Exam 2024_retake.txt — openai/gpt-5
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 | 3.0/3.0 | 16.0/16.0 |
2: DFA-Algorithmen | 6.0/6.0 | 1.0/1.0 | 4.0/4.0 | 2.0/2.0 | 5.0/5.0 | 18.0/18.0 | ||
3: Rekursive Funktionen | 1.0/1.0 | 5.0/6.0 | 6.0/6.0 | 12.0/13.0 | ||||
4: CFG-Algorithmen | 2.0/2.0 | 2.0/2.0 | 3.0/3.0 | 3.0/3.0 | 2.0/3.0 | 12.0/13.0 | ||
5: Verlorene Buchsten | 1.0/1.0 | 2.0/2.0 | 7.0/7.0 | 2.0/2.0 | 12.0/12.0 | |||
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 | 4.0/4.0 | 3.0/3.0 | 7.0/7.0 | 14.0/14.0 | ||||
8: Bonus | 2.0/2.0 | 1.0/1.0 | 2.0/2.0 | 5.0/5.0 | ||||
Exam total | 103.0/105.0 |
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.
In dieser Aufgabe verwenden wir durchgehend das Alphabet .
Subproblem a (2.0/2.0P)
Prompt
system:You are an AI assistant specializing in theoretical computer science. Your task is to answer a series of exam questions, providing accurate and well-reasoned responses that demonstrate a deep understanding of theoretical computer science concepts.
# Instructions
You must follow the given answer format.
If the exercises contains yes or no questions for you to answer, there will be one <option> element for each such question. You must answer these with either 0 or 1.
For longer answers, there will be <answer> elements. If the answer must follow a specific template, a corresponding <answer-template> element defines this template, and you MUST follow it precisely when providing your <answer>, as any deviations from the template will cause your answer to be invalid. A '?' symbol indicates a place for you to insert a short text, while a '???' symbol marks places for you to insert multi-line answers. To define the precise syntax to use, an <example> element may be provided. You MUST follow this syntax. However, note that the answers in the example may not be correct answers to the question.
Some questions relate to specific lecture material. In this case, the material will be provided in <context> elements for you to reference.
## Formatting
Always follow the format of the given exercise. If you are writing longer text, you can put text in *italics* or make it **bold**. Formulas should be given as LaTeX and enclosed properly, i.e. $...$ or \[...\].
user:# Exercise: 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.**
In dieser Aufgabe verwenden wir durchgehend das Alphabet $\Sigma := \{a, b\}$.
## subproblem a (2.0 points)
Welche der folgenden Sprachen sind Residualsprachen von $L((bba)^*b)$?
<options>
<option id="1">$\{b\}$</option>
<option id="2">$L(ba(bba)^*b | \varepsilon)$</option>
<option id="3">$\emptyset$</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
Thoughts
**Computing derivatives for regex** I'm analyzing the language represented by the regular expression (bba)^* b. This means it's about strings that end with certain patterns based on how prefixes are structured. I can use Brzozowski's derivative method here. I define L0 as (bba)^* b and compute derivatives with respect to the letters 'b' and 'a'. I need to carefully derive the set of residuals by examining both NFA and DFA related to the regex. I start with R0 = L0 and calculate derivatives systematically.**Determining residual languages** So, if k = 0, then ε must be included in D_b(L0). That means ε is part of D_b(L0). If k ≥ 1, we have (bba)^k b equals bba (bba)^{k-1} b, starting with 'b'. Removing the first 'b' gives us w = ba (bba)^{k-1} b. Thus, D_b(L0) can be expressed as { ε } ∪ { ba (bba)^{n} b | n ≥ 0 }, which matches option 2. However, for D_a(L0), since strings in L0 start with 'b', D_a(L0) is empty. So, option 3 is indeed the empty set.**Examining potential residuals** So, I'm confirming that option 3 is TRUE. Now, I want to check if {b} is a residual by seeing if a string u exists such that u^{-1} L0 = {b}. I’ve computed D_b(L0) already, so now I need to derive from that to find other residuals. This involves checking derivatives with 'a' and 'b', which should yield finite right contexts according to Myhill-Nerode. Starting with R0 = L0 and defining Rb as D_b(R0) gives us ε ∪ ba(bba)^* b. I'll denote these languages as S0 and S1, and proceed to compute D_b(S1).**Calculating derivatives for languages** I realized that the derivative of the language {ε} with respect to 'b' gives an empty set, because there's no string w that can make b w belong to {ε}. Now, for D_b of ba (bba)^* b, strings w must start with 'b' and align with ba..., leading me to conclude that w must actually belong to a (bba)^* b. So, D_b(S1) becomes a (bba)^* b, which I’ll call S2. Next, when computing D_b(S2), I find that since the right side starts with 'a', there can't be any strings starting with 'b,' so it results in an empty set again. Also, D_a(S1) results in an empty set.**Identifying accepting states and residuals** In this DFA, any deviation from the expected pattern leads to a sink state, which doesn't accept any words. I need to determine which states are accepting. Based on my analysis, pos2 is an accepting state because after reading 'b' from pos1, we land there, and 'b' is in the language L. The accepting state is pos2, while positions pos1, pos3, and sink are non-accepting. For the residual languages at these states, I see that at pos1, the residual is L0; at pos2, it's S1; at pos3, it’s S2; and from the sink, it’s the empty set. When I check for the specific set {b}, it isn't a residual because no state solely accepts that suffix. I conclude that options 1 and 2 are false and true, respectively. Importantly, I confirm that Option 2 equals D_b(L). Let's finalize this systematically.
Answer
<option id="1">0</option> <option id="2">1</option> <option id="3">1</option>
Welche der folgenden Sprachen sind Residualsprachen von ?
☐☒☒
Subproblem b (2.0/2.0P)
Prompt
system:You are an AI assistant specializing in theoretical computer science. Your task is to answer a series of exam questions, providing accurate and well-reasoned responses that demonstrate a deep understanding of theoretical computer science concepts.
# Instructions
You must follow the given answer format.
If the exercises contains yes or no questions for you to answer, there will be one <option> element for each such question. You must answer these with either 0 or 1.
For longer answers, there will be <answer> elements. If the answer must follow a specific template, a corresponding <answer-template> element defines this template, and you MUST follow it precisely when providing your <answer>, as any deviations from the template will cause your answer to be invalid. A '?' symbol indicates a place for you to insert a short text, while a '???' symbol marks places for you to insert multi-line answers. To define the precise syntax to use, an <example> element may be provided. You MUST follow this syntax. However, note that the answers in the example may not be correct answers to the question.
Some questions relate to specific lecture material. In this case, the material will be provided in <context> elements for you to reference.
## Formatting
Always follow the format of the given exercise. If you are writing longer text, you can put text in *italics* or make it **bold**. Formulas should be given as LaTeX and enclosed properly, i.e. $...$ or \[...\].
user:# Exercise: 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.**
In dieser Aufgabe verwenden wir durchgehend das Alphabet $\Sigma := \{a, b\}$.
## subproblem a (2.0 points)
Welche der folgenden Sprachen sind Residualsprachen von $L((bba)^*b)$?
<options>
<option id="1">$\{b\}$</option>
<option id="2">$L(ba(bba)^*b | \varepsilon)$</option>
<option id="3">$\emptyset$</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
assistant:<option id="1">0</option>
<option id="2">1</option>
<option id="3">1</option>
user:
## subproblem b (2.0 points)
Sei $L \subseteq \Sigma^*$ eine Sprache mit $LL = \Sigma^*$. Welche Aussagen sind wahr?
<options>
<option id="1">$L$ ist unendlich</option>
<option id="2">$\varepsilon \in L$</option>
<option id="3">$LLL = \Sigma^*$</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
Answer
<option id="1">1</option> <option id="2">1</option> <option id="3">1</option>
Sei eine Sprache mit . Welche Aussagen sind wahr?
☒ ist unendlich☒☒
Subproblem c (2.0/2.0P)
Prompt
system:You are an AI assistant specializing in theoretical computer science. Your task is to answer a series of exam questions, providing accurate and well-reasoned responses that demonstrate a deep understanding of theoretical computer science concepts.
# Instructions
You must follow the given answer format.
If the exercises contains yes or no questions for you to answer, there will be one <option> element for each such question. You must answer these with either 0 or 1.
For longer answers, there will be <answer> elements. If the answer must follow a specific template, a corresponding <answer-template> element defines this template, and you MUST follow it precisely when providing your <answer>, as any deviations from the template will cause your answer to be invalid. A '?' symbol indicates a place for you to insert a short text, while a '???' symbol marks places for you to insert multi-line answers. To define the precise syntax to use, an <example> element may be provided. You MUST follow this syntax. However, note that the answers in the example may not be correct answers to the question.
Some questions relate to specific lecture material. In this case, the material will be provided in <context> elements for you to reference.
## Formatting
Always follow the format of the given exercise. If you are writing longer text, you can put text in *italics* or make it **bold**. Formulas should be given as LaTeX and enclosed properly, i.e. $...$ or \[...\].
user:# Exercise: 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.**
In dieser Aufgabe verwenden wir durchgehend das Alphabet $\Sigma := \{a, b\}$.
## subproblem a (2.0 points)
Welche der folgenden Sprachen sind Residualsprachen von $L((bba)^*b)$?
<options>
<option id="1">$\{b\}$</option>
<option id="2">$L(ba(bba)^*b | \varepsilon)$</option>
<option id="3">$\emptyset$</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
assistant:<option id="1">0</option>
<option id="2">1</option>
<option id="3">1</option>
user:
## subproblem b (2.0 points)
Sei $L \subseteq \Sigma^*$ eine Sprache mit $LL = \Sigma^*$. Welche Aussagen sind wahr?
<options>
<option id="1">$L$ ist unendlich</option>
<option id="2">$\varepsilon \in L$</option>
<option id="3">$LLL = \Sigma^*$</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
assistant:<option id="1">1</option>
<option id="2">1</option>
<option id="3">1</option>
user:
## subproblem c (2.0 points)
Sei $L \subseteq \Sigma^*$ regulär. Welche der folgenden Sprachen sind regulär?
<options>
<option id="1">$\{u^R v \mid u, v \in L\}$</option>
<option id="2">$\{u^R u \mid u \in L\}$</option>
<option id="3">$\{uv \mid u, v \in L \land |u| = |v|\}$</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
Thoughts
**Analyzing regular languages** I want to tackle subproblem c, which involves identifying if certain languages are regular. I've got the first option: { u^R v | u, v ∈ L }. Since this is essentially L^R concatenated with L and regular languages maintain closure under reversal and concatenation, it seems likely that it’s regular. I’ll ensure that the elements correspond correctly, and since L is regular, it follows that L^R is also regular. Hence, I'm concluding that this language is indeed regular.**Examining the second option** For option 2, I'm thinking it should be { u^R u | u ∈ L }. This forms the set of strings that are the reverse of some u in L followed by u. It looks like (L^R)L, but here there's a constraint that both halves must correspond to the same u. This creates a situation where the set includes even-length palindromes, but not exactly palindromes. It resembles a classic non-regular language, specifically { ww^R | w ∈ Σ*}, which is context-free but not regular. I’m wondering if this means {u^R u | u ∈ L} will always be non-regular for any regular L.**Determining regularity of languages** I’m looking at whether the resulting language is regular for all arbitrary regular languages L. If I find one regular L that leads to a non-regular outcome, it indicates that the set isn’t closed. So, let’s consider L = Σ*. In this case, { u^R u | u ∈ Σ* } becomes the language of even-length palindromes, which is not regular. Therefore, option 2 is not regular in general. Now for option 3, { u v | u, v ∈ L ∧ |u| = |v| }, I'm questioning if this is regular for any arbitrary regular L. It doesn’t seem to be necessarily regular. There’s a relevant set S = {xy | x ∈ L, y ∈ L, |x|=|y| }, and I can also think of it as a union over n≥0 of (L ∩ Σ^n)(L ∩ Σ^n). This implies a union over finite intersections, which complicates it further.**Exploring options for non-regularity** I’m diving into whether the union and intersection of regular languages will yield a non-regular language. Each (L ∩ Σ^n) is regular because Σ^n is regular, and concatenation maintains regularity. However, regular languages aren’t closed under infinite unions. I want to find a regular L such that S becomes non-regular. Let’s consider L = Σ*. In that case, S turns out to be regular. So, I shift to L = a* b*. This construct gives S = { u v | u, v ∈ a* b*, |u| = |v| }. The strings are in the form of a^i b^j, and I need to explore further if concatenating equal lengths leads to non-regularity by choosing appropriate values for u and v.**Assessing non-regularity in strings** I’m analyzing the product string as a^i b^j a^k b^l, checking if S = { a^i b^j a^k b^l | i,j,k,l ≥0, i+j = k+l } is regular. I suspect it might not be. After testing intersections and exploring homomorphism mappings, I consider L as a* b. This leads to S = { a^i b a^i b | i≥0 }, which is non-regular. Therefore, option 3 isn’t guaranteed to be regular for all L. I’ll confirm my earlier findings for options 1 and 2 before finalizing the answers.
Answer
<option id="1">1</option> <option id="2">0</option> <option id="3">0</option>
Sei regulär. Welche der folgenden Sprachen sind regulär?
☒☐☐
Subproblem d (2.0/2.0P)
Prompt
system:You are an AI assistant specializing in theoretical computer science. Your task is to answer a series of exam questions, providing accurate and well-reasoned responses that demonstrate a deep understanding of theoretical computer science concepts.
# Instructions
You must follow the given answer format.
If the exercises contains yes or no questions for you to answer, there will be one <option> element for each such question. You must answer these with either 0 or 1.
For longer answers, there will be <answer> elements. If the answer must follow a specific template, a corresponding <answer-template> element defines this template, and you MUST follow it precisely when providing your <answer>, as any deviations from the template will cause your answer to be invalid. A '?' symbol indicates a place for you to insert a short text, while a '???' symbol marks places for you to insert multi-line answers. To define the precise syntax to use, an <example> element may be provided. You MUST follow this syntax. However, note that the answers in the example may not be correct answers to the question.
Some questions relate to specific lecture material. In this case, the material will be provided in <context> elements for you to reference.
## Formatting
Always follow the format of the given exercise. If you are writing longer text, you can put text in *italics* or make it **bold**. Formulas should be given as LaTeX and enclosed properly, i.e. $...$ or \[...\].
user:# Exercise: 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.**
In dieser Aufgabe verwenden wir durchgehend das Alphabet $\Sigma := \{a, b\}$.
## subproblem a (2.0 points)
Welche der folgenden Sprachen sind Residualsprachen von $L((bba)^*b)$?
<options>
<option id="1">$\{b\}$</option>
<option id="2">$L(ba(bba)^*b | \varepsilon)$</option>
<option id="3">$\emptyset$</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
assistant:<option id="1">0</option>
<option id="2">1</option>
<option id="3">1</option>
user:
## subproblem b (2.0 points)
Sei $L \subseteq \Sigma^*$ eine Sprache mit $LL = \Sigma^*$. Welche Aussagen sind wahr?
<options>
<option id="1">$L$ ist unendlich</option>
<option id="2">$\varepsilon \in L$</option>
<option id="3">$LLL = \Sigma^*$</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
assistant:<option id="1">1</option>
<option id="2">1</option>
<option id="3">1</option>
user:
## subproblem c (2.0 points)
Sei $L \subseteq \Sigma^*$ regulär. Welche der folgenden Sprachen sind regulär?
<options>
<option id="1">$\{u^R v \mid u, v \in L\}$</option>
<option id="2">$\{u^R u \mid u \in L\}$</option>
<option id="3">$\{uv \mid u, v \in L \land |u| = |v|\}$</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
assistant:<option id="1">1</option>
<option id="2">0</option>
<option id="3">0</option>
user:
## subproblem d (2.0 points)
Welche der folgenden kontextfreien Grammatiken sind mehrdeutig?
<options>
<option id="1">$S \rightarrow SS \mid a$</option>
<option id="2">$S \rightarrow Sa \mid Sb \mid \varepsilon$</option>
<option id="3">$S \rightarrow TT\quad T \rightarrow aT \mid bT \mid a \mid b$</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
Thoughts
**Evaluating ambiguous grammars** I need to determine which grammars are ambiguous. Let's take a closer look at the first grammar: S -> SS | a, over the alphabet {a, b}. It seems to produce only strings of 'a's, forming a^+. This grammar is typically ambiguous because it can yield 'aa' in multiple ways. For instance, we can derive it as S -> SS -> a S -> a a or through various paths. I’ll need to analyze these derivations more closely to clarify their structures.**Analyzing parse trees** I've noticed that for the string 'aaa', there are multiple parse trees, leading to different structures due to associativity, especially for n ≥ 3. However, for 'aa', it seems there’s only one unique parse tree. Examining the derivations, I can see that both paths result in similar structures: the root is S with two children in both cases. So, the trees look the same, and the only difference is the order of derivation. This suggests it's not ambiguous, as true ambiguity requires distinct parse trees for the same string.**Determining ambiguity in grammar** Analyzing the string 'aaa,' I'm looking at the grammar where S -> SS. I realize that I can generate it through two concatenations to create the length of three. In this case, I can find two different binary tree shapes: one where 'a's are grouped differently. This indicates multiple parse trees, leading me to conclude that the grammar is ambiguous for 'aaa.' Then, I consider another grammar option, S -> Sa | Sb | ε, which can produce any string over {a, b} through rightmost extensions.**Analyzing language production** I’m looking at a grammar where you can append either 'a' or 'b' to the right after starting from S. I can iterate by choosing Sa or Sb several times and then conclude with ε. This means the grammar generates all possible strings over the alphabet {a, b}. Now, I wonder if there are multiple parse trees. The grammar is in right-linear form, indicating it’s capable of generating regular languages. Most right-linear grammars are unambiguous, though not all are.**Evaluating grammar ambiguity** Looking at the first grammar, I see that the parse trees are degenerate chains. This means there’s only one structure since each step just keeps a single S and appends a terminal. Thus, it’s unambiguous with exactly one leftmost derivation and one parse tree. For the second grammar, S produces concatenations of two nonempty strings from T, which generates any mix of a's and b's. This grammar is ambiguous because multiple splits of the string can lead to different parse trees. Specifically, for any word of length 3 or more, there are at least two splits causing ambiguity. So, my options are: (1) = 1, (2) = 0, (3) = 1.
Answer
<option id="1">1</option> <option id="2">0</option> <option id="3">1</option>
Welche der folgenden kontextfreien Grammatiken sind mehrdeutig?
☒☐☒
Subproblem e (2.0/2.0P)
Prompt
system:You are an AI assistant specializing in theoretical computer science. Your task is to answer a series of exam questions, providing accurate and well-reasoned responses that demonstrate a deep understanding of theoretical computer science concepts.
# Instructions
You must follow the given answer format.
If the exercises contains yes or no questions for you to answer, there will be one <option> element for each such question. You must answer these with either 0 or 1.
For longer answers, there will be <answer> elements. If the answer must follow a specific template, a corresponding <answer-template> element defines this template, and you MUST follow it precisely when providing your <answer>, as any deviations from the template will cause your answer to be invalid. A '?' symbol indicates a place for you to insert a short text, while a '???' symbol marks places for you to insert multi-line answers. To define the precise syntax to use, an <example> element may be provided. You MUST follow this syntax. However, note that the answers in the example may not be correct answers to the question.
Some questions relate to specific lecture material. In this case, the material will be provided in <context> elements for you to reference.
## Formatting
Always follow the format of the given exercise. If you are writing longer text, you can put text in *italics* or make it **bold**. Formulas should be given as LaTeX and enclosed properly, i.e. $...$ or \[...\].
user:# Exercise: 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.**
In dieser Aufgabe verwenden wir durchgehend das Alphabet $\Sigma := \{a, b\}$.
## subproblem a (2.0 points)
Welche der folgenden Sprachen sind Residualsprachen von $L((bba)^*b)$?
<options>
<option id="1">$\{b\}$</option>
<option id="2">$L(ba(bba)^*b | \varepsilon)$</option>
<option id="3">$\emptyset$</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
assistant:<option id="1">0</option>
<option id="2">1</option>
<option id="3">1</option>
user:
## subproblem b (2.0 points)
Sei $L \subseteq \Sigma^*$ eine Sprache mit $LL = \Sigma^*$. Welche Aussagen sind wahr?
<options>
<option id="1">$L$ ist unendlich</option>
<option id="2">$\varepsilon \in L$</option>
<option id="3">$LLL = \Sigma^*$</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
assistant:<option id="1">1</option>
<option id="2">1</option>
<option id="3">1</option>
user:
## subproblem c (2.0 points)
Sei $L \subseteq \Sigma^*$ regulär. Welche der folgenden Sprachen sind regulär?
<options>
<option id="1">$\{u^R v \mid u, v \in L\}$</option>
<option id="2">$\{u^R u \mid u \in L\}$</option>
<option id="3">$\{uv \mid u, v \in L \land |u| = |v|\}$</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
assistant:<option id="1">1</option>
<option id="2">0</option>
<option id="3">0</option>
user:
## subproblem d (2.0 points)
Welche der folgenden kontextfreien Grammatiken sind mehrdeutig?
<options>
<option id="1">$S \rightarrow SS \mid a$</option>
<option id="2">$S \rightarrow Sa \mid Sb \mid \varepsilon$</option>
<option id="3">$S \rightarrow TT\quad T \rightarrow aT \mid bT \mid a \mid b$</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
assistant:<option id="1">1</option>
<option id="2">0</option>
<option id="3">1</option>
user:
## subproblem e (2.0 points)
Sei $A \subseteq \Sigma^*$ regulär und $B \subseteq \Sigma^*$ kontextfrei. Welche der folgenden Sprachen sind kontextfrei?
