, begründen Sie Ihre Antwort kurz.
Zustände: 0, 1, 2
Startzustand: 0
Finalzustände: 2
Transitionen:
    0, a -> 1
    0, b -> 2
    1, a -> 0
    1, b -> 2
    2, a -> 0
    2, b -> 2
Wahr, DFAFalsch, Begründung
wrong answer for choice (0)
Die Sprache L(M)L(M) besteht aus allen Wörtern, die mit bb enden. Für jedes Wort ww ist die Residualsprache L(M)w={xwxL(M)}={xx endet mit b}=L(M)L(M)^w = \{x \mid w x \in L(M)\} = \{x \mid x \text{ endet mit } b\} = L(M). Daher ist die Menge aller Residualsprachen von L(M)L(M) gleich {L(M)}\{L(M)\}. Wenn eine andere Sprache LL' die gleiche Menge von Residualsprachen hat, dann gilt insbesondere L=Lε=L(M)L' = L'^\varepsilon = L(M). Somit gibt es keine Sprache LL(M)L' \neq L(M) mit den gleichen Residualsprachen, und daher auch keinen entsprechenden DFA MM'.

Exercise 2: Residualsprachen und Minimierung


Subproblem a (5.0/5.0P)

Minimieren Sie den folgenden DFA MM unter Verwendung des erweiterten Minimierungsalgorithmus. Bestimmen Sie also für jedes Paar an Zuständen (q,p)(q,p), ob diese äquivalent sind. Wenn ja, tragen Sie ein Gleichheitszeichen „==" in die entsprechende Zelle ein, wenn nein, tragen Sie ein möglichst kurzes Wort ein, das dies beweist.
Zustände: 0, 1, 2, 3, 4, 5
Startzustand: 0
Finalzustände: 5
Transitionen:
    0, a -> 3
    0, b -> 2
    1, a -> 4
    1, b -> 2
    2, a -> 5
    2, b -> 4
    3, a -> 1
    3, b -> 4
    4, a -> 1
    4, b -> 4
    5, a -> 5
    5, b -> 4
Äquivalenztabelle:
(0,1): ==
(0,2): aa
(0,3): baba
(0,4): baba
(0,5): ε\varepsilon
(1,2): aa
(1,3): baba
(1,4): baba
(1,5): ε\varepsilon
(2,3): aa
(2,4): aa
(2,5): ε\varepsilon
(3,4): ==
(3,5): ε\varepsilon
(4,5): ε\varepsilon

Subproblem b (2.0/2.0P)

Sei QQ die Menge der Zustände von MM, also Q={0,1,2,3,4,5}Q=\{0,1,2,3,4,5\}. Bestimmen Sie S:={qQ:[q]M={q}}S := \{q\in Q:[q]_M=\{q\}\}, also die Menge der Zustände, die nur zu sich selbst äquivalent sind. Beschreiben Sie, wie die Menge sich aus der Tabelle ergibt.
S={2,5}S=\{2,5\}

Erklärung:
Aus der Äquivalenztabelle ist ersichtlich, dass alle Paare, die den Zustand 2 enthalten, ein unterscheidendes Wort haben (z.B. (0,2): aa, (1,2): aa, (2,3): aa, (2,4): aa, (2,5): ε\varepsilon), sodass Zustand 2 von allen anderen Zuständen unterscheidbar ist und somit nur zu sich selbst äquivalent ist. Ebenso haben alle Paare mit Zustand 5 ein unterscheidendes Wort (z.B. (0,5): ε\varepsilon, (1,5): ε\varepsilon, (2,5): ε\varepsilon, (3,5): ε\varepsilon, (4,5): ε\varepsilon), sodass Zustand 5 nur zu sich selbst äquivalent ist. Die Zustände 0 und 1 sind äquivalent zueinander (markiert mit "=="), und die Zustände 3 und 4 sind äquivalent zueinander, daher sind ihre Äquivalenzklassen nicht singulär.

