Exam 2024_endterm.txt — qwen/qwen3-235b-a22b

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 2.0/3.0 4.0/4.0 17.0/18.0
3: NFA-Konstruktion 0.0/3.0 7.0/7.0 3.0/3.0 10.0/13.0
4: NFA zu regulärem Ausdruck 0.0/9.0 3.0/3.0 3.0/12.0
5: Kontextfreie Sprachen 6.0/6.0 4.0/4.0 3.0/3.0 13.0/13.0
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 0.0/1.0 2.0/2.0 4.0/5.0
Exam total 88.0/105.0

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=((ab)(ab))r_1=((a|b)(a|b))^*  
r2=(bab)r_2=(b|ab)^*  
r3=(ab+b(ab)b)r_3=(ab + b(ab)^*b)^*

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)
Falsch. Die Residualsprachen einer Sprache sind eindeutig bestimmt und entsprechen den Zuständen des minimalen DFAs. Da der gegebene DFA M nicht minimal ist (Zustände 0 und 1 sind äquivalent), hat jede Sprache mit denselben Residualsprachen denselben minimalen DFA wie M und damit dieselbe Sprache. Daher kann es keinen solchen DFA M' geben.

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:
Die Menge SS ergibt sich aus den Zuständen, deren Äquivalenzklasse nur aus sich selbst besteht. Aus der Tabelle aus Teilaufgabe a lässt sich ablesen:
- Zustand 2 ist zu keinem anderen Zustand äquivalent (alle Paare (2,p)(2,p) mit p2p \neq 2 haben ein unterscheidendes Wort).
- Zustand 5 ist ebenfalls zu keinem anderen Zustand äquivalent (alle Paare (5,p)(5,p) mit p5p \neq 5 unterscheiden sich bereits durch das leere Wort ε\varepsilon, da 5 ein Endzustand ist und alle anderen Zustände nicht).

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 (2.0/3.0P)

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^n a^n\}  
Lcban=L^{cba^n}=\emptyset  
Lan={am0mn,mn(mod2)}{xcxRanx{a,b}}L^{a^n}=\{a^m \mid 0 \leq m \leq n, m \equiv n \pmod{2}\} \cup \{x c x^R a^n \mid x \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\N,i\ne j:
Seien iji \ne j. Betrachte das Suffix s=bis = b^i. Dann gilt:
- ajs=ajbiLa^j s = a^j b^i \in L, da jij \ne i (wegen iji \ne j), also sLajs \in L^{a^j}.
- ais=aibiLa^i s = a^i b^i \notin L, da i=ii = i, also sLais \notin L^{a^i}.

Daher unterscheiden sich LaiL^{a^i} und LajL^{a^j} durch das Suffix ss, sind also paarweise verschieden.

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.

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

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 (6.0/6.0P)

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 B | C D  
A → a A b | ε  
B → a B | ε  
C → a C | ε  
D → b D a | ε  

Grammatik für L2L_2:
S → a X  
X → a X Y | Y  
Y → a Y | b Y | a | b  

Grammatik für L3L_3:
S → A B C  
A → a A b | ε  
B → b B | b  
C → b C a | ε

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: a(ab)+a(a|b)^+

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)
Wort, falls LiLϵ(M)L_i\neq L_\epsilon(M), sonst „-“.
L1L_1: abab
L2L_2: abab
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
Beweis durch Widerspruch:  
Angenommen, sowohl ABA \cup B als auch ABA \cup \overline{B} sind entscheidbar.  
1. Schnitt der Sprachen:  
   Der Schnitt (AB)(AB)(A \cup B) \cap (A \cup \overline{B}) ist gleich A(BB)=A=AA \cup (B \cap \overline{B}) = A \cup \emptyset = A.  
2. Abschlusseigenschaft:  
   Da entscheidbare Sprachen unter Durchschnitt abgeschlossen sind, folgt aus der Entscheidbarkeit von ABA \cup B und ABA \cup \overline{B} auch die Entscheidbarkeit von AA.  
3. Widerspruch:  
   Dies widerspricht der Voraussetzung, dass AA unentscheidbar ist.  
Fazit: Mindestens eine der Sprachen ABA \cup B oder ABA \cup \overline{B} muss 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 KNF-Formel FF, konstruieren wir drei Formeln F1=FF_1 = F, F2=xF_2 = x, F3=¬xF_3 = \neg x, wobei xx eine neue Variable ist.  
- Korrektheit:  
  - Wenn FF erfüllbar ist, existiert eine Belegung σ\sigma', die FF erfüllt. Setze x=1x = 1 (erfüllt F2F_2) oder x=0x = 0 (erfüllt F3F_3). In beiden Fällen wird genau eine der beiden Formeln F2F_2 oder F3F_3 erfüllt, während F1F_1 erfüllt ist. Somit gibt es eine Belegung, die genau zwei Formeln erfüllt.  
  - Wenn AA eine positive Antwort hat, gibt es eine Belegung σ\sigma, die genau zwei der drei Formeln erfüllt. Da F2F_2 und F3F_3 sich gegenseitig ausschließen (xx und ¬x\neg x), muss F1=FF_1 = F erfüllt sein. Somit ist FF erfüllbar.  
Die Reduktion ist polynomiell, da F1,F2,F3F_1, F_2, F_3 direkt aus FF konstruiert werden können.