<options>
<option id="1">$A \cup \overline{B}$</option>
<option id="2">$\overline{A} \cup B$</option>
<option id="3">$AB$</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
Thoughts
**Analyzing language structure** I'm starting with a structure that begins with "b," then repeats "ba" after a 'bb'. Each block adds another "bba." If I start from empty, I get "b," so for n blocks, the word becomes (bba)^n b. Now, I'm thinking about residuals, specifically the left quotient of L by w. They're asking about the residual languages of L((bba)^* b). I need to calculate the set of all left quotients of this regular language, corresponding to DFA states.**Exploring regular language properties** I'm looking at the regular language and its left quotients. Essentially, I'm examining suffixes x that allow a current prefix w to lead to the remaining pattern. So, is {b} a residual of L? For that to be true, there should exist a w such that w^{-1} L = {b}, meaning the only way to finish a word in L is with x=b. I'm realizing that residual languages can be subsets and not just single words. I'll check how the strings in L end with b, following the pattern (bba)^* b.**Examining language prefixes and extensions** I'm considering whether a prefix w, missing just a single 'b' to complete a word in L, can be extended. If I add more (bba) before the final 'b,' it might change the earlier prefix instead of just x. The x that appends to w has to form the whole string of (bba)^* b. If I fix w, the set of allowed x could be empty or infinite. If I choose w=(bba)^n, then I need x such that (bba)^n x fits within (bba)^* b, since that prefix can be absorbed in the star pattern.**Clarifying language conditions** I'm realizing that the situation isn't a singleton but rather infinite. I'm pondering what w would lead to only x=b. Maybe if w ends with something like "bb"? I want to compute residuals by modeling an NFA/DFA based on regex. The language consists of sequences that start at state q0 and require the acceptance of "b" after reading zero or more "bba" blocks. So, I need a deterministic automaton that correctly tracks the "bba" cycle, ensuring the final string matches the exact pattern in L without allowing extra letters appended beyond a matching string.**Constructing a DFA for language matching** I'm exploring the set of suffixes x that would complete a word from prefix w. This can either be empty or resemble a regular set like (bba)^* b. I want to compute left contexts using Myhill-Nerode states, checking if two words u and v are equivalent based on suffix conditions. I can define the DFA that accepts sequences matching the pattern, requiring the first character to be 'b', followed by the (bba) structure and ending with a 'b'. The automaton's states will relate to positions in the (bba) pattern, ensuring characters follow the required sequence to remain in L.**Analyzing residual languages** I'm looking into the residuals of the language defined by (bba)^* b. When I check the left quotient by 'b', I find that it produces the language ε ∪ ba(bba)^* b. This implies that it includes ε along with strings that match the pattern. Additionally, the analysis shows that such expressions can yield other results based on string prefixes, and I confirm that ∅ is a residual because no words in L start with 'a'. By calculating derivatives of strings stepwise, I observe a cyclic pattern among the residuals.**Examining residual languages and properties** I'm considering the distinct residual languages, which could be {L, ε ∪ ba(bba)^* b, a(bba)^* b, ∅}. It seems that ε might be a residual if w belongs to L, as the only string completing w in this case is ε. However, since our possible choices do not include just {ε}, I see that isn't an option. In reviewing properties regarding L being a subset of Σ*, I find that L must be infinite, and ε must be included in L to ensure that all strings can be formed. Also, I note that if L is regular and involves reversals, those transformations hold validity under regular languages.**Evaluating languages and grammar ambiguity** I'm examining sets like {u^R u | u ∈ Σ^*}, which forms even-length palindromes and is context-free rather than regular. I also analyze the option of equal-length concatenations {u v | u,v ∈ L and |u|=|v|}. This is not guaranteed to be regular because certain regular expressions can yield non-regular results, like {a^n b^n | n≥0}. For grammar, Option 1 generates {a}^+, confirming its ambiguity due to multiple parsing trees, while Option 2 is unambiguous as it produces all strings over {a,b} through a unique derivation process.**Assessing grammar ambiguity and context-free languages** I'm analyzing the ambiguity in the grammar S → TT. Although there might seem to be multiple ways to split, the split position is unique. Different k values do produce valid derivations with distinct parse trees, confirming ambiguity for strings of length 3 or more. Moving on to languages: for A ∪ overline(B), I can't guarantee it's context-free for all regular A and context-free B, so that's false. However, overline(A) ∪ B and AB concatenation are context-free, leading to answers: 0, 1, 1.**Evaluating language properties** I'm considering that A is a regular subset of Σ^*, and B is context-free. The complement regarding Σ^* means overlapped languages can be tricky. For the concatenation AB, the closure property of context-free languages applies here: they are closed under concatenation with regular languages, regardless of which side they're on. So, everything checks out. I’m ready to deliver the final outputs based on my evaluations.
Answer
<option id="1">0</option> <option id="2">1</option> <option id="3">1</option>
Sei regulär und kontextfrei. Welche der folgenden Sprachen sind kontextfrei?
☐☒☒
Subproblem f (3.0/3.0P)
Prompt
system:You are an AI assistant specializing in theoretical computer science. Your task is to answer a series of exam questions, providing accurate and well-reasoned responses that demonstrate a deep understanding of theoretical computer science concepts.
# Instructions
You must follow the given answer format.
If the exercises contains yes or no questions for you to answer, there will be one <option> element for each such question. You must answer these with either 0 or 1.
For longer answers, there will be <answer> elements. If the answer must follow a specific template, a corresponding <answer-template> element defines this template, and you MUST follow it precisely when providing your <answer>, as any deviations from the template will cause your answer to be invalid. A '?' symbol indicates a place for you to insert a short text, while a '???' symbol marks places for you to insert multi-line answers. To define the precise syntax to use, an <example> element may be provided. You MUST follow this syntax. However, note that the answers in the example may not be correct answers to the question.
Some questions relate to specific lecture material. In this case, the material will be provided in <context> elements for you to reference.
## Formatting
Always follow the format of the given exercise. If you are writing longer text, you can put text in *italics* or make it **bold**. Formulas should be given as LaTeX and enclosed properly, i.e. $...$ or \[...\].
user:# Exercise: 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.**
In dieser Aufgabe verwenden wir durchgehend das Alphabet $\Sigma := \{a, b\}$.
## subproblem a (2.0 points)
Welche der folgenden Sprachen sind Residualsprachen von $L((bba)^*b)$?
<options>
<option id="1">$\{b\}$</option>
<option id="2">$L(ba(bba)^*b | \varepsilon)$</option>
<option id="3">$\emptyset$</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
assistant:<option id="1">0</option>
<option id="2">1</option>
<option id="3">1</option>
user:
## subproblem b (2.0 points)
Sei $L \subseteq \Sigma^*$ eine Sprache mit $LL = \Sigma^*$. Welche Aussagen sind wahr?
<options>
<option id="1">$L$ ist unendlich</option>
<option id="2">$\varepsilon \in L$</option>
<option id="3">$LLL = \Sigma^*$</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
assistant:<option id="1">1</option>
<option id="2">1</option>
<option id="3">1</option>
user:
## subproblem c (2.0 points)
Sei $L \subseteq \Sigma^*$ regulär. Welche der folgenden Sprachen sind regulär?
<options>
<option id="1">$\{u^R v \mid u, v \in L\}$</option>
<option id="2">$\{u^R u \mid u \in L\}$</option>
<option id="3">$\{uv \mid u, v \in L \land |u| = |v|\}$</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
assistant:<option id="1">1</option>
<option id="2">0</option>
<option id="3">0</option>
user:
## subproblem d (2.0 points)
Welche der folgenden kontextfreien Grammatiken sind mehrdeutig?
<options>
<option id="1">$S \rightarrow SS \mid a$</option>
<option id="2">$S \rightarrow Sa \mid Sb \mid \varepsilon$</option>
<option id="3">$S \rightarrow TT\quad T \rightarrow aT \mid bT \mid a \mid b$</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
assistant:<option id="1">1</option>
<option id="2">0</option>
<option id="3">1</option>
user:
## subproblem e (2.0 points)
Sei $A \subseteq \Sigma^*$ regulär und $B \subseteq \Sigma^*$ kontextfrei. Welche der folgenden Sprachen sind kontextfrei?
<options>
<option id="1">$A \cup \overline{B}$</option>
<option id="2">$\overline{A} \cup B$</option>
<option id="3">$AB$</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
assistant:<option id="1">0</option>
<option id="2">1</option>
<option id="3">1</option>
user:
## subproblem f (3.0 points)
Geben Sie reguläre Ausdrücke $X$, $Y$, $Z$ über $\Sigma$ an, sodass die folgenden Gleichungen erfüllt sind.
$X \equiv a^*b^*aX \mid ab$
$Y \equiv (b\mid a)a^*Y \mid bbY \mid \epsilon$
$Z \equiv a^*(a \mid b)Z$
<answer-template id="1">
$X=?$
$Y=?$
$Z=?$
</answer-template>
### answer format
Give your answer in the following format:
<answer id="1">
...
</answer>
Thoughts
**Solving a recursive equation** I’ve got to solve subproblem f by providing regular expressions over Σ={a,b}. It involves figuring out equations following Arden's lemma style. I'm looking for X, Y, Z, with X satisfying the equation: X ≡ a^* b^* a X | ab. This means X = a^* b^* a X ∪ ab. Wait, I need to check if ε is in L(R). Since any string in a^* includes ε but combined with 'a', it shouldn't include ε in the unique solution for X. I’ll double-check that.**Simplifying regular expressions** I’m combining terms to form an expression: (a|b) a^* Y ∪ bb Y ∪ ε. Here, I define Y as R Y ∪ ε where R = (a|b) a^* ∪ bb. Now, I need to check if ε is in L(R). Since (a|b) a^* starts with either 'a' or 'b' and has none that are empty, and 'bb' is too short, ε is not in R. So applying Arden's lemma, I get Y = R*, leading to Y = ((a|b) a^* ∪ bb)^*. I think I might simplify that further by combining terms.**Refining regular expressions** Okay, so I’m working out that a^* consists solely of 'a's, while 'bb' stands for 'b' followed by another 'b', making it not part of b a^*. Since (a|b) a^* includes combinations like aa*, I define R as aa* ∪ b a^* ∪ bb. Notably, b a^* has forms like b, ba, etc., but 'bb' stands apart. So, for Y = ((a|b) a^* ∪ bb)^*, I think I can simplify it to express the union better. I’ll adjust b's side as b(a^* ∪ b), and although a^* already holds ε, the union adds 'b', resulting in {b} ∪ a^*, which feels right.**Understanding language solutions** I’m looking into how to present this information clearly. For Z, I have Z ≡ a^* (a | b) Z, making Z equal to R Z where R = a^* (a|b). There's no default ε option here. Now, I need to check if ε is in the language on the left-hand side. The general solution for X = R X can lead to X being empty if ε isn’t in R. According to Arden's lemma, if S is empty, the unique solution becomes ∅. However, it seems there are infinite possibilities if ε is part of R. If it’s not, the unique solution is definitely ∅.<answer id="1"> $X=(a^* b^* a)^* ab$ $Y=((b|a)a^* | bb)^*$ $Z=\emptyset$ </answer>
Answer
<answer id="1"> $X=(a^*b^*a)^*ab$ $Y=((b\mid a)a^*\mid bb)^*$ $Z=\emptyset$ </answer>
Geben Sie reguläre Ausdrücke , , über an, sodass die folgenden Gleichungen erfüllt sind.
Subproblem g (3.0/3.0P)
Prompt
system:You are an AI assistant specializing in theoretical computer science. Your task is to answer a series of exam questions, providing accurate and well-reasoned responses that demonstrate a deep understanding of theoretical computer science concepts.
# Instructions
You must follow the given answer format.
If the exercises contains yes or no questions for you to answer, there will be one <option> element for each such question. You must answer these with either 0 or 1.
For longer answers, there will be <answer> elements. If the answer must follow a specific template, a corresponding <answer-template> element defines this template, and you MUST follow it precisely when providing your <answer>, as any deviations from the template will cause your answer to be invalid. A '?' symbol indicates a place for you to insert a short text, while a '???' symbol marks places for you to insert multi-line answers. To define the precise syntax to use, an <example> element may be provided. You MUST follow this syntax. However, note that the answers in the example may not be correct answers to the question.
Some questions relate to specific lecture material. In this case, the material will be provided in <context> elements for you to reference.
## Formatting
Always follow the format of the given exercise. If you are writing longer text, you can put text in *italics* or make it **bold**. Formulas should be given as LaTeX and enclosed properly, i.e. $...$ or \[...\].
user:# Exercise: 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.**
In dieser Aufgabe verwenden wir durchgehend das Alphabet $\Sigma := \{a, b\}$.
## subproblem a (2.0 points)
Welche der folgenden Sprachen sind Residualsprachen von $L((bba)^*b)$?
<options>
<option id="1">$\{b\}$</option>
<option id="2">$L(ba(bba)^*b | \varepsilon)$</option>
<option id="3">$\emptyset$</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
assistant:<option id="1">0</option>
<option id="2">1</option>
<option id="3">1</option>
user:
## subproblem b (2.0 points)
Sei $L \subseteq \Sigma^*$ eine Sprache mit $LL = \Sigma^*$. Welche Aussagen sind wahr?
<options>
<option id="1">$L$ ist unendlich</option>
<option id="2">$\varepsilon \in L$</option>
<option id="3">$LLL = \Sigma^*$</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
assistant:<option id="1">1</option>
<option id="2">1</option>
<option id="3">1</option>
user:
## subproblem c (2.0 points)
Sei $L \subseteq \Sigma^*$ regulär. Welche der folgenden Sprachen sind regulär?
<options>
<option id="1">$\{u^R v \mid u, v \in L\}$</option>
<option id="2">$\{u^R u \mid u \in L\}$</option>
<option id="3">$\{uv \mid u, v \in L \land |u| = |v|\}$</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
assistant:<option id="1">1</option>
<option id="2">0</option>
<option id="3">0</option>
user:
## subproblem d (2.0 points)
Welche der folgenden kontextfreien Grammatiken sind mehrdeutig?
<options>
<option id="1">$S \rightarrow SS \mid a$</option>
<option id="2">$S \rightarrow Sa \mid Sb \mid \varepsilon$</option>
<option id="3">$S \rightarrow TT\quad T \rightarrow aT \mid bT \mid a \mid b$</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
assistant:<option id="1">1</option>
<option id="2">0</option>
<option id="3">1</option>
user:
## subproblem e (2.0 points)
Sei $A \subseteq \Sigma^*$ regulär und $B \subseteq \Sigma^*$ kontextfrei. Welche der folgenden Sprachen sind kontextfrei?
<options>
<option id="1">$A \cup \overline{B}$</option>
<option id="2">$\overline{A} \cup B$</option>
<option id="3">$AB$</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
assistant:<option id="1">0</option>
<option id="2">1</option>
<option id="3">1</option>
user:
## subproblem f (3.0 points)
Geben Sie reguläre Ausdrücke $X$, $Y$, $Z$ über $\Sigma$ an, sodass die folgenden Gleichungen erfüllt sind.
$X \equiv a^*b^*aX \mid ab$
$Y \equiv (b\mid a)a^*Y \mid bbY \mid \epsilon$
$Z \equiv a^*(a \mid b)Z$
<answer-template id="1">
$X=?$
$Y=?$
$Z=?$
</answer-template>
### answer format
Give your answer in the following format:
<answer id="1">
...
</answer>
assistant:<answer id="1">
$X=(a^*b^*a)^*ab$
$Y=((b\mid a)a^*\mid bb)^*$
$Z=\emptyset$
</answer>
user:
## subproblem g (3.0 points)
Ein NFA $(Q,\Sigma,\delta,q_0,F)$ heißt *reversibel*, falls für alle Zustände $q_1, q_2 \in Q$ und für alle Zeichen $x \in \Sigma$ gilt: Falls $q_2 \in \delta(q_1,x)$, so $q_1 \in \delta(q_2,x)$. Mit anderen Worten: Falls man von $q_1$ mit $x$ in $q_2$ übergehen kann, so kann man auch von $q_2$ mit $x$ in $q_1$ übergehen.
Gibt es einen reversiblen NFA $N$ über $\Sigma$ mit $L(N) = L((aa)^*(bb)^*)$? Falls ja, geben Sie einen solchen NFA an; falls nein, beweisen Sie es.
<options>
<option id="1">Wahr, reversibler NFA</option>
<option id="2">Falsch, Beweis</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<answer id="3">
...
</answer>
Thoughts
**Exploring NFA options** I’m looking into subproblem g, where I need to consider options for either constructing a reversible NFA or proving it’s impossible. The language in question is L((aa)^*(bb)^*), which consists of strings with an even number of a's followed by an even number of b's, and they can't mix. Strings like empty, "aa," "bb," or "aabb" are allowed, but no alternation between letters is permitted. For the NFA, I'll ensure the transition graph is symmetric for each letter.**Analyzing NFA transitions** I’m considering the properties of NFAs, particularly about multiple transitions for the same letter from a state. For reversibility, if state q2 is reachable from q1 with the letter x, then q1 should also be reachable from q2. I’m noting that standard NFAs typically don’t include epsilon transitions unless mentioned, so I’ll exclude those. I need a symmetric transition structure for each letter, creating undirected graphs for 'a' and 'b.' To accept the language, I start in state q0 and check if I end in an accepting state after processing the entire string.**Considering symmetry in NFA** I’m looking at the symmetry in the NFA's behavior regarding the letter 'a.' Moving 'a' twice can potentially lead back to the same state, but this isn't guaranteed. The question now is whether the language L is recognizable by a symmetric NFA. This language seems to have a "one-way progression" where reading a 'b' means no more 'a's can be read. Perhaps I can design symmetrical graphs that enforce these parity constraints. Although the 'a' transitions are symmetric, I need to ensure that after reading a 'b', any further 'a' leads to rejection by directing those transitions to non-accepting states.**Evaluating symmetric edges in NFA** I'm exploring whether it's possible to have symmetric edges while enforcing language rules. It’s similar to needing a pattern like A^*B^*, where any 'a' after the first 'b' leads to a non-accepting state. I might be able to design a structure where states reachable after reading a 'b' are restricted to a subgraph, ensuring 'a' transitions don't lead to accepting states. This setup could mean accepting states only exist in phases where parity is correct, allowing no further 'a's after a 'b.' I’ll work on constructing that!**Establishing transitions and acceptance** I’m figuring out how to maintain parity of 'a's before the first 'b' and 'b's afterward, while ensuring no 'a's come after a 'b.' NFAs can let us guess when the first 'b' occurs, but we can nondeterministically branch based on inputs. For acceptance in the NFA, at least one run must end in an accepting state, and I need to ensure any 'a' after a 'b' can't lead to acceptance. Post-'b' states should have no outgoing 'a' edges to maintain isolation, as any cycle allowing a return could lead to acceptance incorrectly. To avoid this, I’ll ensure that once a 'b' is consumed, all paths reading an 'a' from post-'b' states lead to non-accepting ends. This way, I can enforce the "no 'a' after 'b'" property directly within the structure of the NFA.**Designing the automaton's state space** I’m brainstorming how to design an automaton that maintains the rule of having no 'a's after the first 'b.' One idea was to treat initial states as part of the "post-b" states, but that would prevent accepting any 'a*' prefix. Alternatively, I could use nondeterminism to guess where the boundary is, but I can't utilize epsilon transitions since they’re not allowed. I’m considering creating two tracks encoded in states, where 'a' edges are present, but acceptance depends on the last symbol seen, adjusted for reversibility. However, the symmetry in 'b' edges creates an issue—they form undirected graphs, which means if there's a connection from a pre-b state to a post-b state, we can traverse back, potentially resulting in acceptance of a string that has an 'a' after a 'b.' To avoid this, I need to structure the automaton so that any path returning to a pre-b state after reading a 'b' denies acceptance. The approach involves disconnecting the state space into components, ensuring that after transitioning to a "post-b" region, all states there have no 'a' edges. It's complicated because I need to guard against scenarios where additional 'b's might lead back to a state that allows 'a' transitions. I think I can create distinct subsets within component groups for states that haven't seen 'b' versus those that have, ensuring they stay disconnected by 'a' edges. That could help prevent any acceptance in those cases!**Constructing the reversible NFA** I'm thinking about creating an automaton where the transitions are symmetric, and it only accepts words with an even number of 'a's followed by even 'b's. This involves four states: A_even and A_odd for pre-b, and B_even and B_odd for post-b. The 'a' edges toggle between A_even and A_odd, while there are no 'a' edges from B states to block 'a's after 'b'. For the 'b' transitions, starting from A_even with a 'b' leads to B_odd, introducing odd parity. However, I need to ensure that no accepting runs occur when 'a' appears after 'b.' One idea is to differentiate B states based on whether we came from an even or odd 'a' count while keeping symmetry in the edges intact. I want to make sure that any state transitions ultimately lead to non-accepting runs if they don't appropriately represent the evenness constraint.**Refining the NFA approach** I'm exploring whether the NFA could mistakenly accept certain strings, like "bbaa." If transitions allow returning from B1 to A0 and then toggling with 'a's, this would lead to an unwanted acceptance. I need to ensure the design prevents such strings from being accepted—particularly those with 'a's following 'b's. What if I create separate components for states? I can have a “clean” and a “tainted” subgraph. The "tainted" states won’t allow acceptance if any 'a' occurs after a 'b.' This could work! The challenge is ensuring no transitions return from the tainted state back to the clean state, maintaining the integrity of the language.**Concluding the NFA impossibility** I'm analyzing whether a reversible NFA can exist for the language that includes ε, aa, and bb but excludes bbaa. The challenge arises because if there's any back transition from a tainted state to a clean one, it could cause acceptance of bbaa, which we want to avoid. I can create a proof showing that any such NFA must accept bbaa if it accepts both bb and aa. Therefore, I conclude that no reversible NFA exists for this language due to the contradictions present in its properties.**Analyzing the acceptance result** I'm considering what happens if the accepting run for "bb" takes different paths. Even if we use other edges, the reversibility implies that a return to q0 exists via the second b. So, I can structure a path where after reading "bb", I continue with "aa" to finish the input bbaa. Since "bbaa" isn’t in L due to the presence of an 'a' after b's, this leads to a contradiction. Thus, I'll conclude that no reversible NFA can exist for this language.
Answer
<option id="1">0</option> <option id="2">1</option> <answer id="3"> Angenommen, es gäbe einen reversiblen NFA N mit L(N) = (aa)^*(bb)^*. Dann liegen aa ∈ L(N) und bb ∈ L(N). - Für bb gibt es also eine akzeptierende Lauf q0 —b→ q1 —b→ q2. Wegen Reversibilität gilt aus q1 —b→ q2 auch q2 —b→ q1 und insbesondere aus q0 —b→ q1 auch q1 —b→ q0. Also existiert ein Lauf auf bb, der nach q0 zurückkehrt: q0 —b→ q1 —b→ q0. - Für aa gibt es eine akzeptierende Lauf von q0 nach einem Endzustand. Verkettet man diese beiden Läufe, erhält man einen akzeptierenden Lauf auf bbaa: q0 —b→ q1 —b→ q0 —a→ … —a→ f (f akzeptierend). Also bbaa ∈ L(N). Aber bbaa ∉ (aa)^*(bb)^* (denn nach einem b folgen wieder a’s), Widerspruch. Folglich existiert kein reversibler NFA für diese Sprache. </answer>
Ein NFA heißt reversibel, falls für alle Zustände und für alle Zeichen gilt: Falls , so . Mit anderen Worten: Falls man von mit in übergehen kann, so kann man auch von mit in übergehen. Gibt es einen reversiblen NFA über mit ? Falls ja, geben Sie einen solchen NFA an; falls nein, beweisen Sie es.