Subproblem c (2.0/2.0P)

Zeichnen Sie den minimalen DFA, der L(M)L(M) erkennt. Beschriften Sie jeden Zustand mit der entsprechenden Menge an äquivalenten Zuständen aus MM.
Zustände: {0,1}, {2}, {3,4}, {5}
Startzustand: {0,1}
Finalzustände: {5}
Transitionen:
    {0,1}, a -> {3,4}
    {0,1}, b -> {2}
    {2}, a -> {5}
    {2}, b -> {3,4}
    {3,4}, a -> {0,1}
    {3,4}, b -> {3,4}
    {5}, a -> {5}
    {5}, b -> {3,4}

Subproblem d (2.0/2.0P)

Wir betrachten den folgenden DFA MM':
Zustände: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7
Startzustand: 0
Finalzustände: 0, 3, 7
Transitionen:
    0, a -> 1
    1, a -> 2
    2, b -> 3
    3, a -> 3
    4, b -> 5
    5, a -> 6
    6, a -> 7
    7, b -> 7
    0, b -> 4
    1, b -> 6
    2, a -> 6
    3, b -> 1
    4, a -> 4
    5, b -> 1
    6, b -> 4
    7, a -> 3
Nach Vorlesung korrespondiert jeder Zustand von MM' zu einer Residualsprache. Geben Sie für jeden Zustand das kürzeste Wort an, das in der entsprechenden Residualsprache liegt. Falls es mehrere passende kürzeste Wörter gibt, geben Sie das alphabetisch kleinste davon an. Falls die entsprechende Residualsprache leer ist, geben Sie stattdessen „\emptyset" an.
0: ε\varepsilon
1: abab
2: bb
3: ε\varepsilon
4: baabaa
5: aaaa
6: aa
7: ε\varepsilon

Subproblem e (3.0/3.0P)

Sei L:={wcwR:w{a,b}}{a,b,c}L := \{wcw^R:w \in\{a,b\}^*\}\subseteq\{a,b,c\}^*. Es gilt also z.B. c,abcbaLc,abcba\in L und ε,abba,abcabL\varepsilon,abba,abcab\notin L.

Sei n0n\geq 0 beliebig. Bestimmen Sie die folgenden Residualsprachen und geben Sie sie als Mengen an.
Lanbnc={bnan}L^{a^nb^nc}=\{b^na^n\}
Lcban=L^{cba^n}=\emptyset
Lan={ycyRany{a,b}}L^{a^n}=\{y c y^R a^n \mid y \in \{a,b\}^*\}

Subproblem f (4.0/4.0P)

Sei L:={anbm:n,m0nm}L := \{a^nb^m:n,m\ge0\wedge n\ne m\}. Zeigen Sie, dass LL nicht regulär ist, indem Sie für jedes nNn\in\N ein Wort wn{a,b}w_n\in\{a,b\}^* angeben, sodass Lw0,Lw1,...L^{w_0},L^{w_1},... paarweise verschieden sind, und beweisen Sie dies.
wn:=anw_n := a^n

Beweis LwiLwjL^{w_i} \ne L^{w_j} für i,jN,iji,j \in \mathbb{N}, i \ne j:
Sei iji \ne j. Betrachte das Wort bib^i. Da iji \ne j gilt, ist ajbiLa^j b^i \in L, weil die Anzahl der a's jj und der b's ii ist und jij \ne i. Thus, biLajb^i \in L^{a^j}. however, aibiLa^i b^i \notin L, weil i=ii = i, also biLaib^i \notin L^{a^i}. Daher ist LaiLajL^{a^i} \ne L^{a^j}.

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.

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

Exercise 5: Kontextfreie Sprachen

Gegeben sind folgende drei Sprachen über dem Alphabet Σ:={a,b}\Sigma := \{a,b\}:
L1:={aibjak:(i=jj=k)i,j,k0}L_1 := \{a^ib^ja^k : (i = j\vee j = k)\wedge i,j,k\geq 0\}
L2:={anw:wΣwnn>0}L_2 := \{a^nw : w\in \Sigma^* \wedge |w|\geq n\wedge n>0\}
L3:={aibjak:j>i+ki,j,k0}L_3 := \{a^ib^ja^k : j>i + k\wedge i,j,k\geq 0\}

Subproblem a (4.0/6.0P)

Geben Sie kontextfreie Grammatiken für L1,L2,L3L_1,L_2,L_3 mit jeweils höchstens 5 Nichtterminalen und 10 Produktionen an.