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: Ap2SATA \le_p \mathsf{2SAT}  
Begründung:  
Gegeben eine Instanz von AA mit 2KNF-Formel FF, Farbfunktion gg, konstruieren wir eine neue 2KNF-Formel FF', indem wir für alle Paare von Variablen xi,xjx_i, x_j mit g(xi)=g(xj)g(x_i) = g(x_j) die Klausel (¬xi¬xj)(\neg x_i \lor \neg x_j) hinzufügen.  
- Korrektheit:  
  - Jede erfüllende Belegung von FF' erfüllt automatisch FF und stellt sicher, dass keine zwei Variablen gleicher Farbe gleichzeitig wahr sind (durch die hinzugefügten Klauseln).  
  - Umgekehrt erfüllt jede Belegung, die AA löst, auch FF', da sie FF erfüllt und die Farbbegrenzung einhält.  
- Polynomielle Laufzeit:  
  Für jede Farbe cc mit kck_c Variablen entstehen (kc2)\binom{k_c}{2} Klauseln. Die Gesamtzahl der Klauseln ist in O(n2)O(n^2), was polynomiell bleibt.  
Da 2SATP\mathsf{2SAT} \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=2i=2:
Die Sprache L2={anbn:nN}L_2 = \{a^nb^n : n \in \mathbb{N}\} ist bekanntermaßen nicht regulär (Beweis z.B. mit dem Pumping-Lemma). Wir zeigen, dass (L2)(L_2)^* ebenfalls nicht regulär ist. Angenommen, (L2)(L_2)^* wäre regulär. Dann gäbe es eine Pumping-Lemma-Konstante pp. Betrachte das Wort w=apbpapbp(L2)w = a^pb^pa^pb^p \in (L_2)^*. Zerlege w=xyzw = xyz mit xyp|xy| \leq p und y1|y| \geq 1. Da xyp|xy| \leq p, besteht yy nur aus aa's. Pumpen wir yy auf xy0zxy^0z, erhalten wir apkbpapbpa^{p-k}b^pa^pb^p für ein k1k \geq 1. Dieses Wort lässt sich nicht als Konkatenation von Wörtern aus L2L_2 darstellen, da der erste Block apkbpa^{p-k}b^p nicht in L2L_2 liegt (ungleiche Anzahl an aa's und bb's). Dies widerspricht dem Pumping-Lemma, also ist (L2)(L_2)^* nicht regulär.

Subproblem b (0.0/1.0P)

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 → XD | DD  
X → AB  
B → AA  
A → a  
D → XX  
(Alle Produktionen in CNF mit insgesamt 6 Regeln)
0: could not parse value
    S → XD | DD
    X → AB
    B → AA
    A → a
    D → XX
    (Alle Produktionen in CNF mit insgesamt 6 Regeln)
for type cfg

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 11 (1 oder 2):
Da LL eine überabzählbare Teilmenge von {0,1}\{0,1\}^* ist und unendlich viele Elemente enthält, besitzt LL überabzählbar viele Teilmengen LLL' \subseteq L. Die Menge aller entscheidbaren Sprachen ist jedoch abzählbar, da Turing-Maschinen abzählbar sind. Somit muss es notwendigerweise Teilmengen LL' von LL geben, die nicht entscheidbar sind. Dies gilt unabhängig davon, dass LL selbst kontextfrei (und damit entscheidbar) ist. Daher ist Aussage 11 wahr.