☐Wahr, reversibler NFA☒Falsch, Beweis
Angenommen, es gäbe einen reversiblen NFA N mit L(N) = (aa)^*(bb)^*. Dann liegen aa ∈ L(N) und bb ∈ L(N). - Für bb gibt es also eine akzeptierende Lauf q0 —b→ q1 —b→ q2. Wegen Reversibilität gilt aus q1 —b→ q2 auch q2 —b→ q1 und insbesondere aus q0 —b→ q1 auch q1 —b→ q0. Also existiert ein Lauf auf bb, der nach q0 zurückkehrt: q0 —b→ q1 —b→ q0. - Für aa gibt es eine akzeptierende Lauf von q0 nach einem Endzustand. Verkettet man diese beiden Läufe, erhält man einen akzeptierenden Lauf auf bbaa: q0 —b→ q1 —b→ q0 —a→ … —a→ f (f akzeptierend). Also bbaa ∈ L(N). Aber bbaa ∉ (aa)^*(bb)^* (denn nach einem b folgen wieder a’s), Widerspruch. Folglich existiert kein reversibler NFA für diese Sprache.
Exercise 2: DFA-Algorithmen
Subproblem a (6.0/6.0P)
Prompt
system:You are an AI assistant specializing in theoretical computer science. Your task is to answer a series of exam questions, providing accurate and well-reasoned responses that demonstrate a deep understanding of theoretical computer science concepts.
# Instructions
You must follow the given answer format.
If the exercises contains yes or no questions for you to answer, there will be one <option> element for each such question. You must answer these with either 0 or 1.
For longer answers, there will be <answer> elements. If the answer must follow a specific template, a corresponding <answer-template> element defines this template, and you MUST follow it precisely when providing your <answer>, as any deviations from the template will cause your answer to be invalid. A '?' symbol indicates a place for you to insert a short text, while a '???' symbol marks places for you to insert multi-line answers. To define the precise syntax to use, an <example> element may be provided. You MUST follow this syntax. However, note that the answers in the example may not be correct answers to the question.
Some questions relate to specific lecture material. In this case, the material will be provided in <context> elements for you to reference.
## Formatting
Always follow the format of the given exercise. If you are writing longer text, you can put text in *italics* or make it **bold**. Formulas should be given as LaTeX and enclosed properly, i.e. $...$ or \[...\].
user:# Exercise: DFA-Algorithmen
## subproblem a (6.0 points)
Wir betrachten den folgenden NFA $N$ über dem Alphabet $\Sigma=\{a,b\}$:
Zustände: 0, 1, 2, 3
Startzustand: 0
Finalzustände: 0, 2, 3
Transitionen:
0, b -> 0
0, b -> 1
1, b -> 1
1, b -> 2
2, a -> 3
2, b -> 3
3, a -> 1
3, a -> 2
Sei $M$ der DFA, den man erhält, wenn man $N$ mithilfe des Verfahrens aus der Vorlesung (Potenzmengenkonstruktion) zu einem DFA konvertiert. Tragen Sie $M$ in untere Schablone ein, indem Sie (1) die Transitionen beschriften, (2) die Finalzustände markieren, und (3) in der Tabelle rechts für jeden Zustand von $M$ die korrespondierende Menge an Zuständen aus $N$ eintragen.
Zustände: q0, q1, q2, q3, q4, q5, q6, q7
Startzustand: q0
Finalzustände: ?
Transitionen:
q0 -> q1
q0 -> q4
q1 -> q2
q1 -> q4
q2 -> q3
q2 -> q5
q3 -> q3
q3 -> q7
q7 -> q7
q7 -> q7
q5 -> q4
q5 -> q6
q6 -> q5
q6 -> q7
q4 -> q4
q4 -> q4
Zustandstabelle:
q0:
q1:
q2:
q3:
q4:
q5:
q6:
q7:
<answer-template id="1">
Finalzustände: ?
Transitionen:
???
Zustandstabelle:
q0: ?
q1: ?
q2: ?
q3: ?
q4: ?
q5: ?
q6: ?
q7: ?
</answer-template>
<example>
Finalzustände: q0, q1, q2
Transitionen:
q0, b -> q1
q0, a -> q4
...
Zustandstabelle:
q0: 0, 1
q1: \emptyset
q2: 0, 1, 2
...
</example>
### answer format
Give your answer in the following format:
<answer id="1">
...
</answer>
Thoughts
**Constructing DFA from NFA** I need to perform subset construction on a given NFA with states 0 to 3, starting at 0 and having final states 0, 2, and 3. The transitions involve specific paths based on the input symbols 'a' and 'b', and there are no epsilon transitions. Since the provided DFA skeleton has 8 states, it likely represents reachable subsets out of the possible 16. My goal is to assign subsets to each DFA state and determine transitions and final states accordingly. I must also create a state table for q to subsets.**Labeling transitions in DFA** I need to match the unlabeled transition graph structure by labeling edges between the q-states as either 'a' or 'b' based on subset construction. I have a list of transitions provided in the prompt. There are lots of self-loops and duplicate entries, like q7 going to itself twice. Each state seems to have two outgoing edges, making it deterministic for both symbols. It's essential to ensure I assign correct labels, especially where states have the same destinations, leading to those duplicate entries.**Assigning transitions for subset construction** I need to assign the edges as 'a' and 'b' while adhering to subset construction principles. First, I’ll compute transitions from the NFA by defining δ_N(s, x). Starting with state 0, the transitions for input 'b' lead to states 0 and 1, while 'a' has none. Moving to state 1, 'b' transitions to 1 and 2. In state 2, 'a' and 'b' lead to state 3. For state 3, 'a' transitions to 1 and 2, but 'b' has none. In subset construction, transitions for subset S are determined by unions of transitions from each state. The start subset will be {0}.**Computing reachable subsets** I need to map q0 to {0} since it's the starting state. Next, I’ll define functions T(S, a) and T(S, b) to compute reachable subsets. Starting from {0}, I find that on 'a', δ(0, a) is empty (∅), and on 'b', δ(0, b) gives me {0, 1}. So from q0, I should transition to ∅ on 'a' (a dead state) and to {0, 1} on 'b'. Looking at the skeleton, I can designate q0,a leading to q4 and q0,b to q1, suspecting that q1 represents {0, 1} and q4 stands for ∅. Then from S = {0, 1}, both transitions on 'a' yield ∅, while on 'b', I get the union {0, 1, 2}.**Reconstructing state mappings** I need to figure out how to label edges while ensuring the NFA subset transition applies correctly. From my analysis, q4 appears to be the dead state, as it frequently receives transitions and has multiple self-loops. Thus, q7 is likely {1, 2, 3}. Then, I check q3; it suggests a state where one letter transitions to itself while the other leads to {1, 2, 3}. By evaluating various subsets, I determine that {0, 1, 2, 3} for q3 aligns with the necessary properties. I can now rebuild my mappings with the following assignments: - q0 = {0} - q1 = {0, 1} - q2 = {0, 1, 2} - q3 = {0, 1, 2, 3} - q4 = ∅ - q5 = {3} - q6 = {1, 2} - q7 = {1, 2, 3} Next, I check the transitions for these states, particularly for q6. From {1, 2}, I find transitions to q5 with 'a' and to q7 with 'b'. Everything seems to fit together nicely!**Finalizing transitions and states** The transitions for my DFA are coming together nicely. From the skeleton, I've confirmed that the states and their transitions align with the expected mappings. For example, I have q0 -> q1 labeled with 'b' and q0 -> q4 labeled with 'a', and this pattern continues for other states. Additionally, I've identified the final states based on their intersections with the NFA final states, ensuring that all are accounted for except q4, which is non-final. Now, I'll format these transitions clearly in a template, using proper notation for empty sets and following the language direction in German. I’m ready to produce the final answer in the specified form!
Answer
<answer id="1"> Finalzustände: q0, q1, q2, q3, q5, q6, q7 Transitionen: q0, b -> q1 q0, a -> q4 q1, b -> q2 q1, a -> q4 q2, b -> q3 q2, a -> q5 q3, b -> q3 q3, a -> q7 q7, a -> q7 q7, b -> q7 q5, b -> q4 q5, a -> q6 q6, a -> q5 q6, b -> q7 q4, a -> q4 q4, b -> q4 Zustandstabelle: q0: 0 q1: 0, 1 q2: 0, 1, 2 q3: 0, 1, 2, 3 q4: \emptyset q5: 3 q6: 1, 2 q7: 1, 2, 3 </answer>
Wir betrachten den folgenden NFA über dem Alphabet : Zustände: 0, 1, 2, 3 Startzustand: 0 Finalzustände: 0, 2, 3 Transitionen: 0, b -> 0 0, b -> 1 1, b -> 1 1, b -> 2 2, a -> 3 2, b -> 3 3, a -> 1 3, a -> 2 Sei der DFA, den man erhält, wenn man mithilfe des Verfahrens aus der Vorlesung (Potenzmengenkonstruktion) zu einem DFA konvertiert. Tragen Sie in untere Schablone ein, indem Sie (1) die Transitionen beschriften, (2) die Finalzustände markieren, und (3) in der Tabelle rechts für jeden Zustand von die korrespondierende Menge an Zuständen aus eintragen. Zustände: q0, q1, q2, q3, q4, q5, q6, q7 Startzustand: q0 Finalzustände: ? Transitionen: q0 -> q1 q0 -> q4 q1 -> q2 q1 -> q4 q2 -> q3 q2 -> q5 q3 -> q3 q3 -> q7 q7 -> q7 q7 -> q7 q5 -> q4 q5 -> q6 q6 -> q5 q6 -> q7 q4 -> q4 q4 -> q4 Zustandstabelle: q0: q1: q2: q3: q4: q5: q6: q7:
Finalzustände: q0, q1, q2, q3, q5, q6, q7 Transitionen: q0, b -> q1 q0, a -> q4 q1, b -> q2 q1, a -> q4 q2, b -> q3 q2, a -> q5 q3, b -> q3 q3, a -> q7 q7, a -> q7 q7, b -> q7 q5, b -> q4 q5, a -> q6 q6, a -> q5 q6, b -> q7 q4, a -> q4 q4, b -> q4 Zustandstabelle: q0: 0 q1: 0, 1 q2: 0, 1, 2 q3: 0, 1, 2, 3 q4: \emptyset q5: 3 q6: 1, 2 q7: 1, 2, 3
Subproblem b (1.0/1.0P)
Prompt
system:You are an AI assistant specializing in theoretical computer science. Your task is to answer a series of exam questions, providing accurate and well-reasoned responses that demonstrate a deep understanding of theoretical computer science concepts.
# Instructions
You must follow the given answer format.
If the exercises contains yes or no questions for you to answer, there will be one <option> element for each such question. You must answer these with either 0 or 1.
For longer answers, there will be <answer> elements. If the answer must follow a specific template, a corresponding <answer-template> element defines this template, and you MUST follow it precisely when providing your <answer>, as any deviations from the template will cause your answer to be invalid. A '?' symbol indicates a place for you to insert a short text, while a '???' symbol marks places for you to insert multi-line answers. To define the precise syntax to use, an <example> element may be provided. You MUST follow this syntax. However, note that the answers in the example may not be correct answers to the question.
Some questions relate to specific lecture material. In this case, the material will be provided in <context> elements for you to reference.
## Formatting
Always follow the format of the given exercise. If you are writing longer text, you can put text in *italics* or make it **bold**. Formulas should be given as LaTeX and enclosed properly, i.e. $...$ or \[...\].
user:# Exercise: DFA-Algorithmen
## subproblem a (6.0 points)
Wir betrachten den folgenden NFA $N$ über dem Alphabet $\Sigma=\{a,b\}$:
Zustände: 0, 1, 2, 3
Startzustand: 0
Finalzustände: 0, 2, 3
Transitionen:
0, b -> 0
0, b -> 1
1, b -> 1
1, b -> 2
2, a -> 3
2, b -> 3
3, a -> 1
3, a -> 2
Sei $M$ der DFA, den man erhält, wenn man $N$ mithilfe des Verfahrens aus der Vorlesung (Potenzmengenkonstruktion) zu einem DFA konvertiert. Tragen Sie $M$ in untere Schablone ein, indem Sie (1) die Transitionen beschriften, (2) die Finalzustände markieren, und (3) in der Tabelle rechts für jeden Zustand von $M$ die korrespondierende Menge an Zuständen aus $N$ eintragen.
Zustände: q0, q1, q2, q3, q4, q5, q6, q7
Startzustand: q0
Finalzustände: ?
Transitionen:
q0 -> q1
q0 -> q4
q1 -> q2
q1 -> q4
q2 -> q3
q2 -> q5
q3 -> q3
q3 -> q7
q7 -> q7
q7 -> q7
q5 -> q4
q5 -> q6
q6 -> q5
q6 -> q7
q4 -> q4
q4 -> q4
Zustandstabelle:
q0:
q1:
q2:
q3:
q4:
q5:
q6:
q7:
<answer-template id="1">
Finalzustände: ?
Transitionen:
???
Zustandstabelle:
q0: ?
q1: ?
q2: ?
q3: ?
q4: ?
q5: ?
q6: ?
q7: ?
</answer-template>
<example>
Finalzustände: q0, q1, q2
Transitionen:
q0, b -> q1
q0, a -> q4
...
Zustandstabelle:
q0: 0, 1
q1: \emptyset
q2: 0, 1, 2
...
</example>
### answer format
Give your answer in the following format:
<answer id="1">
...
</answer>
assistant:<answer id="1">
Finalzustände: q0, q1, q2, q3, q5, q6, q7
Transitionen:
q0, b -> q1
q0, a -> q4
q1, b -> q2
q1, a -> q4
q2, b -> q3
q2, a -> q5
q3, b -> q3
q3, a -> q7
q7, a -> q7
q7, b -> q7
q5, b -> q4
q5, a -> q6
q6, a -> q5
q6, b -> q7
q4, a -> q4
q4, b -> q4
Zustandstabelle:
q0: 0
q1: 0, 1
q2: 0, 1, 2
q3: 0, 1, 2, 3
q4: \emptyset
q5: 3
q6: 1, 2
q7: 1, 2, 3
</answer>
user:
## subproblem b (1.0 points)
Ist M minimal? Begründen Sie Ihre Antwort kurz.
<options>
<option id="1">Ja</option>
<option id="2">Nein</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<answer id="3">
...
</answer>
Thoughts
**Determining minimal DFA M** I need to figure out if DFA M is minimal, but first, I should ensure that the DFA I have is correct based on what the user had in part a. Now, I'm focusing on subproblem b. It’s important to analyze the DFA’s transitions and labels carefully. I also want to verify that my examination of M, which should be derived from an NFA using subset construction, aligns correctly with the previous results. I’ll need to be cautious and recompute if necessary.**Analyzing NFA transitions** I’m examining an NFA with states 0, 1, 2, and 3. The start state is 0, and the final states are 0, 2, and 3. I’ve got the transitions mapped out, with no epsilon transitions to worry about. Now, I need to transform this into a DFA using subset construction over the alphabet {a, b}. My start state will be {0}, and I’ll consider accepting states based on intersections with {0, 2, 3}. I’ll compute the transitions for both 'a' and 'b' from the states to find reachable subsets.**Continuing NFA to DFA conversion** It looks like I’m reaching an empty set for some transitions. For 'b', the transition leads me to the state {0, 1}, which indicates a potential sink state. In the template I’m working with, that empty set sink seems to be q4. I noticed the transitions from q0 to q1 and q4 are labeled correctly based on the previous work. Now, moving on to q1, I find that it leads me to q2 as expected, progressing through my mappings. As I move through q2 and q3, I’m tracing the correct unions and states!**Finalizing DFA states and transitions** I've seen that in the mappings, q3 transitions back to itself for both 'a' and 'b', creating a self-loop. q7, which is {1, 2, 3}, also has self-loops on both letters. Then I look at q5, which leads to q6 on 'a' but goes to the empty set on 'b'. As I check everything, I see that all states and transitions align correctly with the template. I've identified the reachable states and confirmed that the final states include any set containing 0, 2, or 3.**Checking minimal DFA** I need to verify if the signatures refer to blocks that could be identical, which wouldn’t require splitting. For the minimal DFA, I find that states {q2, q6} and {q3, q7} are equivalent, while others like {q0}, {q1}, {q5}, and {q4} remain singletons. This means the original DFA M has 8 states, but the minimal version would have 6 by merging q2 with q6 and q3 with q7. I confirm both pairs are equivalent by checking their languages, leading me to conclude that M is not minimal. The final response can be formatted as: <option id="1">0</option> <option id="2">1</option> <answer id="3"> Nein. Z.B. q3 und q7 sind äquivalent (von beiden wird jede Fortsetzung akzeptiert, also L(q3)=L(q7)=Σ*). Ebenso sind q2 und q6 äquivalent (sie verhalten sich identisch bis auf Übergänge zu q3/q7, die wiederum äquivalent sind). Diese Zustände können verschmolzen werden; daher ist M nicht minimal. </answer>
Answer
<option id="1">0</option> <option id="2">1</option> <answer id="3"> Nein. q3 und q7 sind äquivalent (beide akzeptieren jede Fortsetzung, also Σ*), ebenso q2 und q6 (sie unterscheiden sich nur durch Übergänge zu q3 bzw. q7, die äquivalent sind). Diese Paare können zusammengelegt werden; M ist daher nicht minimal. </answer>
Ist M minimal? Begründen Sie Ihre Antwort kurz.
☐Ja☒Nein
Nein. q3 und q7 sind äquivalent (beide akzeptieren jede Fortsetzung, also Σ*), ebenso q2 und q6 (sie unterscheiden sich nur durch Übergänge zu q3 bzw. q7, die äquivalent sind). Diese Paare können zusammengelegt werden; M ist daher nicht minimal.
Subproblem c (4.0/4.0P)
Prompt
system:You are an AI assistant specializing in theoretical computer science. Your task is to answer a series of exam questions, providing accurate and well-reasoned responses that demonstrate a deep understanding of theoretical computer science concepts.
# Instructions
You must follow the given answer format.
If the exercises contains yes or no questions for you to answer, there will be one <option> element for each such question. You must answer these with either 0 or 1.
For longer answers, there will be <answer> elements. If the answer must follow a specific template, a corresponding <answer-template> element defines this template, and you MUST follow it precisely when providing your <answer>, as any deviations from the template will cause your answer to be invalid. A '?' symbol indicates a place for you to insert a short text, while a '???' symbol marks places for you to insert multi-line answers. To define the precise syntax to use, an <example> element may be provided. You MUST follow this syntax. However, note that the answers in the example may not be correct answers to the question.
Some questions relate to specific lecture material. In this case, the material will be provided in <context> elements for you to reference.
## Formatting
Always follow the format of the given exercise. If you are writing longer text, you can put text in *italics* or make it **bold**. Formulas should be given as LaTeX and enclosed properly, i.e. $...$ or \[...\].
user:# Exercise: DFA-Algorithmen
## subproblem a (6.0 points)
Wir betrachten den folgenden NFA $N$ über dem Alphabet $\Sigma=\{a,b\}$:
Zustände: 0, 1, 2, 3
Startzustand: 0
Finalzustände: 0, 2, 3
Transitionen:
0, b -> 0
0, b -> 1
1, b -> 1
1, b -> 2
2, a -> 3
2, b -> 3
3, a -> 1
3, a -> 2
Sei $M$ der DFA, den man erhält, wenn man $N$ mithilfe des Verfahrens aus der Vorlesung (Potenzmengenkonstruktion) zu einem DFA konvertiert. Tragen Sie $M$ in untere Schablone ein, indem Sie (1) die Transitionen beschriften, (2) die Finalzustände markieren, und (3) in der Tabelle rechts für jeden Zustand von $M$ die korrespondierende Menge an Zuständen aus $N$ eintragen.
Zustände: q0, q1, q2, q3, q4, q5, q6, q7
Startzustand: q0
Finalzustände: ?
Transitionen:
q0 -> q1
q0 -> q4
q1 -> q2
q1 -> q4
q2 -> q3
q2 -> q5
q3 -> q3
q3 -> q7
q7 -> q7
q7 -> q7
q5 -> q4
q5 -> q6
q6 -> q5
q6 -> q7
q4 -> q4
q4 -> q4
Zustandstabelle:
q0:
q1:
q2:
q3:
q4:
q5:
q6:
q7:
<answer-template id="1">
Finalzustände: ?
Transitionen:
???
Zustandstabelle:
q0: ?
q1: ?
q2: ?
q3: ?
q4: ?
q5: ?
q6: ?
q7: ?
</answer-template>
<example>
Finalzustände: q0, q1, q2
Transitionen:
q0, b -> q1
q0, a -> q4
...
Zustandstabelle:
q0: 0, 1
q1: \emptyset
q2: 0, 1, 2
...
</example>
### answer format
Give your answer in the following format:
<answer id="1">
...
</answer>
assistant:<answer id="1">
Finalzustände: q0, q1, q2, q3, q5, q6, q7
Transitionen:
q0, b -> q1
q0, a -> q4
q1, b -> q2
q1, a -> q4
q2, b -> q3
q2, a -> q5
q3, b -> q3
q3, a -> q7
q7, a -> q7
q7, b -> q7
q5, b -> q4
q5, a -> q6
q6, a -> q5
q6, b -> q7
q4, a -> q4
q4, b -> q4
Zustandstabelle:
q0: 0
q1: 0, 1
q2: 0, 1, 2
q3: 0, 1, 2, 3
q4: \emptyset
q5: 3
q6: 1, 2
q7: 1, 2, 3
</answer>
user:
## subproblem b (1.0 points)
Ist M minimal? Begründen Sie Ihre Antwort kurz.
<options>
<option id="1">Ja</option>
<option id="2">Nein</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<answer id="3">
...
</answer>
assistant:<option id="1">0</option>
<option id="2">1</option>
<answer id="3">
Nein. q3 und q7 sind äquivalent (beide akzeptieren jede Fortsetzung, also Σ*), ebenso q2 und q6 (sie unterscheiden sich nur durch Übergänge zu q3 bzw. q7, die äquivalent sind). Diese Paare können zusammengelegt werden; M ist daher nicht minimal.
</answer>
user:
## subproblem c (4.0 points)
Im Folgenden sind zwei DFAs $M_1$ und $M_2$ angegeben. Berechnen Sie nach dem Algorithmus aus der Vorlesung (Produktkonstruktion) einen DFA $M$ mit $L(M)=L(M_1)\cap L(M_2)$ und tragen Sie das Ergebnis unten ein. Konstruieren Sie nur die erreichbaren Zustände.
M_1:
Zustände: 0, 1, 2
Startzustand: 0
Finalzustände: 1, 2
Transitionen:
0, a -> 1
0, b -> 0
1, a -> 2
1, b -> 2
2, a -> 2
2, b -> 2
M_2:
Zustände: 0, 1, 2
Startzustand: 0
Finalzustände: 1, 2
Transitionen:
0, a -> 2
0, b -> 0
1, a -> 2
1, b -> 0
2, a -> 1
2, b -> 2
<answer-template id="1">
Zustände: ?