Hinweis: Sie dürfen ε\varepsilon-Produktionen verwenden.
Grammatik für L1L_1:
S -> A E | E B
A -> a A b | ε
B -> b B a | ε
E -> a E | ε

Grammatik für L2L_2:
S -> a S A | a A
A -> a | b | a A | b A

Grammatik für L3L_3:
S -> a S a | a S | S a | b S | b
2: wrong language: generates ab

Subproblem b (4.0/4.0P)

Genau eine der drei Sprachen ist sogar regulär. Entscheiden Sie welche und geben Sie einen regulären Ausdruck an, der die gleiche Sprache beschreibt.
L1L_1L2L_2L3L_3
Regulärer Ausdruck: aΣΣa\Sigma\Sigma^*
0: mismatch
0: could not parse value a\Sigma\Sigma^* for type re

Subproblem c (3.0/3.0P)

Untenstehend finden Sie einen PDA MM, der mit leerem Keller akzeptiert und das initiale Kellerzeichen ZZ verwendet. Bestimmen Sie für jede Sprache Li{L1,L2,L3}L_i\in\{L_1,L_2,L_3\} jeweils, ob Lϵ(M)=LiL_\epsilon(M)=L_i gilt. Falls nein, geben Sie ein Wort ww mit Länge höchstens 2 an, sodass ww in genau einer der Sprachen Lϵ(M)L_\epsilon(M) und LiL_i ist.

Hinweis: Es gilt Lϵ(M)=LiL_\epsilon(M)=L_i für genau ein i{1,2,3}i\in\{1,2,3\}.
Die Transition „q,a,Xp,YZq, a, X \rightarrow p, YZ“ eines PDAs bedeutet, das der PDA in Zustand qq ist, Zeichen aa liest, und das oberste Stacksymbol XX hat. Anschließend geht der PDA in Zustand pp, nimmt XX vom Stack, und legt YZYZ auf den Stack (YY ist oben). Eine Transition mit a=εa=\varepsilon ist erlaubt, in dem Fall wird kein Zeichen eingelesen.
PDA M:
Zustände: q0, q1, q2, q3
Startzustand: q0
Initialzeichen: Z
Transitionen:
    q0, a, A -> q0, AA
    q0, a, Z -> q0, AZ
    q0, ε, A -> q1, A
    q0, ε, Z -> q1, Z
    q1, b, A -> q1, ε
    q1, b, Z -> q2, B
    q2, b, B -> q2, BB
    q2, ε, B -> q3, ε
    q3, a, B -> q3, ε
    q3, ε, B -> q3, ε
L1=Lϵ(M)L_1=L_\epsilon(M)L1Lϵ(M)L_1\neq L_\epsilon(M)L2=Lϵ(M)L_2=L_\epsilon(M)L2Lϵ(M)L_2\neq L_\epsilon(M)L3=Lϵ(M)L_3=L_\epsilon(M)L3Lϵ(M)L_3\neq L_\epsilon(M)
L1L_1: aa
L2L_2: aaaa
L3L_3: -

Exercise 6: Quiz: Berechenbarkeit und Komplexität

Teilaufgaben (a-e): Für diese Fragen ist eine Begründung nicht gefordert. Sie erhalten die Punkte auf eine Teilaufgabe genau dann, wenn Sie alle Antwortmöglichkeiten korrekt angekreuzt haben.
Es ist immer mindestens eine Antwortmöglichkeit richtig.

In dieser Aufgabe verwenden wir durchgehend das Alphabet Σ:={0,1}\Sigma:=\{0,1\}.