Startzustand: ?
Finalzustände: ?
Transitionen:
???
</answer-template>
<example>
Zustände: (0, 0), (0, 1), (1, 1)
Startzustand: (0, 0)
Finalzustände: (0, 0), (0, 1)
Transitionen:
(0, 0), a -> (0, 0)
(0, 0), b -> (0, 1)
(0, 1), a -> (1, 1)
(0, 1), b -> (0, 0)
(1, 1), a -> (1, 1)
(1, 1), b -> (0, 1)
</example>
### answer format
Give your answer in the following format:
<answer id="1">
...
</answer>
Answer
<answer id="1"> Zustände: (0, 0), (1, 2), (2, 1), (2, 2), (2, 0) Startzustand: (0, 0) Finalzustände: (1, 2), (2, 1), (2, 2) Transitionen: (0, 0), a -> (1, 2) (0, 0), b -> (0, 0) (1, 2), a -> (2, 1) (1, 2), b -> (2, 2) (2, 1), a -> (2, 2) (2, 1), b -> (2, 0) (2, 2), a -> (2, 1) (2, 2), b -> (2, 2) (2, 0), a -> (2, 2) (2, 0), b -> (2, 0) </answer>
Im Folgenden sind zwei DFAs und angegeben. Berechnen Sie nach dem Algorithmus aus der Vorlesung (Produktkonstruktion) einen DFA mit und tragen Sie das Ergebnis unten ein. Konstruieren Sie nur die erreichbaren Zustände. M_1: Zustände: 0, 1, 2 Startzustand: 0 Finalzustände: 1, 2 Transitionen: 0, a -> 1 0, b -> 0 1, a -> 2 1, b -> 2 2, a -> 2 2, b -> 2 M_2: Zustände: 0, 1, 2 Startzustand: 0 Finalzustände: 1, 2 Transitionen: 0, a -> 2 0, b -> 0 1, a -> 2 1, b -> 0 2, a -> 1 2, b -> 2
Zustände: (0, 0), (1, 2), (2, 1), (2, 2), (2, 0) Startzustand: (0, 0) Finalzustände: (1, 2), (2, 1), (2, 2) Transitionen: (0, 0), a -> (1, 2) (0, 0), b -> (0, 0) (1, 2), a -> (2, 1) (1, 2), b -> (2, 2) (2, 1), a -> (2, 2) (2, 1), b -> (2, 0) (2, 2), a -> (2, 1) (2, 2), b -> (2, 2) (2, 0), a -> (2, 2) (2, 0), b -> (2, 0)
Subproblem d (2.0/2.0P)
Prompt
system:You are an AI assistant specializing in theoretical computer science. Your task is to answer a series of exam questions, providing accurate and well-reasoned responses that demonstrate a deep understanding of theoretical computer science concepts.
# Instructions
You must follow the given answer format.
If the exercises contains yes or no questions for you to answer, there will be one <option> element for each such question. You must answer these with either 0 or 1.
For longer answers, there will be <answer> elements. If the answer must follow a specific template, a corresponding <answer-template> element defines this template, and you MUST follow it precisely when providing your <answer>, as any deviations from the template will cause your answer to be invalid. A '?' symbol indicates a place for you to insert a short text, while a '???' symbol marks places for you to insert multi-line answers. To define the precise syntax to use, an <example> element may be provided. You MUST follow this syntax. However, note that the answers in the example may not be correct answers to the question.
Some questions relate to specific lecture material. In this case, the material will be provided in <context> elements for you to reference.
## Formatting
Always follow the format of the given exercise. If you are writing longer text, you can put text in *italics* or make it **bold**. Formulas should be given as LaTeX and enclosed properly, i.e. $...$ or \[...\].
user:# Exercise: DFA-Algorithmen
## subproblem a (6.0 points)
Wir betrachten den folgenden NFA $N$ über dem Alphabet $\Sigma=\{a,b\}$:
Zustände: 0, 1, 2, 3
Startzustand: 0
Finalzustände: 0, 2, 3
Transitionen:
0, b -> 0
0, b -> 1
1, b -> 1
1, b -> 2
2, a -> 3
2, b -> 3
3, a -> 1
3, a -> 2
Sei $M$ der DFA, den man erhält, wenn man $N$ mithilfe des Verfahrens aus der Vorlesung (Potenzmengenkonstruktion) zu einem DFA konvertiert. Tragen Sie $M$ in untere Schablone ein, indem Sie (1) die Transitionen beschriften, (2) die Finalzustände markieren, und (3) in der Tabelle rechts für jeden Zustand von $M$ die korrespondierende Menge an Zuständen aus $N$ eintragen.
Zustände: q0, q1, q2, q3, q4, q5, q6, q7
Startzustand: q0
Finalzustände: ?
Transitionen:
q0 -> q1
q0 -> q4
q1 -> q2
q1 -> q4
q2 -> q3
q2 -> q5
q3 -> q3
q3 -> q7
q7 -> q7
q7 -> q7
q5 -> q4
q5 -> q6
q6 -> q5
q6 -> q7
q4 -> q4
q4 -> q4
Zustandstabelle:
q0:
q1:
q2:
q3:
q4:
q5:
q6:
q7:
<answer-template id="1">
Finalzustände: ?
Transitionen:
???
Zustandstabelle:
q0: ?
q1: ?
q2: ?
q3: ?
q4: ?
q5: ?
q6: ?
q7: ?
</answer-template>
<example>
Finalzustände: q0, q1, q2
Transitionen:
q0, b -> q1
q0, a -> q4
...
Zustandstabelle:
q0: 0, 1
q1: \emptyset
q2: 0, 1, 2
...
</example>
### answer format
Give your answer in the following format:
<answer id="1">
...
</answer>
assistant:<answer id="1">
Finalzustände: q0, q1, q2, q3, q5, q6, q7
Transitionen:
q0, b -> q1
q0, a -> q4
q1, b -> q2
q1, a -> q4
q2, b -> q3
q2, a -> q5
q3, b -> q3
q3, a -> q7
q7, a -> q7
q7, b -> q7
q5, b -> q4
q5, a -> q6
q6, a -> q5
q6, b -> q7
q4, a -> q4
q4, b -> q4
Zustandstabelle:
q0: 0
q1: 0, 1
q2: 0, 1, 2
q3: 0, 1, 2, 3
q4: \emptyset
q5: 3
q6: 1, 2
q7: 1, 2, 3
</answer>
user:
## subproblem b (1.0 points)
Ist M minimal? Begründen Sie Ihre Antwort kurz.
<options>
<option id="1">Ja</option>
<option id="2">Nein</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<answer id="3">
...
</answer>
assistant:<option id="1">0</option>
<option id="2">1</option>
<answer id="3">
Nein. q3 und q7 sind äquivalent (beide akzeptieren jede Fortsetzung, also Σ*), ebenso q2 und q6 (sie unterscheiden sich nur durch Übergänge zu q3 bzw. q7, die äquivalent sind). Diese Paare können zusammengelegt werden; M ist daher nicht minimal.
</answer>
user:
## subproblem c (4.0 points)
Im Folgenden sind zwei DFAs $M_1$ und $M_2$ angegeben. Berechnen Sie nach dem Algorithmus aus der Vorlesung (Produktkonstruktion) einen DFA $M$ mit $L(M)=L(M_1)\cap L(M_2)$ und tragen Sie das Ergebnis unten ein. Konstruieren Sie nur die erreichbaren Zustände.
M_1:
Zustände: 0, 1, 2
Startzustand: 0
Finalzustände: 1, 2
Transitionen:
0, a -> 1
0, b -> 0
1, a -> 2
1, b -> 2
2, a -> 2
2, b -> 2
M_2:
Zustände: 0, 1, 2
Startzustand: 0
Finalzustände: 1, 2
Transitionen:
0, a -> 2
0, b -> 0
1, a -> 2
1, b -> 0
2, a -> 1
2, b -> 2
<answer-template id="1">
Zustände: ?
Startzustand: ?
Finalzustände: ?
Transitionen:
???
</answer-template>
<example>
Zustände: (0, 0), (0, 1), (1, 1)
Startzustand: (0, 0)
Finalzustände: (0, 0), (0, 1)
Transitionen:
(0, 0), a -> (0, 0)
(0, 0), b -> (0, 1)
(0, 1), a -> (1, 1)
(0, 1), b -> (0, 0)
(1, 1), a -> (1, 1)
(1, 1), b -> (0, 1)
</example>
### answer format
Give your answer in the following format:
<answer id="1">
...
</answer>
assistant:<answer id="1">
Zustände: (0, 0), (1, 2), (2, 1), (2, 2), (2, 0)
Startzustand: (0, 0)
Finalzustände: (1, 2), (2, 1), (2, 2)
Transitionen:
(0, 0), a -> (1, 2)
(0, 0), b -> (0, 0)
(1, 2), a -> (2, 1)
(1, 2), b -> (2, 2)
(2, 1), a -> (2, 2)
(2, 1), b -> (2, 0)
(2, 2), a -> (2, 1)
(2, 2), b -> (2, 2)
(2, 0), a -> (2, 2)
(2, 0), b -> (2, 0)
</answer>
user:
## subproblem d (2.0 points)
Geben Sie jeweils ein kürzestes Wort in $L(M_1)\cap L(M_2)$, $L(M_1)\setminus L(M_2)$ und $L(M_2)\setminus L(M_1)$ an, oder $\emptyset$, falls kein solches Wort existiert.
*Hinweis:* Verwenden Sie Ihr Ergebnis aus c).
<answer-template id="1">
$L(M_1)\cap L(M_2)$: $?$
$L(M_1)\setminus L(M_2)$: $?$
$L(M_2)\setminus L(M_1)$: $?$
</answer-template>
### answer format
Give your answer in the following format:
<answer id="1">
...
</answer>
Thoughts
**Finalizing shortest word acceptance** I'm starting to analyze the words being accepted here. I’ve determined that “a” is indeed the shortest word with a length of 1. Now, let’s consider edge cases: I need to check if there are any other length 1 words accepted by both. I see that "b" is not accepted, but "a" is. So, it looks like "a" is the final answer for the shortest accepted word.
Answer
<answer id="1"> $L(M_1)\cap L(M_2)$: $a$ $L(M_1)\setminus L(M_2)$: $aab$ $L(M_2)\setminus L(M_1)$: $\emptyset$ </answer>
Geben Sie jeweils ein kürzestes Wort in , und an, oder , falls kein solches Wort existiert. Hinweis: Verwenden Sie Ihr Ergebnis aus c).
: : :
Subproblem e (5.0/5.0P)
Prompt
system:You are an AI assistant specializing in theoretical computer science. Your task is to answer a series of exam questions, providing accurate and well-reasoned responses that demonstrate a deep understanding of theoretical computer science concepts.
# Instructions
You must follow the given answer format.
If the exercises contains yes or no questions for you to answer, there will be one <option> element for each such question. You must answer these with either 0 or 1.
For longer answers, there will be <answer> elements. If the answer must follow a specific template, a corresponding <answer-template> element defines this template, and you MUST follow it precisely when providing your <answer>, as any deviations from the template will cause your answer to be invalid. A '?' symbol indicates a place for you to insert a short text, while a '???' symbol marks places for you to insert multi-line answers. To define the precise syntax to use, an <example> element may be provided. You MUST follow this syntax. However, note that the answers in the example may not be correct answers to the question.
Some questions relate to specific lecture material. In this case, the material will be provided in <context> elements for you to reference.
## Formatting
Always follow the format of the given exercise. If you are writing longer text, you can put text in *italics* or make it **bold**. Formulas should be given as LaTeX and enclosed properly, i.e. $...$ or \[...\].
user:# Exercise: DFA-Algorithmen
## subproblem a (6.0 points)
Wir betrachten den folgenden NFA $N$ über dem Alphabet $\Sigma=\{a,b\}$:
Zustände: 0, 1, 2, 3
Startzustand: 0
Finalzustände: 0, 2, 3
Transitionen:
0, b -> 0
0, b -> 1
1, b -> 1
1, b -> 2
2, a -> 3
2, b -> 3
3, a -> 1
3, a -> 2
Sei $M$ der DFA, den man erhält, wenn man $N$ mithilfe des Verfahrens aus der Vorlesung (Potenzmengenkonstruktion) zu einem DFA konvertiert. Tragen Sie $M$ in untere Schablone ein, indem Sie (1) die Transitionen beschriften, (2) die Finalzustände markieren, und (3) in der Tabelle rechts für jeden Zustand von $M$ die korrespondierende Menge an Zuständen aus $N$ eintragen.
Zustände: q0, q1, q2, q3, q4, q5, q6, q7
Startzustand: q0
Finalzustände: ?
Transitionen:
q0 -> q1
q0 -> q4
q1 -> q2
q1 -> q4
q2 -> q3
q2 -> q5
q3 -> q3
q3 -> q7
q7 -> q7
q7 -> q7
q5 -> q4
q5 -> q6
q6 -> q5
q6 -> q7
q4 -> q4
q4 -> q4
Zustandstabelle:
q0:
q1:
q2:
q3:
q4:
q5:
q6:
q7:
<answer-template id="1">
Finalzustände: ?
Transitionen:
???
Zustandstabelle:
q0: ?
q1: ?
q2: ?
q3: ?
q4: ?
q5: ?
q6: ?
q7: ?
</answer-template>
<example>
Finalzustände: q0, q1, q2
Transitionen:
q0, b -> q1
q0, a -> q4
...
Zustandstabelle:
q0: 0, 1
q1: \emptyset
q2: 0, 1, 2
...
</example>
### answer format
Give your answer in the following format:
<answer id="1">
...
</answer>
assistant:<answer id="1">
Finalzustände: q0, q1, q2, q3, q5, q6, q7
Transitionen:
q0, b -> q1
q0, a -> q4
q1, b -> q2
q1, a -> q4
q2, b -> q3
q2, a -> q5
q3, b -> q3
q3, a -> q7
q7, a -> q7
q7, b -> q7
q5, b -> q4
q5, a -> q6
q6, a -> q5
q6, b -> q7
q4, a -> q4
q4, b -> q4
Zustandstabelle:
q0: 0
q1: 0, 1
q2: 0, 1, 2
q3: 0, 1, 2, 3
q4: \emptyset
q5: 3
q6: 1, 2
q7: 1, 2, 3
</answer>
user:
## subproblem b (1.0 points)
Ist M minimal? Begründen Sie Ihre Antwort kurz.
<options>
<option id="1">Ja</option>
<option id="2">Nein</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<answer id="3">
...
</answer>
assistant:<option id="1">0</option>
<option id="2">1</option>
<answer id="3">
Nein. q3 und q7 sind äquivalent (beide akzeptieren jede Fortsetzung, also Σ*), ebenso q2 und q6 (sie unterscheiden sich nur durch Übergänge zu q3 bzw. q7, die äquivalent sind). Diese Paare können zusammengelegt werden; M ist daher nicht minimal.
</answer>
user:
## subproblem c (4.0 points)
Im Folgenden sind zwei DFAs $M_1$ und $M_2$ angegeben. Berechnen Sie nach dem Algorithmus aus der Vorlesung (Produktkonstruktion) einen DFA $M$ mit $L(M)=L(M_1)\cap L(M_2)$ und tragen Sie das Ergebnis unten ein. Konstruieren Sie nur die erreichbaren Zustände.
M_1:
Zustände: 0, 1, 2
Startzustand: 0
Finalzustände: 1, 2
Transitionen:
0, a -> 1
0, b -> 0
1, a -> 2
1, b -> 2
2, a -> 2
2, b -> 2
M_2:
Zustände: 0, 1, 2
Startzustand: 0
Finalzustände: 1, 2
Transitionen:
0, a -> 2
0, b -> 0
1, a -> 2
1, b -> 0
2, a -> 1
2, b -> 2
<answer-template id="1">
Zustände: ?
Startzustand: ?
Finalzustände: ?
Transitionen:
???
</answer-template>
<example>
Zustände: (0, 0), (0, 1), (1, 1)
Startzustand: (0, 0)
Finalzustände: (0, 0), (0, 1)
Transitionen:
(0, 0), a -> (0, 0)
(0, 0), b -> (0, 1)
(0, 1), a -> (1, 1)
(0, 1), b -> (0, 0)
(1, 1), a -> (1, 1)
(1, 1), b -> (0, 1)
</example>
### answer format
Give your answer in the following format:
<answer id="1">
...
</answer>
assistant:<answer id="1">
Zustände: (0, 0), (1, 2), (2, 1), (2, 2), (2, 0)
Startzustand: (0, 0)
Finalzustände: (1, 2), (2, 1), (2, 2)
Transitionen:
(0, 0), a -> (1, 2)
(0, 0), b -> (0, 0)
(1, 2), a -> (2, 1)
(1, 2), b -> (2, 2)
(2, 1), a -> (2, 2)
(2, 1), b -> (2, 0)
(2, 2), a -> (2, 1)
(2, 2), b -> (2, 2)
(2, 0), a -> (2, 2)
(2, 0), b -> (2, 0)
</answer>
user:
## subproblem d (2.0 points)
Geben Sie jeweils ein kürzestes Wort in $L(M_1)\cap L(M_2)$, $L(M_1)\setminus L(M_2)$ und $L(M_2)\setminus L(M_1)$ an, oder $\emptyset$, falls kein solches Wort existiert.
*Hinweis:* Verwenden Sie Ihr Ergebnis aus c).
<answer-template id="1">
$L(M_1)\cap L(M_2)$: $?$
$L(M_1)\setminus L(M_2)$: $?$
$L(M_2)\setminus L(M_1)$: $?$
</answer-template>
### answer format
Give your answer in the following format:
<answer id="1">
...
</answer>
assistant:<answer id="1">
$L(M_1)\cap L(M_2)$: $a$
$L(M_1)\setminus L(M_2)$: $aab$
$L(M_2)\setminus L(M_1)$: $\emptyset$
</answer>
user:
## subproblem e (5.0 points)
Sei $L\subseteq\{a,b,c\}^*$ eine Sprache. Wir definieren die Sprache $R_{c}(L)\subseteq\{a,b\}^*$ als die Menge der Wörter, die man erhält, wenn man aus jedem Wort von $L$ jedes Zeichen $c$ löscht.
Zum Beispiel gilt $R_{c}(\{ba, bca, cc, ca\})=\{ba,\varepsilon,a\}$.
Sei $M$ ein DFA mit $n$ Zuständen. Wählen Sie eine Funktion $f:\N\rightarrow\N$, sodass es einen DFA $M'$ für $R_{c}(L(M))$ mit höchstens $f(n)$ Zuständen gibt **und** beschreiben Sie einen Algorithmus, um $M'$ zu berechnen uns argumentieren Sie, wieso $M'$ höchstens $f(n)$ Zustände hat.
<answer-template id="1">
Ihre Wahl: $f(n):=?$
Begründung:
???
</answer-template>
### answer format
Give your answer in the following format:
<answer id="1">
...
</answer>
Answer
<answer id="1"> Ihre Wahl: $f(n):=2^{n}$ Begründung: - Idee: Behandle $c$-Transitionen als $\varepsilon$-Transitionen. Erhalte so einen $\varepsilon$-NFA $N$ über dem Alphabet $\{a,b\}$, der genau dann ein Wort $w\in\{a,b\}^*$ akzeptiert, wenn es in $M$ eine Ausführung gibt, in der man zwischen den $a/b$-Symbolen beliebig viele $c$ einfügt (also genau die Wörter in $R_c(L(M))$). - Konstruktion: 1) Gegeben $M=(Q,\{a,b,c\},\delta,q_0,F)$, berechne für jedes $q\in Q$ die $c$-Abschlussmenge $C(q)=\{p\in Q\mid q\xrightarrow{c^*}p\}$ (Transitiv-reflexiver Abschluss entlang der $c$-Kanten). 2) Definiere einen $\varepsilon$-NFA $N$ über $\{a,b\}$ mit Zustandsmenge $Q$, Startmenge $C(q_0)$, und für $x\in\{a,b\}$ die Übergänge $S \xrightarrow{x} C\big(\delta(S,x)\big)$, wobei $\delta(S,x)=\bigcup_{s\in S}\{\delta(s,x)\}$ und $C(S)=\bigcup_{s\in S}C(s)$. Akzeptierende Zustände sind die mit $C(S)\cap F\neq\emptyset$ (da wir den $c$-Abschluss nach jedem Schritt nehmen, äquivalent: aktueller $S$ schneidet $F$). 3) Wende auf $N$ die Potenzmengenkonstruktion an, beginnend bei $S_0=C(q_0)$ und mit Übergängen $S\xrightarrow{x}C(\delta(S,x))$ für $x\in\{a,b\}$. Die so erreichten Teilmengen sind die Zustände von $M'$, akzeptierend sind die $S$ mit $S\cap F\neq\emptyset$. - Korrektheit: Das Ersetzen der $c$-Kanten durch $\varepsilon$-Kanten simuliert genau das Löschen der $c$-Symbole, d.h. $L(N)=R_c(L(M))$. Die Potenzmengenkonstruktion liefert einen äquivalenten DFA $M'$ mit $L(M')=L(N)$. - Zustandsanzahl: Alle in der Konstruktion entstehenden Zustände sind Teilmengen von $Q$; somit gibt es höchstens $2^n$ Zustände. Dieser Bound ist im Worst Case tight (z.B. wenn alle $c$-Kanten Schleifen sind, so dass keine Reduktion durch $c$-Abschlüsse entsteht). </answer>
Sei eine Sprache. Wir definieren die Sprache als die Menge der Wörter, die man erhält, wenn man aus jedem Wort von jedes Zeichen löscht. Zum Beispiel gilt . Sei ein DFA mit Zuständen. Wählen Sie eine Funktion , sodass es einen DFA für mit höchstens Zuständen gibt und beschreiben Sie einen Algorithmus, um zu berechnen uns argumentieren Sie, wieso höchstens Zustände hat.
Ihre Wahl: Begründung: - Idee: Behandle -Transitionen als -Transitionen. Erhalte so einen -NFA über dem Alphabet , der genau dann ein Wort akzeptiert, wenn es in eine Ausführung gibt, in der man zwischen den -Symbolen beliebig viele einfügt (also genau die Wörter in ). - Konstruktion: 1) Gegeben , berechne für jedes die -Abschlussmenge (Transitiv-reflexiver Abschluss entlang der -Kanten). 2) Definiere einen -NFA über mit Zustandsmenge , Startmenge , und für die Übergänge , wobei und . Akzeptierende Zustände sind die mit (da wir den -Abschluss nach jedem Schritt nehmen, äquivalent: aktueller schneidet ). 3) Wende auf die Potenzmengenkonstruktion an, beginnend bei und mit Übergängen für . Die so erreichten Teilmengen sind die Zustände von , akzeptierend sind die mit . - Korrektheit: Das Ersetzen der -Kanten durch -Kanten simuliert genau das Löschen der -Symbole, d.h. . Die Potenzmengenkonstruktion liefert einen äquivalenten DFA mit . - Zustandsanzahl: Alle in der Konstruktion entstehenden Zustände sind Teilmengen von ; somit gibt es höchstens Zustände. Dieser Bound ist im Worst Case tight (z.B. wenn alle -Kanten Schleifen sind, so dass keine Reduktion durch -Abschlüsse entsteht).
Exercise 3: Rekursive Funktionen
Sei . Für eine Sprache bezeichnet die Sprache, die man erhält, wenn man den Wörtern aus höchstens eine Null an einer beliebigen Stelle hinzufügt. Formal definieren wir
Subproblem a (1.0/1.0P)
Prompt
system:You are an AI assistant specializing in theoretical computer science. Your task is to answer a series of exam questions, providing accurate and well-reasoned responses that demonstrate a deep understanding of theoretical computer science concepts.
# Instructions
You must follow the given answer format.
If the exercises contains yes or no questions for you to answer, there will be one <option> element for each such question. You must answer these with either 0 or 1.
For longer answers, there will be <answer> elements. If the answer must follow a specific template, a corresponding <answer-template> element defines this template, and you MUST follow it precisely when providing your <answer>, as any deviations from the template will cause your answer to be invalid. A '?' symbol indicates a place for you to insert a short text, while a '???' symbol marks places for you to insert multi-line answers. To define the precise syntax to use, an <example> element may be provided. You MUST follow this syntax. However, note that the answers in the example may not be correct answers to the question.
Some questions relate to specific lecture material. In this case, the material will be provided in <context> elements for you to reference.
## Formatting
Always follow the format of the given exercise. If you are writing longer text, you can put text in *italics* or make it **bold**. Formulas should be given as LaTeX and enclosed properly, i.e. $...$ or \[...\].
user:# Exercise: Rekursive Funktionen
Sei $\Sigma:=\{0,1\}$. Für eine Sprache $L\subseteq\Sigma^*$ bezeichnet $N(L)$ die Sprache, die man erhält, wenn man den Wörtern aus $L$ **höchstens eine** Null an einer beliebigen Stelle hinzufügt. Formal definieren wir
\[N(L):= \{vxw \mid v,w\in \Sigma^*\wedge x\in \{0,\varepsilon\}\wedge vw\in L\}\]
## subproblem a (1.0 points)
Listen Sie alle Wörter der Sprache $N(\{01, 0\})$ explizit auf:
<answer-template id="1">
$N(\{01, 0\})=\{?\}$
</answer-template>
<example>
$N(\{01, 0\})=\{\varepsilon, 0, 01\}$
</example>
### answer format
Give your answer in the following format:
<answer id="1">
...
</answer>
Answer
<answer id="1"> $N(\{01, 0\})=\{0,00,01,001,010\}$ </answer>
Listen Sie alle Wörter der Sprache explizit auf:
Subproblem b (5.0/6.0P)
Prompt
system:You are an AI assistant specializing in theoretical computer science. Your task is to answer a series of exam questions, providing accurate and well-reasoned responses that demonstrate a deep understanding of theoretical computer science concepts.
# Instructions
You must follow the given answer format.
If the exercises contains yes or no questions for you to answer, there will be one <option> element for each such question. You must answer these with either 0 or 1.
For longer answers, there will be <answer> elements. If the answer must follow a specific template, a corresponding <answer-template> element defines this template, and you MUST follow it precisely when providing your <answer>, as any deviations from the template will cause your answer to be invalid. A '?' symbol indicates a place for you to insert a short text, while a '???' symbol marks places for you to insert multi-line answers. To define the precise syntax to use, an <example> element may be provided. You MUST follow this syntax. However, note that the answers in the example may not be correct answers to the question.
Some questions relate to specific lecture material. In this case, the material will be provided in <context> elements for you to reference.
## Formatting
Always follow the format of the given exercise. If you are writing longer text, you can put text in *italics* or make it **bold**. Formulas should be given as LaTeX and enclosed properly, i.e. $...$ or \[...\].
user:# Exercise: Rekursive Funktionen
Sei $\Sigma:=\{0,1\}$. Für eine Sprache $L\subseteq\Sigma^*$ bezeichnet $N(L)$ die Sprache, die man erhält, wenn man den Wörtern aus $L$ **höchstens eine** Null an einer beliebigen Stelle hinzufügt. Formal definieren wir
\[N(L):= \{vxw \mid v,w\in \Sigma^*\wedge x\in \{0,\varepsilon\}\wedge vw\in L\}\]
## subproblem a (1.0 points)
Listen Sie alle Wörter der Sprache $N(\{01, 0\})$ explizit auf:
<answer-template id="1">
$N(\{01, 0\})=\{?\}$
</answer-template>
<example>
$N(\{01, 0\})=\{\varepsilon, 0, 01\}$
</example>
### answer format
Give your answer in the following format:
<answer id="1">
...
</answer>
assistant:<answer id="1">
$N(\{01, 0\})=\{0,00,01,001,010\}$
</answer>
user:
## subproblem b (6.0 points)
Geben Sie eine rekursive Funktion $\Null$ an, sodass $\Null(r)$ ein regulärer Ausdruck mit $L(\Null(r)) = N(L(r))$ ist, für jeden regulären Ausdruck $r$. Im Folgenden sind $r,r_1,r_2$ reguläre Ausdrücke, und $a\in \Sigma$.
<answer-template id="1">
$\Null(\emptyset) := ?$
$\Null(\epsilon) := ?$
$\Null(a) := ?$
$\Null(r_1 \mid r_2) := ?$
$\Null(r_1 r_2) := ?$
$\Null(r^*) := ?$
</answer-template>
<example>
$\Null(\emptyset) := \epsilon$
...
$\Null(r_1 \mid r_2) := \Null(r_1) \Null(r_2)$
...
</example>
### answer format
Give your answer in the following format:
<answer id="1">
...
</answer>
Thoughts
**Defining recursively** I'm thinking about defining recursively with an auxiliary function. It seems they might be expecting definitional forms like derivatives. For the empty set (∅), I note that N(∅) = ∅ since there are no words to insert into it. Next, for the empty string (ε), I realize N({ε}) gives us {ε, 0} because we can insert a zero. When considering a single character 'a', there are placements at both ends for inserting zero, but just those two positions since it's only one character.**Analyzing length one strings** For a string of length one, there are two positions: at the beginning and end. The definition uses a split where vw = a, inserting a zero between them. Possible combinations for v and w are either ε/a or a/ε. This means inserting zero could yield "0a" or "a0," but "a" itself doesn't get affected. So, N({a}) results in {a, 0a, a0}. If a is zero, we might face duplicates, which are acceptable. For null(a), I think it should be expressed in regex as 0?a0?, but one has to be cautious with the optional "?" because it's not standard for every case.**Clarifying optional zero insertions** I realize that I need to consider if a format like "0a0" is allowed, which would mean inserting two zeros around "a". This isn't acceptable since we can only have at most one zero globally. So, I conclude that we can't have both optional zeros simultaneously. For a single symbol, "0 a 0" implies two insertions, which isn’t right. Thus, for Null(a), it should be expressed as a ∪ 0a ∪ a0. For general regex, we need to ensure only one insertion is allowed throughout the string to avoid multiple zeros appearing.**Computing regex pairs** I’m thinking about a common approach to define two regexes, U(r) and V(r). Here, U describes strings generated from r without zeros, while V describes those where zeros have been inserted. This leads to N(L(r)) being the union of U(r) and V(r). U(r) equals L(r), and V(r) represents the language with zeros inserted. We also need a single transform, Null(r), which can be expressed recursively using two mutually recursive functions. Id(r) would be the input itself, while Ins(r) denotes languages formed by exactly one insertion of zero. So, I think Null(r) can be simplified to r | Ins(r)!**Defining insertions and unions** I realize that the positions for inserting zero can be within either r1, r2, or at their boundary. So I define Ins(r1 r2) as Ins(r1) r2 | r1 Ins(r2) | r1 0 r2. I need to be careful about boundary insertions, as they might already be counted. With this, Ins(r1) includes strings from L(r1) with one zero included, and similarly for r2. Since we’ve handled potential duplications, I think I can simplify Ins(r1 r2) to Ins(r1) r2 | r1 Ins(r2). For the star operation, Ins(r*) should capture all ways to insert one zero in a set of concatenated sequences. So, I see that this leads to Null(r) being defined as r | Ins(r). However, it seems I need to ensure I’m writing the definitions correctly without referencing auxiliary functions like Ins, keeping the constraints in mind. If I need to prevent multiple insertions when concatenating, I should carefully construct my definitions to make sure they uphold the at-most-one-insertion rule overall.**Defining Null functions** I'm questioning whether my definitions could lead to double counting or miss boundary insertions. Insertions at the boundary can be represented by positioning zero at the end of L1 or the beginning of L2. I think I’ve included both "no insertion" and possible insertions correctly here. So, my definitions yield Null(r1 r2) = (Null(r1) r2) | (r1 Null(r2)). It seems right since they consider at most one insertion. For the star operation, I define Null(r*) as ensuring only one insertion across repetitions. When inserting, whether I'm dealing with ε or symbols, I must take care to manage duplicates, especially with the alphabet being Σ = {0,1}. So my function forms appear sound overall!**Finalizing Null definitions** I’ve thought about compressing Null(ε) = ε | 0, which appears good. I want to check if our Null function stands up by testing it against calculated examples. For instance, when computing Null for the regex that represents {01,0}, it checks out properly and gives us the expected results. Also, with the star cases, my function seems consistent as well. Now, I need to format our definitions correctly and ensure proper notation is used throughout. Here’s how I’ve organized them: - Null(∅) := ∅ - Null(ε) := ε | 0 - Null(a) := a | 0a | a0 - Null(r1 | r2) := Null(r1) | Null(r2) - Null(r1 r2) := Null(r1) r2 | r1 Null(r2) - Null(r^*) := r^* Null(r) r^*
Answer
<answer id="1"> $\Null(\emptyset) := \emptyset$ $\Null(\epsilon) := \epsilon \mid 0$ $\Null(a) := a \mid 0a \mid a0$ $\Null(r_1 \mid r_2) := \Null(r_1) \mid \Null(r_2)$ $\Null(r_1 r_2) := \Null(r_1)\, r_2 \mid r_1\, \Null(r_2)$ $\Null(r^*) := r^*\, \Null(r)\, r^*$ </answer>
Geben Sie eine rekursive Funktion an, sodass ein regulärer Ausdruck mit ist, für jeden regulären Ausdruck . Im Folgenden sind reguläre Ausdrücke, und .
Subproblem c (6.0/6.0P)
Prompt
system:You are an AI assistant specializing in theoretical computer science. Your task is to answer a series of exam questions, providing accurate and well-reasoned responses that demonstrate a deep understanding of theoretical computer science concepts.
# Instructions
You must follow the given answer format.
If the exercises contains yes or no questions for you to answer, there will be one <option> element for each such question. You must answer these with either 0 or 1.
For longer answers, there will be <answer> elements. If the answer must follow a specific template, a corresponding <answer-template> element defines this template, and you MUST follow it precisely when providing your <answer>, as any deviations from the template will cause your answer to be invalid. A '?' symbol indicates a place for you to insert a short text, while a '???' symbol marks places for you to insert multi-line answers. To define the precise syntax to use, an <example> element may be provided. You MUST follow this syntax. However, note that the answers in the example may not be correct answers to the question.
Some questions relate to specific lecture material. In this case, the material will be provided in <context> elements for you to reference.
## Formatting
Always follow the format of the given exercise. If you are writing longer text, you can put text in *italics* or make it **bold**. Formulas should be given as LaTeX and enclosed properly, i.e. $...$ or \[...\].
user:# Exercise: Rekursive Funktionen
Sei $\Sigma:=\{0,1\}$. Für eine Sprache $L\subseteq\Sigma^*$ bezeichnet $N(L)$ die Sprache, die man erhält, wenn man den Wörtern aus $L$ **höchstens eine** Null an einer beliebigen Stelle hinzufügt. Formal definieren wir
\[N(L):= \{vxw \mid v,w\in \Sigma^*\wedge x\in \{0,\varepsilon\}\wedge vw\in L\}\]
## subproblem a (1.0 points)
Listen Sie alle Wörter der Sprache $N(\{01, 0\})$ explizit auf:
<answer-template id="1">
$N(\{01, 0\})=\{?\}$
</answer-template>
<example>
$N(\{01, 0\})=\{\varepsilon, 0, 01\}$
</example>
### answer format
Give your answer in the following format:
<answer id="1">
...
</answer>
assistant:<answer id="1">
$N(\{01, 0\})=\{0,00,01,001,010\}$
</answer>
user:
## subproblem b (6.0 points)
Geben Sie eine rekursive Funktion $\Null$ an, sodass $\Null(r)$ ein regulärer Ausdruck mit $L(\Null(r)) = N(L(r))$ ist, für jeden regulären Ausdruck $r$. Im Folgenden sind $r,r_1,r_2$ reguläre Ausdrücke, und $a\in \Sigma$.
<answer-template id="1">
$\Null(\emptyset) := ?$
$\Null(\epsilon) := ?$
$\Null(a) := ?$
$\Null(r_1 \mid r_2) := ?$
$\Null(r_1 r_2) := ?$
$\Null(r^*) := ?$
</answer-template>
<example>
$\Null(\emptyset) := \epsilon$
...
$\Null(r_1 \mid r_2) := \Null(r_1) \Null(r_2)$
...
</example>
### answer format
Give your answer in the following format:
<answer id="1">
...
</answer>
assistant:<answer id="1">
$\Null(\emptyset) := \emptyset$
$\Null(\epsilon) := \epsilon \mid 0$
$\Null(a) := a \mid 0a \mid a0$
$\Null(r_1 \mid r_2) := \Null(r_1) \mid \Null(r_2)$
$\Null(r_1 r_2) := \Null(r_1)\, r_2 \mid r_1\, \Null(r_2)$
$\Null(r^*) := r^*\, \Null(r)\, r^*$
</answer>
user:
## subproblem c (6.0 points)
Gegeben sei die folgende rekursive Funktion über dem Alphabet $\Sigma:=\{0,1\}$:
$\Cut(\emptyset) := \emptyset$
$\Cut(0) := \emptyset$
$\Cut(r_1 \mid r_2) := \Cut(r_1) \mid \Cut(r_2)$
$\Cut(r^*) := r^*\Cut(r)$
$\Cut(\epsilon) := \emptyset$
$\Cut(1) := \epsilon$
$\Cut(r_1 r_2) := \Cut(r_1)\mid r_1\Cut(r_2)$
Per struktureller Induktion über $r$ lässt sich zeigen, dass für alle $u,v\in\Sigma^*$ mit $u1v\in L(r)$ gilt, dass $u\in L(\Cut(r))$.
Vervollständigen Sie den Beweis für den Fall $r=r_1r_2$. Ergänzen Sie die Induktionshypothese(n) und führen Sie dann den Beweis. Kennzeichnen Sie Verwendungen der Induktionshypothesen im Beweis deutlich.
*Zu zeigen:* Für alle $u1v\in L(r_1r_2)$ mit $u,v\in\Sigma^*$ gilt $u\in L(\Cut(r_1r_2))$.
<answer-template id="1">
Induktionshypothese(n) für den Fall $r=r_1r_2$:
???
Beweis des Falls $r=r_1r_2$:
???
</answer-template>
### answer format
Give your answer in the following format:
<answer id="1">
...
</answer>
Thoughts
**Evaluating string pairs** I'm analyzing occurrences of '1' in specific string configurations. For strings containing multiple '1's, each can generate unique pairs (u, v). In the context of u1v=xy, where x is from language L(r1) and y from L(r2), I need to determine the placement of '1'. If '1' is in x, it leads to splitting where 'u' is a prefix before '1', connecting back to the relationship of 'u' and its prefix. It’s quite a complex relationship!**Applying induction on r1** I’m applying the induction hypothesis (IH) on r1. Since u1t is in L(r1), it follows that u is also in L(Cut(r1)). By inclusion, u is in L(Cut(r1) | r1 Cut(r2), so I note that I've used the IH. Now, if '1' is in y, that means x contains no '1' before this specific occurrence. So now I need to define the structure, where y can be represented as p1q, allowing me to unify the components by expressing u as x concatenated with p. It's a bit intricate!**Applying induction on r2** Next, I’m applying the induction hypothesis (IH) to r2. Since p1q is in L(r2), where p is u' and q is v', that means p is in L(Cut(r2)). Consequently, u equals xp, which is also in L(r1 Cut(r2)), since x is in L(r1). Starting with “Let u, v where u1v is in L(r1 r2),” I recognize there are cases to consider. We either find p and q such that y equals p1q with u equal to xp, or we could consider x as u1t. However, this isn’t exhaustive since '1' could be in various positions in x. I have a lot to untangle!**Analyzing position of '1'** I’m checking the position of '1' to see if it's in x or y based on its size relative to |x|. When considering |u| + 1, I set two cases: If |u| + 1 is less than or equal to |x|, I can express x as u1s, leading to u being in L(Cut(r1)). If it's greater, then '1' must be in y. I’ll define y as p1q, allowing me to apply the induction hypothesis to show p is in L(Cut(r2)). I just need to follow the answer structure now!**Stating induction hypotheses** I need to outline the induction hypotheses (IH) for both r1 and r2. For r1, I state that for all u', v' in Σ*, if u'1v' is in L(r1), then u' is in L(Cut(r1)). For r2, it’s the same idea, but with L(r2). I’ll then present the proof, considering u1v's presence in L(r1r2). It involves examining the position of '1' concerning x from L(r1) and y from L(r2). I'll clarify the cases and ensure I mark occurrences of IH appropriately while using proper German phrasing throughout. Let's prepare it for the final format!
Answer
<answer id="1"> Induktionshypothese(n) für den Fall $r=r_1r_2$: IH$_1$: Für alle $u',v'\in\Sigma^*$ gilt: Wenn $u'1v'\in L(r_1)$, dann $u'\in L(\Cut(r_1))$. IH$_2$: Für alle $u',v'\in\Sigma^*$ gilt: Wenn $u'1v'\in L(r_2)$, dann $u'\in L(\Cut(r_2))$. Beweis des Falls $r=r_1r_2$: Seien $u,v\in\Sigma^*$ mit $u1v\in L(r_1r_2)$. Dann gibt es $x\in L(r_1)$ und $y\in L(r_2)$ mit $u1v=xy$. Betrachte die Lage des ausgezeichneten Zeichens $1$ relativ zur Zerlegung $xy$. Fall 1: $1$ liegt in $x$. Dann existiert $t\in\Sigma^*$ mit $x=u1t$. Also $u1t\in L(r_1)$. Nach IH$_1$ (Anwendung der IH$_1$) folgt $u\in L(\Cut(r_1))$. Damit $u\in L(\Cut(r_1)\mid r_1\Cut(r_2))=L(\Cut(r_1r_2))$ (per Definition von $\Cut$). Fall 2: $1$ liegt in $y$. Dann existieren $p,q\in\Sigma^*$ mit $y=p1q$ und $u=xp$. Da $p1q\in L(r_2)$, liefert IH$_2$ (Anwendung der IH$_2$) $p\in L(\Cut(r_2))$. Mit $x\in L(r_1)$ folgt $u=xp\in L(r_1\Cut(r_2))$. Also $u\in L(\Cut(r_1)\mid r_1\Cut(r_2))=L(\Cut(r_1r_2))$. In beiden Fällen gilt $u\in L(\Cut(r_1r_2))$. Damit ist der Fall $r=r_1r_2$ gezeigt. </answer>
Gegeben sei die folgende rekursive Funktion über dem Alphabet : Per struktureller Induktion über lässt sich zeigen, dass für alle mit gilt, dass . Vervollständigen Sie den Beweis für den Fall . Ergänzen Sie die Induktionshypothese(n) und führen Sie dann den Beweis. Kennzeichnen Sie Verwendungen der Induktionshypothesen im Beweis deutlich. Zu zeigen: Für alle mit gilt .
Induktionshypothese(n) für den Fall : IH: Für alle gilt: Wenn , dann . IH: Für alle gilt: Wenn , dann . Beweis des Falls : Seien mit . Dann gibt es und mit . Betrachte die Lage des ausgezeichneten Zeichens relativ zur Zerlegung . Fall 1: liegt in . Dann existiert mit . Also . Nach IH (Anwendung der IH) folgt . Damit (per Definition von ). Fall 2: liegt in . Dann existieren mit und . Da , liefert IH (Anwendung der IH) . Mit folgt . Also . In beiden Fällen gilt . Damit ist der Fall gezeigt.
Exercise 4: CFG-Algorithmen
In den Teilaufgaben (a)-(d) geht es darum, eine kontextfreie Grammatik (CFG) in Chomsky-Normalform (CNF) zu konvertieren. Wir führen jeden Schritt einzeln aus, und jeweils auf einer anderen Grammatik – Sie können also die Aufgabenteile unabhängig voneinander bearbeiten. Eine CFG ist in CNF, wenn jede Produktion , mit und , folgende Bedingungen erfüllt: (1) ; Terminale dürfen nur in Produktionen der Länge 1 erzeugt werden. (2) ; jede Produktion hat höchstens Länge . (3) ; es gibt keine -Produktionen. (4) ; es gibt keine Kettenproduktionen. Achtung: Die Teilaufgaben fragen jeweils spezifisch nach dem Ergebnis, das sich durch die Ausführung des Algorithmus aus der Vorlesung ergibt, nicht nach einer beliebigen äquivalenten CFG, die den Bedingungen genügt. Details, wie etwa die Namen der Variablen oder die Reihenfolge, in der Produktionen betrachtet werden, können Sie frei wählen. Wir nennen eine -Produktion. \begin{Lemma} Zu jeder CFG kann man eine CFG konstruieren, die keine -Produktionen enthält, so dass gilt \end{Lemma} Wir erweitern induktiv zu eine Obermenge : \begin{enumerate} \item Jede Produktion aus ist in \item Sind \alert{} und \alert{} in , so füge auch \alert{} hinzu. \end{enumerate} Offensichtlich gilt : Jede neue Produktion kann von 2 alten Productionensimuliert werden. Wir definieren als ohne die -Produktionen. Denn diese sind nun überflüssig. Wir nennen eine Kettenproduktion. \begin{Lemma} Zu jeder CFG kann man eine CFG konstruieren, die keine Kettenproduktionen enthält, so dass gilt . \end{Lemma} \begin{Beweis} Wir erweitern induktiv zu eine Obermenge : \begin{enumerate} \item Jede Produktion aus ist in \item Sind \alert{} und \alert{} in mit , so füge auch \alert{} hinzu. \end{enumerate} Das Ergebnis ist ohne die (nun überflüssigen) Kettenproduktionen. \paragraph{Konstruktion einer Chomsky-Normalform} Eingabe: Eine kontextfreie Grammatik \begin{enumerate} \item Füge für jedes , das in einer rechten Seite der Länge vorkommt, ein neues Nichtterminal zu hinzu, ersetze in allen rechten Seiten der Länge durch , und füge zu hinzu. \item Ersetze jede Produktion der Form durch wobei neue Nichtterminale sind. \item Eliminiere alle -Produktionen. \item Eliminiere alle Kettenproduktionen. \end{enumerate}
Subproblem a (2.0/2.0P)
Prompt
system:You are an AI assistant specializing in theoretical computer science. Your task is to answer a series of exam questions, providing accurate and well-reasoned responses that demonstrate a deep understanding of theoretical computer science concepts.