Subproblem a (2.0/2.0P)

Welche der folgenden Sprachen sind entscheidbar?
{wΣ:φw ist total}\{w\in\Sigma^* :\varphi_w \text{ ist total}\}{wΣ:φw(0)=0}\{w\in\Sigma^* :\varphi_w(0) = 0\}{wΣ:φw ist berechenbar}\{w \in \Sigma^* :\varphi_w \text{ ist berechenbar}\}

Subproblem b (2.0/2.0P)

Sei LL eine beliebige unentscheidbare Sprache und aΣa\in\Sigma. Welche der folgenden Aussagen sind wahr?

Hinweis: LaL^a ist die Residualsprache bezüglich aa von LL.
L\overline L ist unentscheidbarLaL^a ist unentscheidbarEs gibt keine TM MM mit L(M)=LL(M) = L

Subproblem c (2.0/2.0P)

Sei MM eine beliebige deterministische Turingmaschine, sodass es eine Eingabe wΣw \in \Sigma^* gibt, auf der MM unendlich viele Schritte macht. Welche Aussagen sind wahr?
wL(M)w \notin L(M)L(M)L(M) ist unentscheidbarL(M)L(M) ist semi-entscheidbar

Subproblem d (2.0/2.0P)

Welche Aussagen sind wahr?
Jede reguläre Sprache ist in NP\text{NP}.Jede kontextfreie Sprache ist in P\text{P}.Sei LPL \in \text{P}. Dann gilt LNP\overline L \in \text{NP}.

Subproblem e (2.0/2.0P)

Angenommen, PNP\text{P} \neq \text{NP}. Seien A,BΣA,B\subseteq\Sigma^* beliebige Sprachen, sodass ANPA \in \text{NP} und BB NP\text{NP}-vollständig ist. Welche Aussagen sind wahr?
ABA \subseteq BBAB \subseteq AApBA \leq_p BBpAB \leq_p A

Subproblem f (4.0/4.0P)

Seien A,BΣA,B\subseteq\Sigma^* beliebige Sprachen, sodass AA unentscheidbar ist. Zeigen oder widerlegen Sie: Mindestens eine der Sprachen ABA \cup B und ABA \cup \overline B ist unentscheidbar.
WahrFalsch
Angenommen, sowohl ABA \cup B als auch ABA \cup \overline{B} sind entscheidbar. Da entscheidbare Sprachen unter Schnitt abgeschlossen sind, ist auch (AB)(AB)(A \cup B) \cap (A \cup \overline{B}) entscheidbar. Es gilt:
(AB)(AB)=A(BB)=A=A.
(A \cup B) \cap (A \cup \overline{B}) = A \cup (B \cap \overline{B}) = A \cup \emptyset = A.

Somit wäre AA entscheidbar, was ein Widerspruch zur Voraussetzung ist, dass AA unentscheidbar ist. Daher muss mindestens eine der Sprachen ABA \cup B oder ABA \cup \overline{B} unentscheidbar sein.

Exercise 7: Reduktion

Zeigen Sie für jedes der folgenden Probleme AA entweder, dass es in P\mathsf{P} liegt, oder, dass es NP\mathsf{NP}-hart ist.
Geben Sie hierfür jeweils eine geeignete polynomielle Reduktion an und begründen Sie deren Korrektheit.

Reduktionsfunktionen müssen präzise definiert sein und Sie müssen klar angeben, welche Probleme Sie reduzieren. Die Korrektheit der Reduktion müssen Sie aber nur skizzieren und nicht formal beweisen.

Achtung: Auch um zu zeigen, dass das Problem in P\mathsf{P} liegt, ist eine Reduktion anzugeben!

Hinweis: Um zu zeigen, dass ein Problem AA in P\mathsf{P} liegt, geben Sie eine Reduktion ApBA\le_p B für ein BPB\in\mathsf{P} an, reduzieren Sie also AA auf ein Problem BB, von dem wir wissen, dass es in P\mathsf{P} liegt, z.B. 2COL\mathsf{2COL} oder 2KNF-SAT\mathsf{2KNF\text{-}SAT}.