# Instructions
You must follow the given answer format.
If the exercises contains yes or no questions for you to answer, there will be one <option> element for each such question. You must answer these with either 0 or 1.
For longer answers, there will be <answer> elements. If the answer must follow a specific template, a corresponding <answer-template> element defines this template, and you MUST follow it precisely when providing your <answer>, as any deviations from the template will cause your answer to be invalid. A '?' symbol indicates a place for you to insert a short text, while a '???' symbol marks places for you to insert multi-line answers. To define the precise syntax to use, an <example> element may be provided. You MUST follow this syntax. However, note that the answers in the example may not be correct answers to the question.
Some questions relate to specific lecture material. In this case, the material will be provided in <context> elements for you to reference.
## Formatting
Always follow the format of the given exercise. If you are writing longer text, you can put text in *italics* or make it **bold**. Formulas should be given as LaTeX and enclosed properly, i.e. $...$ or \[...\].
user:# Exercise: CFG-Algorithmen
In den Teilaufgaben (a)-(d) geht es darum, eine kontextfreie Grammatik (CFG) in Chomsky-Normalform (CNF) zu konvertieren. Wir führen jeden Schritt einzeln aus, und jeweils auf einer anderen Grammatik – Sie können also die Aufgabenteile unabhängig voneinander bearbeiten.
Eine CFG $G=(V,\Sigma,P,S)$ ist in CNF, wenn jede Produktion $(X\rightarrow\alpha)\in P$, mit $X\in V$ und $\alpha\in(\Sigma\cup V)^*$, folgende Bedingungen erfüllt:
(1) $\alpha\in\Sigma\cup V^*$; Terminale dürfen nur in Produktionen der Länge 1 erzeugt werden.
(2) $|\alpha|\le2$; jede Produktion hat höchstens Länge $2$.
(3) $\alpha\ne\varepsilon$; es gibt keine $\varepsilon$-Produktionen.
(4) $\alpha\notin V$; es gibt keine Kettenproduktionen.
**Achtung:** Die Teilaufgaben fragen jeweils spezifisch nach dem Ergebnis, das sich durch die Ausführung des Algorithmus aus der Vorlesung ergibt, nicht nach einer beliebigen äquivalenten CFG, die den Bedingungen genügt. Details, wie etwa die Namen der Variablen oder die Reihenfolge, in der Produktionen betrachtet werden, können Sie frei wählen.
Wir nennen $A \rightarrow \epsilon$ eine *$\epsilon$-Produktion*.
\begin{Lemma}
Zu jeder CFG $G = (V,\Sigma,P,S)$ kann man eine CFG $G'$ konstruieren, die keine $\epsilon$-Produktionen enthält, so dass gilt
$L(G') = L(G)\setminus\{\epsilon\}$
\end{Lemma}
Wir erweitern $P$ induktiv zu eine Obermenge $\hat{P}$:
\begin{enumerate}
\item Jede Produktion aus $P$ ist in $\hat{P}$
\item Sind \alert{$B \rightarrow \epsilon$} und \alert{$A \rightarrow \alpha B \beta$} in $\hat{P}$, so füge auch \alert{$A \rightarrow \alpha\beta$} hinzu.
\end{enumerate}
Offensichtlich gilt $L(\hat{G}) = L(G)$: Jede neue Produktion kann von 2 alten Productionensimuliert werden.
Wir definieren $G'$ als $\hat{G}$ ohne die $\epsilon$-Produktionen. Denn diese sind nun überflüssig.
Wir nennen $A \rightarrow B$ eine *Kettenproduktion*.
\begin{Lemma}
Zu jeder CFG $G = (V,\Sigma,P,S)$ kann man eine CFG $G'$ konstruieren, die keine Kettenproduktionen enthält, so dass gilt $L(G') = L(G)$.
\end{Lemma}
\begin{Beweis}
Wir erweitern $P$ induktiv zu eine Obermenge $\hat{P}$:
\begin{enumerate}
\item Jede Produktion aus $P$ ist in $\hat{P}$
\item Sind \alert{$A \rightarrow B$} und \alert{$B \rightarrow \alpha$} in $\hat{P}$ mit $\alpha \neq A$, so füge auch \alert{$A \rightarrow \alpha$} hinzu.
\end{enumerate}
Das Ergebnis $G'$ ist $\hat{G}$ ohne die (nun überflüssigen) Kettenproduktionen.
\paragraph{Konstruktion einer Chomsky-Normalform}
Eingabe: Eine kontextfreie Grammatik $G = (V,\Sigma,P,S)$
\begin{enumerate}
\item Füge für jedes $a\in\Sigma$, das in einer rechten Seite der Länge $\geq2$ vorkommt, ein neues Nichtterminal $A_a$ zu $V$ hinzu, ersetze $a$ in allen rechten Seiten der Länge $\geq 2$ durch $A_a$, und füge $A_a\rightarrow a$ zu $P$ hinzu.
\item Ersetze jede Produktion der Form
\[A\rightarrow B_1B_2 \cdots B_k (k \geq 3)\]
durch
\[A \rightarrow B_1C_2,\ C_2 \rightarrow B_2C_3, ..., C_{k-1} \rightarrow B_{k-1}B_k \]
wobei $C_2, ..., C_{k-1}$ neue Nichtterminale sind.
\item Eliminiere alle $\epsilon$-Produktionen.
\item Eliminiere alle Kettenproduktionen.
\end{enumerate}
## subproblem a (2.0 points)
*Entfernen von Terminalen in langen Produktionen.* Die CFG $G_a$ ist gegeben durch folgende Produktionen:
$S \rightarrow aX \mid Xa \mid ab$
$X \rightarrow SS \mid S \mid \varepsilon \mid bXX$
Führen Sie den ersten Schritt des Algorithmus zur Überführung in CNF aus und geben Sie die Produktionen einer CFG $G'_a$ an, so dass $L(G_a) = L(G'_a)$ gilt und $G'_a$ Bedingung (1) erfüllt.
<example>
$S \rightarrow XX \mid aa \mid \varepsilon$
$X \rightarrow SX \mid X$
...
</example>
### answer format
Give your answer in the following format:
<answer id="1">
...
</answer>
Thoughts
**Identifying long RHS** I’m identifying long right-hand sides (RHS) with a length of at least 2. I found instances like S -> aX, and X -> SS. For each terminal 'a' or 'b' in the RHS that meets this length requirement, I'll introduce new nonterminals A_a and A_b. These serve as replacements, ensuring that whenever I see 'a' or 'b', I replace them correctly while maintaining the structure. It’s important to check for length 1 productions, but it seems there aren't any terminal productions of that length in the provided grammar.**Finalizing G'_a productions** I need to introduce new nonterminals A_a and A_b, and I'm opting for these names to be explicit. In the updated productions, I’ll replace occurrences like aX with A_a X, and similarly for the other combinations. I must ensure we keep the original productions, such as X -> ε, intact while adding the new rules A_a -> a and A_b -> b. This setup guarantees that terminals show up only in the length-1 productions, satisfying the conditions for equivalence between G_a and G'_a through step 1.**Presenting in required format** I need to format my answer correctly, starting with the lines inside `<answer id="1">`. My productions will look like this: S -> A_a X | X A_a | A_a A_b X -> SS | S | ε | A_b X X A_a -> a A_b -> b I noticed the instructions allow me to choose variable names freely, which is great! About the epsilon, the guidelines show both ε and \varepsilon, so I'll choose ε for simplicity. I must make sure that I stick to the exact replacements we discussed, specifically noting how S → ab changes to A_a A_b. Alright, I think I've got it ready!
Answer
<answer id="1"> S -> A_a X | X A_a | A_a A_b X -> SS | S | ε | A_b X X A_a -> a A_b -> b </answer>
Entfernen von Terminalen in langen Produktionen. Die CFG ist gegeben durch folgende Produktionen: Führen Sie den ersten Schritt des Algorithmus zur Überführung in CNF aus und geben Sie die Produktionen einer CFG an, so dass gilt und Bedingung (1) erfüllt.
S -> A_a X | X A_a | A_a A_b X -> SS | S | ε | A_b X X A_a -> a A_b -> b
Subproblem b (2.0/2.0P)
Prompt
system:You are an AI assistant specializing in theoretical computer science. Your task is to answer a series of exam questions, providing accurate and well-reasoned responses that demonstrate a deep understanding of theoretical computer science concepts.
# Instructions
You must follow the given answer format.
If the exercises contains yes or no questions for you to answer, there will be one <option> element for each such question. You must answer these with either 0 or 1.
For longer answers, there will be <answer> elements. If the answer must follow a specific template, a corresponding <answer-template> element defines this template, and you MUST follow it precisely when providing your <answer>, as any deviations from the template will cause your answer to be invalid. A '?' symbol indicates a place for you to insert a short text, while a '???' symbol marks places for you to insert multi-line answers. To define the precise syntax to use, an <example> element may be provided. You MUST follow this syntax. However, note that the answers in the example may not be correct answers to the question.
Some questions relate to specific lecture material. In this case, the material will be provided in <context> elements for you to reference.
## Formatting
Always follow the format of the given exercise. If you are writing longer text, you can put text in *italics* or make it **bold**. Formulas should be given as LaTeX and enclosed properly, i.e. $...$ or \[...\].
user:# Exercise: CFG-Algorithmen
In den Teilaufgaben (a)-(d) geht es darum, eine kontextfreie Grammatik (CFG) in Chomsky-Normalform (CNF) zu konvertieren. Wir führen jeden Schritt einzeln aus, und jeweils auf einer anderen Grammatik – Sie können also die Aufgabenteile unabhängig voneinander bearbeiten.
Eine CFG $G=(V,\Sigma,P,S)$ ist in CNF, wenn jede Produktion $(X\rightarrow\alpha)\in P$, mit $X\in V$ und $\alpha\in(\Sigma\cup V)^*$, folgende Bedingungen erfüllt:
(1) $\alpha\in\Sigma\cup V^*$; Terminale dürfen nur in Produktionen der Länge 1 erzeugt werden.
(2) $|\alpha|\le2$; jede Produktion hat höchstens Länge $2$.
(3) $\alpha\ne\varepsilon$; es gibt keine $\varepsilon$-Produktionen.
(4) $\alpha\notin V$; es gibt keine Kettenproduktionen.
**Achtung:** Die Teilaufgaben fragen jeweils spezifisch nach dem Ergebnis, das sich durch die Ausführung des Algorithmus aus der Vorlesung ergibt, nicht nach einer beliebigen äquivalenten CFG, die den Bedingungen genügt. Details, wie etwa die Namen der Variablen oder die Reihenfolge, in der Produktionen betrachtet werden, können Sie frei wählen.
Wir nennen $A \rightarrow \epsilon$ eine *$\epsilon$-Produktion*.
\begin{Lemma}
Zu jeder CFG $G = (V,\Sigma,P,S)$ kann man eine CFG $G'$ konstruieren, die keine $\epsilon$-Produktionen enthält, so dass gilt
$L(G') = L(G)\setminus\{\epsilon\}$
\end{Lemma}
Wir erweitern $P$ induktiv zu eine Obermenge $\hat{P}$:
\begin{enumerate}
\item Jede Produktion aus $P$ ist in $\hat{P}$
\item Sind \alert{$B \rightarrow \epsilon$} und \alert{$A \rightarrow \alpha B \beta$} in $\hat{P}$, so füge auch \alert{$A \rightarrow \alpha\beta$} hinzu.
\end{enumerate}
Offensichtlich gilt $L(\hat{G}) = L(G)$: Jede neue Produktion kann von 2 alten Productionensimuliert werden.
Wir definieren $G'$ als $\hat{G}$ ohne die $\epsilon$-Produktionen. Denn diese sind nun überflüssig.
Wir nennen $A \rightarrow B$ eine *Kettenproduktion*.
\begin{Lemma}
Zu jeder CFG $G = (V,\Sigma,P,S)$ kann man eine CFG $G'$ konstruieren, die keine Kettenproduktionen enthält, so dass gilt $L(G') = L(G)$.
\end{Lemma}
\begin{Beweis}
Wir erweitern $P$ induktiv zu eine Obermenge $\hat{P}$:
\begin{enumerate}
\item Jede Produktion aus $P$ ist in $\hat{P}$
\item Sind \alert{$A \rightarrow B$} und \alert{$B \rightarrow \alpha$} in $\hat{P}$ mit $\alpha \neq A$, so füge auch \alert{$A \rightarrow \alpha$} hinzu.
\end{enumerate}
Das Ergebnis $G'$ ist $\hat{G}$ ohne die (nun überflüssigen) Kettenproduktionen.
\paragraph{Konstruktion einer Chomsky-Normalform}
Eingabe: Eine kontextfreie Grammatik $G = (V,\Sigma,P,S)$
\begin{enumerate}
\item Füge für jedes $a\in\Sigma$, das in einer rechten Seite der Länge $\geq2$ vorkommt, ein neues Nichtterminal $A_a$ zu $V$ hinzu, ersetze $a$ in allen rechten Seiten der Länge $\geq 2$ durch $A_a$, und füge $A_a\rightarrow a$ zu $P$ hinzu.
\item Ersetze jede Produktion der Form
\[A\rightarrow B_1B_2 \cdots B_k (k \geq 3)\]
durch
\[A \rightarrow B_1C_2,\ C_2 \rightarrow B_2C_3, ..., C_{k-1} \rightarrow B_{k-1}B_k \]
wobei $C_2, ..., C_{k-1}$ neue Nichtterminale sind.
\item Eliminiere alle $\epsilon$-Produktionen.
\item Eliminiere alle Kettenproduktionen.
\end{enumerate}
## subproblem a (2.0 points)
*Entfernen von Terminalen in langen Produktionen.* Die CFG $G_a$ ist gegeben durch folgende Produktionen:
$S \rightarrow aX \mid Xa \mid ab$
$X \rightarrow SS \mid S \mid \varepsilon \mid bXX$
Führen Sie den ersten Schritt des Algorithmus zur Überführung in CNF aus und geben Sie die Produktionen einer CFG $G'_a$ an, so dass $L(G_a) = L(G'_a)$ gilt und $G'_a$ Bedingung (1) erfüllt.
<example>
$S \rightarrow XX \mid aa \mid \varepsilon$
$X \rightarrow SX \mid X$
...
</example>
### answer format
Give your answer in the following format:
<answer id="1">
...
</answer>
assistant:<answer id="1">
S -> A_a X | X A_a | A_a A_b
X -> SS | S | ε | A_b X X
A_a -> a
A_b -> b
</answer>
user:
## subproblem b (2.0 points)
*Entfernen langer Produktionen.* Die CFG $G_b$ ist gegeben durch die folgenden Produktionen:
$S \rightarrow A \mid BAA \mid \varepsilon$
$A \rightarrow SABB \mid a$
$B \rightarrow AS \mid b$
Führen Sie den zweiten Schritt des Algorithmus zur Überführung in CNF aus und geben Sie die Produktionen einer CFG $G'_b$ an, so dass $L(G_b) = L(G'_b)$ und $G'_b$ Bedingungen (1) und (2) erfüllt.
### answer format
Give your answer in the following format:
<answer id="1">
...
</answer>
Answer
<answer id="1"> S -> A | B C1 | ε C1 -> A A A -> S C2 | a C2 -> A C3 C3 -> B B B -> A S | b </answer>
Entfernen langer Produktionen. Die CFG ist gegeben durch die folgenden Produktionen: Führen Sie den zweiten Schritt des Algorithmus zur Überführung in CNF aus und geben Sie die Produktionen einer CFG an, so dass und Bedingungen (1) und (2) erfüllt.
S -> A | B C1 | ε C1 -> A A A -> S C2 | a C2 -> A C3 C3 -> B B B -> A S | b
Subproblem c (3.0/3.0P)
Prompt
system:You are an AI assistant specializing in theoretical computer science. Your task is to answer a series of exam questions, providing accurate and well-reasoned responses that demonstrate a deep understanding of theoretical computer science concepts.
# Instructions
You must follow the given answer format.
If the exercises contains yes or no questions for you to answer, there will be one <option> element for each such question. You must answer these with either 0 or 1.
For longer answers, there will be <answer> elements. If the answer must follow a specific template, a corresponding <answer-template> element defines this template, and you MUST follow it precisely when providing your <answer>, as any deviations from the template will cause your answer to be invalid. A '?' symbol indicates a place for you to insert a short text, while a '???' symbol marks places for you to insert multi-line answers. To define the precise syntax to use, an <example> element may be provided. You MUST follow this syntax. However, note that the answers in the example may not be correct answers to the question.
Some questions relate to specific lecture material. In this case, the material will be provided in <context> elements for you to reference.
## Formatting
Always follow the format of the given exercise. If you are writing longer text, you can put text in *italics* or make it **bold**. Formulas should be given as LaTeX and enclosed properly, i.e. $...$ or \[...\].
user:# Exercise: CFG-Algorithmen
In den Teilaufgaben (a)-(d) geht es darum, eine kontextfreie Grammatik (CFG) in Chomsky-Normalform (CNF) zu konvertieren. Wir führen jeden Schritt einzeln aus, und jeweils auf einer anderen Grammatik – Sie können also die Aufgabenteile unabhängig voneinander bearbeiten.
Eine CFG $G=(V,\Sigma,P,S)$ ist in CNF, wenn jede Produktion $(X\rightarrow\alpha)\in P$, mit $X\in V$ und $\alpha\in(\Sigma\cup V)^*$, folgende Bedingungen erfüllt:
(1) $\alpha\in\Sigma\cup V^*$; Terminale dürfen nur in Produktionen der Länge 1 erzeugt werden.
(2) $|\alpha|\le2$; jede Produktion hat höchstens Länge $2$.
(3) $\alpha\ne\varepsilon$; es gibt keine $\varepsilon$-Produktionen.
(4) $\alpha\notin V$; es gibt keine Kettenproduktionen.
**Achtung:** Die Teilaufgaben fragen jeweils spezifisch nach dem Ergebnis, das sich durch die Ausführung des Algorithmus aus der Vorlesung ergibt, nicht nach einer beliebigen äquivalenten CFG, die den Bedingungen genügt. Details, wie etwa die Namen der Variablen oder die Reihenfolge, in der Produktionen betrachtet werden, können Sie frei wählen.
Wir nennen $A \rightarrow \epsilon$ eine *$\epsilon$-Produktion*.
\begin{Lemma}
Zu jeder CFG $G = (V,\Sigma,P,S)$ kann man eine CFG $G'$ konstruieren, die keine $\epsilon$-Produktionen enthält, so dass gilt
$L(G') = L(G)\setminus\{\epsilon\}$
\end{Lemma}
Wir erweitern $P$ induktiv zu eine Obermenge $\hat{P}$:
\begin{enumerate}
\item Jede Produktion aus $P$ ist in $\hat{P}$
\item Sind \alert{$B \rightarrow \epsilon$} und \alert{$A \rightarrow \alpha B \beta$} in $\hat{P}$, so füge auch \alert{$A \rightarrow \alpha\beta$} hinzu.
\end{enumerate}
Offensichtlich gilt $L(\hat{G}) = L(G)$: Jede neue Produktion kann von 2 alten Productionensimuliert werden.
Wir definieren $G'$ als $\hat{G}$ ohne die $\epsilon$-Produktionen. Denn diese sind nun überflüssig.
Wir nennen $A \rightarrow B$ eine *Kettenproduktion*.
\begin{Lemma}
Zu jeder CFG $G = (V,\Sigma,P,S)$ kann man eine CFG $G'$ konstruieren, die keine Kettenproduktionen enthält, so dass gilt $L(G') = L(G)$.
\end{Lemma}
\begin{Beweis}
Wir erweitern $P$ induktiv zu eine Obermenge $\hat{P}$:
\begin{enumerate}
\item Jede Produktion aus $P$ ist in $\hat{P}$
\item Sind \alert{$A \rightarrow B$} und \alert{$B \rightarrow \alpha$} in $\hat{P}$ mit $\alpha \neq A$, so füge auch \alert{$A \rightarrow \alpha$} hinzu.
\end{enumerate}
Das Ergebnis $G'$ ist $\hat{G}$ ohne die (nun überflüssigen) Kettenproduktionen.
\paragraph{Konstruktion einer Chomsky-Normalform}
Eingabe: Eine kontextfreie Grammatik $G = (V,\Sigma,P,S)$
\begin{enumerate}
\item Füge für jedes $a\in\Sigma$, das in einer rechten Seite der Länge $\geq2$ vorkommt, ein neues Nichtterminal $A_a$ zu $V$ hinzu, ersetze $a$ in allen rechten Seiten der Länge $\geq 2$ durch $A_a$, und füge $A_a\rightarrow a$ zu $P$ hinzu.
\item Ersetze jede Produktion der Form
\[A\rightarrow B_1B_2 \cdots B_k (k \geq 3)\]
durch
\[A \rightarrow B_1C_2,\ C_2 \rightarrow B_2C_3, ..., C_{k-1} \rightarrow B_{k-1}B_k \]
wobei $C_2, ..., C_{k-1}$ neue Nichtterminale sind.
\item Eliminiere alle $\epsilon$-Produktionen.
\item Eliminiere alle Kettenproduktionen.
\end{enumerate}
## subproblem a (2.0 points)
*Entfernen von Terminalen in langen Produktionen.* Die CFG $G_a$ ist gegeben durch folgende Produktionen:
$S \rightarrow aX \mid Xa \mid ab$
$X \rightarrow SS \mid S \mid \varepsilon \mid bXX$
Führen Sie den ersten Schritt des Algorithmus zur Überführung in CNF aus und geben Sie die Produktionen einer CFG $G'_a$ an, so dass $L(G_a) = L(G'_a)$ gilt und $G'_a$ Bedingung (1) erfüllt.
<example>
$S \rightarrow XX \mid aa \mid \varepsilon$
$X \rightarrow SX \mid X$
...
</example>
### answer format
Give your answer in the following format:
<answer id="1">
...
</answer>
assistant:<answer id="1">
S -> A_a X | X A_a | A_a A_b
X -> SS | S | ε | A_b X X
A_a -> a
A_b -> b
</answer>
user:
## subproblem b (2.0 points)
*Entfernen langer Produktionen.* Die CFG $G_b$ ist gegeben durch die folgenden Produktionen:
$S \rightarrow A \mid BAA \mid \varepsilon$
$A \rightarrow SABB \mid a$
$B \rightarrow AS \mid b$
Führen Sie den zweiten Schritt des Algorithmus zur Überführung in CNF aus und geben Sie die Produktionen einer CFG $G'_b$ an, so dass $L(G_b) = L(G'_b)$ und $G'_b$ Bedingungen (1) und (2) erfüllt.
### answer format
Give your answer in the following format:
<answer id="1">
...
</answer>
assistant:<answer id="1">
S -> A | B C1 | ε
C1 -> A A
A -> S C2 | a
C2 -> A C3
C3 -> B B
B -> A S | b
</answer>
user:
## subproblem c (3.0 points)
*Entfernen von $\varepsilon$-Produktionen.* Die CFG $G_c$ ist gegeben durch folgende Produktionen:
$S \rightarrow AB \mid DE$
$A \rightarrow AB \mid a \mid \varepsilon$
$B \rightarrow b \mid BB \mid D$
$C \rightarrow A \mid c$
$D \rightarrow BC \mid BS$
$E \rightarrow SS \mid CA$
Führen Sie den dritten Schritt des Algorithmus zur Überführung in CNF aus. Geben Sie die Produktionen einer CFG $G'_c$ an, so dass $L(G_c) = L(G'_c)$ und $G'_c$ Bedingungen (1), (2) und (3) erfüllt.
### answer format
Give your answer in the following format:
<answer id="1">
...
</answer>
Thoughts
**Analyzing epsilon elimination** I’m considering the epsilon elimination step in a classical algorithm, focusing on computing the nullable set. For example, if A leads to ε, then it includes C as well, since C derives A. I wonder if S can also derive ε, but since S goes to AB or DE, that requires both A and B to be nullable. B’s possible productions make it tricky; I’ll need to check if B could be nullable by looking at its derivations and their relationships with D and C.**Evaluating nullable variables** I’m thinking that it seems impossible for B to be nullable unless it's due to a cycle, which suggests a trivial solution where B is ε through mutual recursion. However, there’s no base epsilon apart from A and C, and any path implies B must already be nullable. So, I conclude B is not nullable. Then D needs B and either C or S; since B isn't nullable, D isn't either. I see that E can derive ε because C and A are nullable. Overall, I’m checking if there are others that could be nullable too.**Processing nullable sets** I’ve determined that the nullable set consists of {A, C, E} and no other variables. Now I need to apply epsilon removal, starting with all original productions except for ε ones, effectively removing A -> ε. The algorithm indicates that I should add new productions like A -> αβ, excluding occurrences of nullable variables. However, there's a question about whether I can add deletions for C and E, as they’re nullable through derivation, not direct ε. I'm grappling with whether direct epsilon productions are the only way to extend.**Exploring epsilon elimination** I realize that C won't be affected since C leads to A, but not ε. The epsilon elimination process traditionally starts with removing all ε productions, even after closure. If I begin with A -> ε and have C -> A in P_hat, it seems I could derive C -> ε after step 2. I just need to ensure that if B is A, and with α and β as empty, C can indeed lead to ε, allowing me to subsequently eliminate instances of C.**Computing nullable productions** I’m observing that E can derive ε because both A and C are nullable. This leads to P_hat eventually containing epsilon productions for C and E, even though we started with A -> ε. Now, I need to systematically delete occurrences of nullable symbols and also ensure conditions are met. I’m listing the occurrences of A and C in the original productions to compute the necessary changes. For example, in the RHS for A, I see that S -> AB allows me to drop A and get S -> B. With C leading to A, I can derive C -> ε. Continuing this process for productions involving C, I find I can establish new epsilon rules for E as well! Now D can transform to B since C is nullable, and E can derive both C and A. It's all unfolding!**Finalizing epsilon elimination** I’ve added new productions to E based on nullable variables, so E can derive ε through C and A. This leads to new transformations, like D -> B from D -> BC. I’ve established that C and E are now nullable, allowing me to drop occurrences in various productions effectively. Re-scanning all current productions reveals additional places where I could remove nullable variables. I need to ensure no epsilon productions remain in the final grammar G'. After checking that S cannot derive ε with the current set, I will finalize G', ensuring it adheres to the conditions outlined in the task.**Clarifying grammar constraints** I've confirmed that it's fine to include chains like C -> A and E -> C or A, as these fit the allowed rules. Step 3 involves eliminating epsilon productions by removing them from the right-hand side of productions. I've collected all relevant original and added productions for this process. I’ve ensured that no epsilon rules remain and that the grammar maintains the necessary conditions: only terminals, length constraints, and the absence of ε. Everything checks out, and the structure follows the syntax required — I can write productions like "S -> AB" without spaces since that aligns with previous answers. It's looking good!**Formatting production output** I’m focused on maintaining consistency across tasks as I format the answer. The guidelines indicate the need for notational clarity using '->' and '|' notations, while ensuring no epsilon productions are present. My proposed output is structured as follows: ``` <answer id="1"> S -> AB | DE | B | D A -> AB | a | B B -> b | BB | D C -> A | c D -> BC | BS | B E -> SS | CA | C | A </answer> ``` The productions seem correct, since all terminal appearances align with the length constraints, and I’ve accounted for nullable variables. I’ll deliver this in the specified format!
Answer
<answer id="1"> S -> AB | DE | B | D A -> AB | a | B B -> b | BB | D C -> A | c D -> BC | BS | B E -> SS | CA | C | A </answer>
Entfernen von -Produktionen. Die CFG ist gegeben durch folgende Produktionen: Führen Sie den dritten Schritt des Algorithmus zur Überführung in CNF aus. Geben Sie die Produktionen einer CFG an, so dass und Bedingungen (1), (2) und (3) erfüllt.
S -> AB | DE | B | D A -> AB | a | B B -> b | BB | D C -> A | c D -> BC | BS | B E -> SS | CA | C | A
Subproblem d (3.0/3.0P)
Prompt
system:You are an AI assistant specializing in theoretical computer science. Your task is to answer a series of exam questions, providing accurate and well-reasoned responses that demonstrate a deep understanding of theoretical computer science concepts.
# Instructions
You must follow the given answer format.
If the exercises contains yes or no questions for you to answer, there will be one <option> element for each such question. You must answer these with either 0 or 1.
For longer answers, there will be <answer> elements. If the answer must follow a specific template, a corresponding <answer-template> element defines this template, and you MUST follow it precisely when providing your <answer>, as any deviations from the template will cause your answer to be invalid. A '?' symbol indicates a place for you to insert a short text, while a '???' symbol marks places for you to insert multi-line answers. To define the precise syntax to use, an <example> element may be provided. You MUST follow this syntax. However, note that the answers in the example may not be correct answers to the question.
Some questions relate to specific lecture material. In this case, the material will be provided in <context> elements for you to reference.
## Formatting
Always follow the format of the given exercise. If you are writing longer text, you can put text in *italics* or make it **bold**. Formulas should be given as LaTeX and enclosed properly, i.e. $...$ or \[...\].
user:# Exercise: CFG-Algorithmen
In den Teilaufgaben (a)-(d) geht es darum, eine kontextfreie Grammatik (CFG) in Chomsky-Normalform (CNF) zu konvertieren. Wir führen jeden Schritt einzeln aus, und jeweils auf einer anderen Grammatik – Sie können also die Aufgabenteile unabhängig voneinander bearbeiten.
Eine CFG $G=(V,\Sigma,P,S)$ ist in CNF, wenn jede Produktion $(X\rightarrow\alpha)\in P$, mit $X\in V$ und $\alpha\in(\Sigma\cup V)^*$, folgende Bedingungen erfüllt:
(1) $\alpha\in\Sigma\cup V^*$; Terminale dürfen nur in Produktionen der Länge 1 erzeugt werden.
(2) $|\alpha|\le2$; jede Produktion hat höchstens Länge $2$.
(3) $\alpha\ne\varepsilon$; es gibt keine $\varepsilon$-Produktionen.
(4) $\alpha\notin V$; es gibt keine Kettenproduktionen.
**Achtung:** Die Teilaufgaben fragen jeweils spezifisch nach dem Ergebnis, das sich durch die Ausführung des Algorithmus aus der Vorlesung ergibt, nicht nach einer beliebigen äquivalenten CFG, die den Bedingungen genügt. Details, wie etwa die Namen der Variablen oder die Reihenfolge, in der Produktionen betrachtet werden, können Sie frei wählen.
Wir nennen $A \rightarrow \epsilon$ eine *$\epsilon$-Produktion*.
\begin{Lemma}
Zu jeder CFG $G = (V,\Sigma,P,S)$ kann man eine CFG $G'$ konstruieren, die keine $\epsilon$-Produktionen enthält, so dass gilt
$L(G') = L(G)\setminus\{\epsilon\}$
\end{Lemma}
Wir erweitern $P$ induktiv zu eine Obermenge $\hat{P}$:
\begin{enumerate}
\item Jede Produktion aus $P$ ist in $\hat{P}$
\item Sind \alert{$B \rightarrow \epsilon$} und \alert{$A \rightarrow \alpha B \beta$} in $\hat{P}$, so füge auch \alert{$A \rightarrow \alpha\beta$} hinzu.
\end{enumerate}
Offensichtlich gilt $L(\hat{G}) = L(G)$: Jede neue Produktion kann von 2 alten Productionensimuliert werden.
Wir definieren $G'$ als $\hat{G}$ ohne die $\epsilon$-Produktionen. Denn diese sind nun überflüssig.
Wir nennen $A \rightarrow B$ eine *Kettenproduktion*.
\begin{Lemma}
Zu jeder CFG $G = (V,\Sigma,P,S)$ kann man eine CFG $G'$ konstruieren, die keine Kettenproduktionen enthält, so dass gilt $L(G') = L(G)$.
\end{Lemma}
\begin{Beweis}
Wir erweitern $P$ induktiv zu eine Obermenge $\hat{P}$:
\begin{enumerate}
\item Jede Produktion aus $P$ ist in $\hat{P}$
\item Sind \alert{$A \rightarrow B$} und \alert{$B \rightarrow \alpha$} in $\hat{P}$ mit $\alpha \neq A$, so füge auch \alert{$A \rightarrow \alpha$} hinzu.
\end{enumerate}
Das Ergebnis $G'$ ist $\hat{G}$ ohne die (nun überflüssigen) Kettenproduktionen.
\paragraph{Konstruktion einer Chomsky-Normalform}
Eingabe: Eine kontextfreie Grammatik $G = (V,\Sigma,P,S)$
\begin{enumerate}
\item Füge für jedes $a\in\Sigma$, das in einer rechten Seite der Länge $\geq2$ vorkommt, ein neues Nichtterminal $A_a$ zu $V$ hinzu, ersetze $a$ in allen rechten Seiten der Länge $\geq 2$ durch $A_a$, und füge $A_a\rightarrow a$ zu $P$ hinzu.
\item Ersetze jede Produktion der Form
\[A\rightarrow B_1B_2 \cdots B_k (k \geq 3)\]
durch
\[A \rightarrow B_1C_2,\ C_2 \rightarrow B_2C_3, ..., C_{k-1} \rightarrow B_{k-1}B_k \]
wobei $C_2, ..., C_{k-1}$ neue Nichtterminale sind.
\item Eliminiere alle $\epsilon$-Produktionen.
\item Eliminiere alle Kettenproduktionen.
\end{enumerate}
## subproblem a (2.0 points)
*Entfernen von Terminalen in langen Produktionen.* Die CFG $G_a$ ist gegeben durch folgende Produktionen:
$S \rightarrow aX \mid Xa \mid ab$
$X \rightarrow SS \mid S \mid \varepsilon \mid bXX$
Führen Sie den ersten Schritt des Algorithmus zur Überführung in CNF aus und geben Sie die Produktionen einer CFG $G'_a$ an, so dass $L(G_a) = L(G'_a)$ gilt und $G'_a$ Bedingung (1) erfüllt.
<example>
$S \rightarrow XX \mid aa \mid \varepsilon$
$X \rightarrow SX \mid X$
...
</example>
### answer format
Give your answer in the following format:
<answer id="1">
...
</answer>
assistant:<answer id="1">
S -> A_a X | X A_a | A_a A_b
X -> SS | S | ε | A_b X X
A_a -> a
A_b -> b
</answer>
user:
## subproblem b (2.0 points)
*Entfernen langer Produktionen.* Die CFG $G_b$ ist gegeben durch die folgenden Produktionen:
$S \rightarrow A \mid BAA \mid \varepsilon$
$A \rightarrow SABB \mid a$
$B \rightarrow AS \mid b$
Führen Sie den zweiten Schritt des Algorithmus zur Überführung in CNF aus und geben Sie die Produktionen einer CFG $G'_b$ an, so dass $L(G_b) = L(G'_b)$ und $G'_b$ Bedingungen (1) und (2) erfüllt.
### answer format
Give your answer in the following format:
<answer id="1">
...
</answer>
assistant:<answer id="1">
S -> A | B C1 | ε
C1 -> A A
A -> S C2 | a
C2 -> A C3
C3 -> B B
B -> A S | b
</answer>
user:
## subproblem c (3.0 points)
*Entfernen von $\varepsilon$-Produktionen.* Die CFG $G_c$ ist gegeben durch folgende Produktionen:
$S \rightarrow AB \mid DE$
$A \rightarrow AB \mid a \mid \varepsilon$
$B \rightarrow b \mid BB \mid D$
$C \rightarrow A \mid c$
$D \rightarrow BC \mid BS$
$E \rightarrow SS \mid CA$
Führen Sie den dritten Schritt des Algorithmus zur Überführung in CNF aus. Geben Sie die Produktionen einer CFG $G'_c$ an, so dass $L(G_c) = L(G'_c)$ und $G'_c$ Bedingungen (1), (2) und (3) erfüllt.
### answer format
Give your answer in the following format:
<answer id="1">
...
</answer>
assistant:<answer id="1">
S -> AB | DE | B | D
A -> AB | a | B
B -> b | BB | D
C -> A | c
D -> BC | BS | B
E -> SS | CA | C | A
</answer>
user:
## subproblem d (3.0 points)
*Entfernen von Kettenproduktionen.* Die CFG $G_d$ ist gegeben durch die Produktionen:
$S \rightarrow a \mid BA \mid B$
$A \rightarrow a \mid AA$
$B \rightarrow b \mid SC \mid A$
$C \rightarrow B \mid SS$
Führen Sie den vierten Schritt des Algorithmus zur Überführung in CNF aus und geben Sie die Produktionen einer CFG $G'_d$ in CNF an, so dass $L(G_d) = L(G'_d)$ gilt.
### answer format
Give your answer in the following format:
<answer id="1">
...
</answer>
Answer
<answer id="1"> S -> a | BA | b | SC | AA A -> a | AA B -> b | SC | a | AA C -> SS | b | SC | a | AA </answer>
Entfernen von Kettenproduktionen. Die CFG ist gegeben durch die Produktionen: Führen Sie den vierten Schritt des Algorithmus zur Überführung in CNF aus und geben Sie die Produktionen einer CFG in CNF an, so dass gilt.
S -> a | BA | b | SC | AA A -> a | AA B -> b | SC | a | AA C -> SS | b | SC | a | AA
Subproblem e (2.0/3.0P)
Prompt
system:You are an AI assistant specializing in theoretical computer science. Your task is to answer a series of exam questions, providing accurate and well-reasoned responses that demonstrate a deep understanding of theoretical computer science concepts.
# Instructions
You must follow the given answer format.
If the exercises contains yes or no questions for you to answer, there will be one <option> element for each such question. You must answer these with either 0 or 1.
For longer answers, there will be <answer> elements. If the answer must follow a specific template, a corresponding <answer-template> element defines this template, and you MUST follow it precisely when providing your <answer>, as any deviations from the template will cause your answer to be invalid. A '?' symbol indicates a place for you to insert a short text, while a '???' symbol marks places for you to insert multi-line answers. To define the precise syntax to use, an <example> element may be provided. You MUST follow this syntax. However, note that the answers in the example may not be correct answers to the question.
Some questions relate to specific lecture material. In this case, the material will be provided in <context> elements for you to reference.
## Formatting
Always follow the format of the given exercise. If you are writing longer text, you can put text in *italics* or make it **bold**. Formulas should be given as LaTeX and enclosed properly, i.e. $...$ or \[...\].
user:# Exercise: CFG-Algorithmen
In den Teilaufgaben (a)-(d) geht es darum, eine kontextfreie Grammatik (CFG) in Chomsky-Normalform (CNF) zu konvertieren. Wir führen jeden Schritt einzeln aus, und jeweils auf einer anderen Grammatik – Sie können also die Aufgabenteile unabhängig voneinander bearbeiten.
Eine CFG $G=(V,\Sigma,P,S)$ ist in CNF, wenn jede Produktion $(X\rightarrow\alpha)\in P$, mit $X\in V$ und $\alpha\in(\Sigma\cup V)^*$, folgende Bedingungen erfüllt:
(1) $\alpha\in\Sigma\cup V^*$; Terminale dürfen nur in Produktionen der Länge 1 erzeugt werden.
(2) $|\alpha|\le2$; jede Produktion hat höchstens Länge $2$.
(3) $\alpha\ne\varepsilon$; es gibt keine $\varepsilon$-Produktionen.
(4) $\alpha\notin V$; es gibt keine Kettenproduktionen.
**Achtung:** Die Teilaufgaben fragen jeweils spezifisch nach dem Ergebnis, das sich durch die Ausführung des Algorithmus aus der Vorlesung ergibt, nicht nach einer beliebigen äquivalenten CFG, die den Bedingungen genügt. Details, wie etwa die Namen der Variablen oder die Reihenfolge, in der Produktionen betrachtet werden, können Sie frei wählen.
Wir nennen $A \rightarrow \epsilon$ eine *$\epsilon$-Produktion*.
\begin{Lemma}
Zu jeder CFG $G = (V,\Sigma,P,S)$ kann man eine CFG $G'$ konstruieren, die keine $\epsilon$-Produktionen enthält, so dass gilt
$L(G') = L(G)\setminus\{\epsilon\}$
\end{Lemma}
Wir erweitern $P$ induktiv zu eine Obermenge $\hat{P}$:
\begin{enumerate}
\item Jede Produktion aus $P$ ist in $\hat{P}$
\item Sind \alert{$B \rightarrow \epsilon$} und \alert{$A \rightarrow \alpha B \beta$} in $\hat{P}$, so füge auch \alert{$A \rightarrow \alpha\beta$} hinzu.
\end{enumerate}
Offensichtlich gilt $L(\hat{G}) = L(G)$: Jede neue Produktion kann von 2 alten Productionensimuliert werden.
Wir definieren $G'$ als $\hat{G}$ ohne die $\epsilon$-Produktionen. Denn diese sind nun überflüssig.
Wir nennen $A \rightarrow B$ eine *Kettenproduktion*.
\begin{Lemma}
Zu jeder CFG $G = (V,\Sigma,P,S)$ kann man eine CFG $G'$ konstruieren, die keine Kettenproduktionen enthält, so dass gilt $L(G') = L(G)$.
\end{Lemma}
\begin{Beweis}
Wir erweitern $P$ induktiv zu eine Obermenge $\hat{P}$:
\begin{enumerate}
\item Jede Produktion aus $P$ ist in $\hat{P}$
\item Sind \alert{$A \rightarrow B$} und \alert{$B \rightarrow \alpha$} in $\hat{P}$ mit $\alpha \neq A$, so füge auch \alert{$A \rightarrow \alpha$} hinzu.
\end{enumerate}
Das Ergebnis $G'$ ist $\hat{G}$ ohne die (nun überflüssigen) Kettenproduktionen.
\paragraph{Konstruktion einer Chomsky-Normalform}
Eingabe: Eine kontextfreie Grammatik $G = (V,\Sigma,P,S)$
\begin{enumerate}
\item Füge für jedes $a\in\Sigma$, das in einer rechten Seite der Länge $\geq2$ vorkommt, ein neues Nichtterminal $A_a$ zu $V$ hinzu, ersetze $a$ in allen rechten Seiten der Länge $\geq 2$ durch $A_a$, und füge $A_a\rightarrow a$ zu $P$ hinzu.
\item Ersetze jede Produktion der Form
\[A\rightarrow B_1B_2 \cdots B_k (k \geq 3)\]
durch
\[A \rightarrow B_1C_2,\ C_2 \rightarrow B_2C_3, ..., C_{k-1} \rightarrow B_{k-1}B_k \]
wobei $C_2, ..., C_{k-1}$ neue Nichtterminale sind.
\item Eliminiere alle $\epsilon$-Produktionen.
\item Eliminiere alle Kettenproduktionen.
\end{enumerate}
## subproblem a (2.0 points)
*Entfernen von Terminalen in langen Produktionen.* Die CFG $G_a$ ist gegeben durch folgende Produktionen:
$S \rightarrow aX \mid Xa \mid ab$
$X \rightarrow SS \mid S \mid \varepsilon \mid bXX$
Führen Sie den ersten Schritt des Algorithmus zur Überführung in CNF aus und geben Sie die Produktionen einer CFG $G'_a$ an, so dass $L(G_a) = L(G'_a)$ gilt und $G'_a$ Bedingung (1) erfüllt.
<example>
$S \rightarrow XX \mid aa \mid \varepsilon$
$X \rightarrow SX \mid X$
...
</example>
### answer format
Give your answer in the following format:
<answer id="1">
...
</answer>
assistant:<answer id="1">
S -> A_a X | X A_a | A_a A_b
X -> SS | S | ε | A_b X X
A_a -> a
A_b -> b
</answer>
user:
## subproblem b (2.0 points)
*Entfernen langer Produktionen.* Die CFG $G_b$ ist gegeben durch die folgenden Produktionen:
$S \rightarrow A \mid BAA \mid \varepsilon$
$A \rightarrow SABB \mid a$
$B \rightarrow AS \mid b$
Führen Sie den zweiten Schritt des Algorithmus zur Überführung in CNF aus und geben Sie die Produktionen einer CFG $G'_b$ an, so dass $L(G_b) = L(G'_b)$ und $G'_b$ Bedingungen (1) und (2) erfüllt.
### answer format
Give your answer in the following format:
<answer id="1">
...