Um zu zeigen, dass ein Problem AA NP\mathsf{NP}-hart ist, geben Sie eine Reduktion BpAB\le_p A an, wobei BB ein bekanntes NP-hartes Problem ist, etwa 3COL\mathsf{3COL}, SAT\mathsf{SAT}, oder CLIQUE\mathsf{CLIQUE}.

Subproblem a (6.0/6.0P)

Gegeben: Drei KNF-Formeln F1,F2,F3F_1, F_2, F_3 mit Variablen aus VV.

Problem AA: Gibt es eine Belegung σ:V{0,1}\sigma:V\rightarrow\{0,1\}, die genau zwei der drei Formeln erfüllt?
APA\in\mathsf{P}AA ist NP\mathsf{NP}-hart
Reduktion: SATpA\mathsf{SAT} \le_p A
Begründung:
Gegeben eine SAT\mathsf{SAT}-Instanz FF mit Variablenmenge XX. Wir definieren eine Instanz von AA wie folgt: Sei V=X{t,u}V = X \cup \{t, u\} mit neuen Variablen tt und uu. Definiere die drei KNF-Formeln:
- F1=FF_1 = F
- F2F_2 als die KNF-Formel, die nur die Klausel (t¬t)(t \lor \neg t) enthält (immer erfüllt).
- F3F_3 als die KNF-Formel, die die Klauseln (u)(u) und (¬u)(\neg u) enthält (immer unerfüllt).

Dann gilt: FF ist erfüllbar genau dann, wenn es eine Belegung gibt, die genau zwei der drei Formeln erfüllt.
- Wenn FF erfüllbar ist, gibt es eine Belegung σ\sigma, die FF erfüllt. Erweitere σ\sigma beliebig auf tt und uu (z.B. beide 0). Dann erfüllt σ\sigma F1F_1 und F2F_2 (da F2F_2 immer wahr), aber nicht F3F_3, also genau zwei.
- Wenn FF nicht erfüllbar ist, dann für jede Belegung: F1F_1 nicht erfüllt, F2F_2 immer erfüllt, F3F_3 nie erfüllt, also nur F2F_2 erfüllt, also genau eine, nicht zwei.

Daher ist die Reduktion korrekt und polynomiell.

Subproblem b (8.0/8.0P)

Gegeben: Eine 2KNF-Formel FF mit Variablenmenge V={x1,...,xn}V=\{x_1, ..., x_n\}, eine Menge {1,...,l}\{1, ..., l\} von Farben (mit l>0l>0) und eine Funktion g:V{1,...,l}g: V \to \{1 ,...,l\}, die jeder Variable eine Farbe zuordnet.

Problem AA: Gibt es eine erfüllende Belegung σ\sigma, sodass alle Variablen, die von σ\sigma zu Wahr gesetzt werden, unterschiedliche Farben haben? Formal: gibt es eine erfüllende Belegung σ:V{0,1}\sigma:V\rightarrow\{0,1\} mit g(xi)g(xj)g(x_i) \neq g(x_j) für alle i<jni<j \leq n mit σ(xi)=1=σ(xj)\sigma(x_i)=1= \sigma(x_j)?
APA\in\mathsf{P}AA ist NP\mathsf{NP}-hart
Reduktion: Ap2KNF-SATA \le_p \mathsf{2KNF\text{-}SAT}
Begründung:
Gegeben eine Instanz von AA: eine 2KNF-Formel FF mit Variablenmenge VV, eine Farbmenge {1,,l}\{1, \dots, l\} und eine Funktion g:V{1,,l}g: V \to \{1, \dots, l\}. Wir konstruieren eine neue 2KNF-Formel FF' wie folgt: FF' enthält alle Klauseln von FF. Zusätzlich fügen wir für jede Farbe cc und für jedes Paar distincter Variablen x,yVx, y \in V mit g(x)=g(y)=cg(x) = g(y) = c die Klausel (¬x¬y)(\neg x \lor \neg y) hinzu. Da alle Klauseln in FF' höchstens zwei Literale haben, ist FF' eine 2KNF-Formel.

Korrektheit: Wenn FF' erfüllbar ist, gibt es eine Belegung σ\sigma, die FF' erfüllt. Da FF' FF enthält, erfüllt σ\sigma auch FF. Die hinzugefügten Klauseln (¬x¬y)(\neg x \lor \neg y) für gleiche Farben stellen sicher, dass für jede Farbe cc höchstens eine Variable mit Farbe cc auf Wahr gesetzt ist, also alle auf Wahr gesetzten Variablen unterschiedliche Farben haben. Umgekehrt, wenn es eine erfüllende Belegung σ\sigma für FF gibt, bei der alle auf Wahr gesetzten Variablen unterschiedliche Farben haben, dann erfüllt σ\sigma auch alle hinzugefügten Klauseln (¬x¬y)(\neg x \lor \neg y), da für gleiche Farben nicht beide Variablen wahr sein können. Thus, σ\sigma erfüllt FF'. Daher ist die Instanz von AA genau dann ja, wenn FF' erfüllbar ist.

Die Reduktion ist polynomiell, da die Anzahl der hinzugefügten Klauseln durch O(V2)O(|V|^2) beschränkt ist. Da 2KNF-SATP\mathsf{2KNF\text{-}SAT} \in \mathsf{P}, folgt APA \in \mathsf{P}.

Exercise 8: Bonus

Die Punkte dieser Aufgabe sind Bonuspunkte, d.h. sie zählen wie normale Punkte, werden bei der Berechnung des Notenschemas jedoch außer Acht gelassen.

Mindestens eine Antwortmöglichkeit ist immer richtig.

Subproblem a (2.0/2.0P)

Sei Σ:={a,b}\Sigma := \{a,b\}. Für welche der folgenden Sprachen LiL_i, wobei i{1,2,3}i\in\{1,2,3\}, gilt, dass (Li)(L_i)^* nicht regulär ist? (Es können mehrere sein.) Wählen Sie ein solches ii und begründen Sie kurz, dass (Li)(L_i)^* nicht regulär ist.
L1:={(ab)n:nN}L_1 := \{(ab)^n:n\in\mathbb{N}\}L2:={anbn:nN}L_2 := \{a^nb^n:n\in\mathbb{N}\}L3:={anbm:n,mNnm}L_3 := \{a^nb^m:n,m\in\mathbb{N}\wedge n\ne m\}
Begründung für i=2:
Wenn (L₂)* regulär wäre, dann wäre der Schnitt mit der regulären Sprache a*b* auch regulär. jedoch ist (L₂)* ∩ a*b* = L₂, und L₂ ist nicht regulär (da es die Sprache {a^n b^n | n ∈ ℕ} ist, die nicht regulär ist). Daher kann (L₂)* nicht regulär sein.

Subproblem b (1.0/1.0P)

Gibt es eine kontextfreie Grammatik GG in Chomsky-Normalform mit höchstens 66 Produktionen und L(G)={a12,a9}L(G)=\{a^{12},a^9\}? Falls ja, geben Sie eine solche Grammatik an, falls nein, begründen Sie dies kurz.
Ja, Grammatik:Nein, Begründung:
S → C D | D D  
C → A B  
B → A A  
A → a  
D → C C

Subproblem c (2.0/2.0P)

Sei L{0,1}L\subseteq\{0,1\}^* eine beliebige kontextfreie und nicht reguläre Sprache. Welche der folgenden Aussagen sind wahr? (Es können mehrere sein.) Wählen Sie eine solche Aussage und begründen Sie kurz, wieso diese Aussage wahr ist.
Es gibt eine unentscheidbare Sprache LLL'\subseteq L.Jede Sprache LLL'\subseteq L ist entscheidbar.
Begründung für Aussage 1:
Da L kontextfrei und nicht regulär ist, muss L unendlich sein (alle endlichen Sprachen sind regulär). Unendliche Sprachen haben überabzählbar viele Teilmengen, aber es gibt nur abzählbar viele entscheidbare Sprachen. Daher muss es unentscheidbare Teilmengen L' ⊆ L geben.