</answer>
assistant:<answer id="1">
S -> A | B C1 | ε
C1 -> A A
A -> S C2 | a
C2 -> A C3
C3 -> B B
B -> A S | b
</answer>
user:
## subproblem c (3.0 points)
*Entfernen von $\varepsilon$-Produktionen.* Die CFG $G_c$ ist gegeben durch folgende Produktionen:
$S \rightarrow AB \mid DE$
$A \rightarrow AB \mid a \mid \varepsilon$
$B \rightarrow b \mid BB \mid D$
$C \rightarrow A \mid c$
$D \rightarrow BC \mid BS$
$E \rightarrow SS \mid CA$
Führen Sie den dritten Schritt des Algorithmus zur Überführung in CNF aus. Geben Sie die Produktionen einer CFG $G'_c$ an, so dass $L(G_c) = L(G'_c)$ und $G'_c$ Bedingungen (1), (2) und (3) erfüllt.
### answer format
Give your answer in the following format:
<answer id="1">
...
</answer>
assistant:<answer id="1">
S -> AB | DE | B | D
A -> AB | a | B
B -> b | BB | D
C -> A | c
D -> BC | BS | B
E -> SS | CA | C | A
</answer>
user:
## subproblem d (3.0 points)
*Entfernen von Kettenproduktionen.* Die CFG $G_d$ ist gegeben durch die Produktionen:
$S \rightarrow a \mid BA \mid B$
$A \rightarrow a \mid AA$
$B \rightarrow b \mid SC \mid A$
$C \rightarrow B \mid SS$
Führen Sie den vierten Schritt des Algorithmus zur Überführung in CNF aus und geben Sie die Produktionen einer CFG $G'_d$ in CNF an, so dass $L(G_d) = L(G'_d)$ gilt.
### answer format
Give your answer in the following format:
<answer id="1">
...
</answer>
assistant:<answer id="1">
S -> a | BA | b | SC | AA
A -> a | AA
B -> b | SC | a | AA
C -> SS | b | SC | a | AA
</answer>
user:
## subproblem e (3.0 points)
Die CFG $G$ ist gegeben durch die Produktionen:
$S \rightarrow AB\mid C$
$A \to aA \mid AS$
$B \to bS$
$C \to aCb \mid \varepsilon$
Geben Sie die erzeugenden, erreichbaren und nützlichen Nichtterminale von $G$ an.
<answer-template id="1">
Erzeugend: $?$
Erreichbar: $?$
Nützlich: $?$
</answer-template>
<example>
Erzeugend: $S$
Erreichbar: $S, A, B$
Nützlich: $S$
</example>
### answer format
Give your answer in the following format:
<answer id="1">
...
</answer>
Thoughts
**Classifying variables in productions** I need to analyze subproblem e, which involves classifying generating, reachable, and useful variables for G based on certain productions. The productions are: - S can go to AB or C. - A can produce aA or AS. - B leads to bS. - C can generate aCb or ε. I’m focusing first on generating nonterminals—those that produce terminal strings. C clearly generates a^n b^n, so that’s a positive. Since S can reach C, it’s also generating.**Examining generating variables** I need to clarify what generating means. It indicates that some derivation only produces terminals. In this case, S can derive to either C or ε, so S is generating. Next up is A, which is tricky since its productions only seem to lead back to A or S without a base case. I’m wondering if A can derive terminals at all. If A continues to produce more nonterminals without ever eliminating itself, then it can't produce strings consisting solely of terminals. So it looks like A isn't generating since it always leads back to itself.**Classifying variables further** I see that A doesn't yield any terminals either, since A → aA keeps introducing an A, with no ε or terminal-only productions. So I confirm that A is not generating. Now looking at B: B → bS leads to terminals through S, so B is indeed generating. Therefore, I've established that the generating nonterminals are {S, B, C}. Next, I check reachability. Starting from S, all variables—S, A, B, and C—are reachable from one another. Finally, the useful set, which includes generating and reachable variables, is also {S, B, C}. That makes sense!**Finalizing the classification format** I need to ensure that I'm not overlooking any traps, like whether S can produce terminals via AB if A isn’t generating. However, since just one derivation suffices for the generating property, as S can directly go to C, I'm all set! Now, it's time to format my answer using the specified template. I’ll provide my lists for generating, reachable, and useful variables, ensuring they’re separated by commas and formatted with math delimiting. So, for generating, I’ll use $S, B, C$; reachable will be $S, A, B, C$; and for useful, $S, B, C$. I’ll keep everything in order too!**Analyzing edge cases for A** I'm considering if A could be generating by being replaced with C, leading to combinations with 'a' prefixes. However, A always seems to persist in the productions. For instance, A → aA can lead to infinite a's, but it never eliminates A itself. We don’t have any production that allows A to vanish, even if it leads to terminal outputs through S. Given this, A is definitely not generating. Now, I’ll present my answer strictly following the specified syntax!
Answer
<answer id="1"> Erzeugend: $S, B, C$ Erreichbar: $S, A, B, C$ Nützlich: $S, B, C$ </answer>
Die CFG ist gegeben durch die Produktionen: Geben Sie die erzeugenden, erreichbaren und nützlichen Nichtterminale von an.
Erzeugend: Erreichbar: Nützlich:
2: mismatch
Exercise 5: Verlorene Buchsten
Sei . Für eine Sprache bezeichnet die Sprache, die man erhält, wenn man den Wörtern aus genau einmal das Wort an einer beliebigen Stelle entfernt. Formal definieren wir
Subproblem a (1.0/1.0P)
Prompt
system:You are an AI assistant specializing in theoretical computer science. Your task is to answer a series of exam questions, providing accurate and well-reasoned responses that demonstrate a deep understanding of theoretical computer science concepts.
# Instructions
You must follow the given answer format.
If the exercises contains yes or no questions for you to answer, there will be one <option> element for each such question. You must answer these with either 0 or 1.
For longer answers, there will be <answer> elements. If the answer must follow a specific template, a corresponding <answer-template> element defines this template, and you MUST follow it precisely when providing your <answer>, as any deviations from the template will cause your answer to be invalid. A '?' symbol indicates a place for you to insert a short text, while a '???' symbol marks places for you to insert multi-line answers. To define the precise syntax to use, an <example> element may be provided. You MUST follow this syntax. However, note that the answers in the example may not be correct answers to the question.
Some questions relate to specific lecture material. In this case, the material will be provided in <context> elements for you to reference.
## Formatting
Always follow the format of the given exercise. If you are writing longer text, you can put text in *italics* or make it **bold**. Formulas should be given as LaTeX and enclosed properly, i.e. $...$ or \[...\].
user:# Exercise: Verlorene Buchsten
Sei $\Sigma:=\{a,b\}$. Für eine Sprache $L\subseteq\Sigma^*$ bezeichnet $\Del(L)$ die Sprache,
die man erhält, wenn man den Wörtern aus $L$ **genau einmal** das Wort $ab$ an einer beliebigen Stelle entfernt. Formal definieren wir
$\Del(L):= \{vw \mid v,w\in \Sigma^* \wedge vabw\in L\}$
## subproblem a (1.0 points)
Listen Sie alle Wörter der Sprache $\Del(\{abbaba,baa,ab,a,b\})$ explizit auf:
<answer-template id="1">
$\Del(\{abbaba,baa,ab,a,b\}) = \{?\}$
</answer-template>
<example>
$\Del(\{abbaba,baa,ab,a,b\}) = \{\varepsilon, ab, bbab\}$
</example>
### answer format
Give your answer in the following format:
<answer id="1">
...
</answer>
Thoughts
**Analyzing string deletions** Okay, let’s take a look at deleting characters from the string “abbaba.” When I remove the first two characters (“ab”), I end up with "baba." Then, by deleting positions 4 and 5 (removing “ab”), I'm left with “abba." I’ve verified my results, and it checks out, resulting in {baba, abba}. Now, I'm curious if there are any other character pairings that aren't aligned to these substrings since the definition relies on specific pairings. It seems I’m on the right track!**Checking string factors** Alright, I’m analyzing the string "baa." It has a length of 3 and I’m looking for the "ab" factor. The pairs (1,2) give 'ba' and (2,3) give 'aa'; neither is 'ab', so there are no contributions from "baa." For "ab," there is an occurrence at positions 1-2, and removing it yields an empty string ε, which means ε is included. The other single characters "a" and "b" don't provide any 'ab' contributions. So far, I have the combined set as {baba, abba, ε}. Checking for distinct results, I conclude: {ε, baba, abba}. I’ll format the output properly now.**Formatting the answer** I'm working with the template which is in a math environment, and I need to keep the structure: $\Del(\{abbaba,baa,ab,a,b\}) = \{?\}$. For the results, I think it makes sense to list them as: ε, baba, abba—alphabetical order is nice, but there's no strict rule. I’ll definitely include spaces after each comma to keep it tidy. Now, let's format the answer properly in the XML structure: <answer id="1"> $\Del(\{abbaba,baa,ab,a,b\}) = \{\varepsilon, baba, abba\}$ </answer> Great, that looks good!
Answer
<answer id="1"> $\Del(\{abbaba,baa,ab,a,b\}) = \{\varepsilon, baba, abba\}$ </answer>
Listen Sie alle Wörter der Sprache explizit auf:
Subproblem b (2.0/2.0P)
Prompt
system:You are an AI assistant specializing in theoretical computer science. Your task is to answer a series of exam questions, providing accurate and well-reasoned responses that demonstrate a deep understanding of theoretical computer science concepts.
# Instructions
You must follow the given answer format.
If the exercises contains yes or no questions for you to answer, there will be one <option> element for each such question. You must answer these with either 0 or 1.
For longer answers, there will be <answer> elements. If the answer must follow a specific template, a corresponding <answer-template> element defines this template, and you MUST follow it precisely when providing your <answer>, as any deviations from the template will cause your answer to be invalid. A '?' symbol indicates a place for you to insert a short text, while a '???' symbol marks places for you to insert multi-line answers. To define the precise syntax to use, an <example> element may be provided. You MUST follow this syntax. However, note that the answers in the example may not be correct answers to the question.
Some questions relate to specific lecture material. In this case, the material will be provided in <context> elements for you to reference.
## Formatting
Always follow the format of the given exercise. If you are writing longer text, you can put text in *italics* or make it **bold**. Formulas should be given as LaTeX and enclosed properly, i.e. $...$ or \[...\].
user:# Exercise: Verlorene Buchsten
Sei $\Sigma:=\{a,b\}$. Für eine Sprache $L\subseteq\Sigma^*$ bezeichnet $\Del(L)$ die Sprache,
die man erhält, wenn man den Wörtern aus $L$ **genau einmal** das Wort $ab$ an einer beliebigen Stelle entfernt. Formal definieren wir
$\Del(L):= \{vw \mid v,w\in \Sigma^* \wedge vabw\in L\}$
## subproblem a (1.0 points)
Listen Sie alle Wörter der Sprache $\Del(\{abbaba,baa,ab,a,b\})$ explizit auf:
<answer-template id="1">
$\Del(\{abbaba,baa,ab,a,b\}) = \{?\}$
</answer-template>
<example>
$\Del(\{abbaba,baa,ab,a,b\}) = \{\varepsilon, ab, bbab\}$
</example>
### answer format
Give your answer in the following format:
<answer id="1">
...
</answer>
assistant:<answer id="1">
$\Del(\{abbaba,baa,ab,a,b\}) = \{\varepsilon, baba, abba\}$
</answer>
user:
## subproblem b (2.0 points)
Wir definieren $\DelTwo(L):=\{uvw \mid u,v,w\in \Sigma^* \wedge u ab v ab w\in L \}$. Zeigen Sie oder widerlegen Sie mit einem Gegenbeispiel: Für jede **endliche** Sprache $L\subseteq\Sigma^*$ gilt
$\Del(\Del(L))=\DelTwo(L)$.
<options>
<option id="1">Wahr</option>
<option id="2">Falsch</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<answer id="3">
...
</answer>
Thoughts
**Analyzing substring operations** I need to solve this exercise while focusing on subproblem b, which involves providing a truth value and proof or counterexample. I’ll check the previous assistant's response on subproblem a for correctness. The deletion operator Del removes one occurrence of the substring "ab" from a word in L, resulting in the concatenation of v and w. If "ab" isn't present, nothing changes. Then there's DelTwo, which removes two occurrences of "ab" potentially at different spots. That’s clear!**Clarifying substring deletion** I need to consider a word that contains "ab," followed by any string v, and then another "ab." When I remove both occurrences of "ab," what I'm left with is the concatenation of u, v, and w. It’s important to note these "ab" instances can't overlap since "ab" can't share characters with itself. For example, "abab" has distinct occurrences at positions 1-2 and 3-4. I’m thinking about the operation Del(Del(L)), which means applying the deletion twice.**Analyzing double deletion impacts** When I apply the deletion operator Del twice, I need to be careful about how this affects the words. The first Del gets rid of one "ab." Now the tricky part is that removing one "ab" could potentially create a new "ab" where the two sections meet. For instance, if the end of the first section v is 'a' and the start of the second section w is 'b,' the combined vw will have a new "ab." I'll double-check the original structure: v a b w, where v ends with 'a' and w starts with 'b.'**Understanding substring patterns** I’m trying to clarify the original pattern. The structure should be x a + a b + b y, which results in x a a b b y. This shows occurrences of "ab," where I see an "a a" followed by "a b" from the two segments. So, if I break it down: v ends with 'a' and w starts with 'b,' with v as x a and w as b y, it gets tricky. The first "ab" occurs in the middle, and the second arises from the 'a' at the end of v followed by the first 'b' of w.**Exploring substring deletion equality** It seems there's no "ab" across the boundary in the original because the "ab" substring sits between other characters. After the first deletion, it could create a new "ab," which didn’t exist in the original. Thus, Del(Del(L)) could potentially be larger than DelTwo(L), as the second "ab" removed might not correspond to any original "ab." To create a counterexample, I can use a single word containing one "ab," specifically "aabb." After deletion, I produce a new "ab," showing that Del(Del(L)) yields results that DelTwo(L) cannot match. Therefore, I can confidently say "Falsch" when asked if the statement holds for every finite language.**Providing counterexample and explanation** I need to provide a clear explanation about how deletions can create new "ab" substrings. Using my earlier counterexample, I’ll format it as per the instructions. Here’s how it breaks down: <option id="1">0</option> <option id="2">1</option> <answer id="3"> Der Gegenbeweis verwendet L = {aabb}. Es folgt: Del(L) = {"ab"}, Del(Del(L)) = {epsilon}. DelTwo(L) = leere Menge, da 'aabb' nur ein "ab" enthält. Daher sind sie nicht gleich. Die zweite Löschung kann ein "ab" entfernen, das nur nach der ersten Löschung entstanden ist; somit kann Del(Del(L)) größer sein als DelTwo(L). </answer>
Answer
<option id="1">0</option> <option id="2">1</option> <answer id="3"> Gegenbeispiel: L = {aabb}. - Del(L) = {ab} (einziges Vorkommen von "ab" in aabb ist zwischen den mittleren Zeichen). - Del(Del(L)) = Del({ab}) = {ε}. - DelTwo(L) = ∅, da aabb nur ein einziges "ab" enthält und daher keine Darstellung uabvabw möglich ist. Also Del(Del(L)) ≠ DelTwo(L). Intuition: Beim ersten Löschen kann an der Nahtstelle ein neues "ab" entstehen, das in der Originalkette nicht vorhanden war. </answer>
Wir definieren . Zeigen Sie oder widerlegen Sie mit einem Gegenbeispiel: Für jede endliche Sprache gilt .
☐Wahr☒Falsch
Gegenbeispiel: L = {aabb}. - Del(L) = {ab} (einziges Vorkommen von "ab" in aabb ist zwischen den mittleren Zeichen). - Del(Del(L)) = Del({ab}) = {ε}. - DelTwo(L) = ∅, da aabb nur ein einziges "ab" enthält und daher keine Darstellung uabvabw möglich ist. Also Del(Del(L)) ≠ DelTwo(L). Intuition: Beim ersten Löschen kann an der Nahtstelle ein neues "ab" entstehen, das in der Originalkette nicht vorhanden war.
Subproblem c (7.0/7.0P)
Prompt
system:You are an AI assistant specializing in theoretical computer science. Your task is to answer a series of exam questions, providing accurate and well-reasoned responses that demonstrate a deep understanding of theoretical computer science concepts.
# Instructions
You must follow the given answer format.
If the exercises contains yes or no questions for you to answer, there will be one <option> element for each such question. You must answer these with either 0 or 1.
For longer answers, there will be <answer> elements. If the answer must follow a specific template, a corresponding <answer-template> element defines this template, and you MUST follow it precisely when providing your <answer>, as any deviations from the template will cause your answer to be invalid. A '?' symbol indicates a place for you to insert a short text, while a '???' symbol marks places for you to insert multi-line answers. To define the precise syntax to use, an <example> element may be provided. You MUST follow this syntax. However, note that the answers in the example may not be correct answers to the question.
Some questions relate to specific lecture material. In this case, the material will be provided in <context> elements for you to reference.
## Formatting
Always follow the format of the given exercise. If you are writing longer text, you can put text in *italics* or make it **bold**. Formulas should be given as LaTeX and enclosed properly, i.e. $...$ or \[...\].
user:# Exercise: Verlorene Buchsten
Sei $\Sigma:=\{a,b\}$. Für eine Sprache $L\subseteq\Sigma^*$ bezeichnet $\Del(L)$ die Sprache,
die man erhält, wenn man den Wörtern aus $L$ **genau einmal** das Wort $ab$ an einer beliebigen Stelle entfernt. Formal definieren wir
$\Del(L):= \{vw \mid v,w\in \Sigma^* \wedge vabw\in L\}$
## subproblem a (1.0 points)
Listen Sie alle Wörter der Sprache $\Del(\{abbaba,baa,ab,a,b\})$ explizit auf:
<answer-template id="1">
$\Del(\{abbaba,baa,ab,a,b\}) = \{?\}$
</answer-template>
<example>
$\Del(\{abbaba,baa,ab,a,b\}) = \{\varepsilon, ab, bbab\}$
</example>
### answer format
Give your answer in the following format:
<answer id="1">
...
</answer>
assistant:<answer id="1">
$\Del(\{abbaba,baa,ab,a,b\}) = \{\varepsilon, baba, abba\}$
</answer>
user:
## subproblem b (2.0 points)
Wir definieren $\DelTwo(L):=\{uvw \mid u,v,w\in \Sigma^* \wedge u ab v ab w\in L \}$. Zeigen Sie oder widerlegen Sie mit einem Gegenbeispiel: Für jede **endliche** Sprache $L\subseteq\Sigma^*$ gilt
$\Del(\Del(L))=\DelTwo(L)$.
<options>
<option id="1">Wahr</option>
<option id="2">Falsch</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<answer id="3">
...
</answer>
assistant:<option id="1">0</option>
<option id="2">1</option>
<answer id="3">
Gegenbeispiel: L = {aabb}.
- Del(L) = {ab} (einziges Vorkommen von "ab" in aabb ist zwischen den mittleren Zeichen).
- Del(Del(L)) = Del({ab}) = {ε}.
- DelTwo(L) = ∅, da aabb nur ein einziges "ab" enthält und daher keine Darstellung uabvabw möglich ist.
Also Del(Del(L)) ≠ DelTwo(L). Intuition: Beim ersten Löschen kann an der Nahtstelle ein neues "ab" entstehen, das in der Originalkette nicht vorhanden war.
</answer>
user:
## subproblem c (7.0 points)
Sei $G=(V,\Sigma,P,S)$ eine kontextfreie Grammatik in Chomsky-Normalform. Wir möchten eine kontextfreie Grammatik $G'=(V',\Sigma,P',S')$ konstruieren, sodass $L(G')=\Del(L(G))$ gilt. Hierzu setzen wir
$V':= V\cup \{X_{ab}\mid X\in V\}\cup \{X_a\mid X\in V\}\cup \{X_b\mid X\in V\}$
wobei $X_{ab},X_a,X_b\notin V$ für alle $X\in V$. Definieren Sie nun $P'$ und $S'$, sodass
1. $L_{G'}(X)=L_G(X)$
2. $L_{G'}(X_{ab})=\Del(L_G(X))$
3. $L_{G'}(X_{a})=\{w\in\Sigma^*\mid wa\in L_G(X)\}$
4. $L_{G'}(X_{b})=\{w\in\Sigma^*\mid bw\in L_G(X)\}$
für alle $X\in V$ gilt. Geben Sie die Produktionen $P'$ präzise an; vermeiden Sie unstrukturierten Fließtext.
*Hinweis:* $G$ ist in CNF, hat also keine $\varepsilon$-Produktionen. $G'$ muss nicht in CNF sein.
<answer-template id="1">
Startsymbol $S':=?$
Produktionen $P'$:
???
</answer-template>
### answer format
Give your answer in the following format:
<answer id="1">
...
</answer>
Thoughts
**Constructing grammar for deletion** I'm thinking about how to construct grammar G' that can delete one "ab" substring from words generated by G. I also want to maintain X_a and X_b for the removal of characters 'a' and 'b', respectively. Definitions are important here: L_{G'}(X_a) relates to appending 'a' at the end to produce a word from L_G(X), which indicates removing trailing 'a'. Similarly, X_b denotes removing leading 'b'. Finally, X_{ab} captures the deletion of "ab" anywhere within the string.**Specifying rewriting for grammar** I need to specify the rewriting for all X in V. First, I can keep the original productions so that L_{G'}(X) = L_G(X), meaning the same productions apply. Then I should introduce productions for X_a, X_b, and X_{ab} that are built on the derivation structure. I want to figure out how to delete the "ab" substring across possible derivation boundaries in the binary tree that results from G in CNF. This involves defining contexts for deletion throughout the parse tree path. I must remember that "ab" should be treated as an adjacent substring.**Identifying nodes for deletion** To delete "ab," I need to find a node in the tree where the left child's derivation ends with "a" and the right child's begins with "b," or both might be from the same child. This calls for defining a process of mutual recursion. For terminals: If X produces 'a', then L_G(X) should be {a} and thus L_{G'}(X) will also be {a}. For X_a, it includes words where 'a' is removed as a trailing character from derivations. For instance, if X produces 'a', then removing the trailing 'a' leads to an empty string; similarly, if X results in 'b', there's no production for X_a. If X produces a concatenation, it refers to Y and Z as parts of the process.**Splitting and concatenating for productions** To derive w a from L(X), I need to consider the split where w a = y z, with y coming from L(Y) and z from L(Z). This indicates that either the trailing 'a' belongs to z (meaning z ends in 'a'), or it could potentially be in y if z is empty. However, in CNF, Z cannot produce an empty string except possibly for S, and they state strictly that there are no epsilon productions. So, z must be non-empty. Thus, when I remove the trailing 'a', it must effectively correspond to y concatenated with z', where z = z' a, leading to the conclusion that w = y z'.**Defining productions for grammar with deletions** To manage the deletion of "ab," I see we need to generate strings from Z with one trailing 'a' removed, defining Z_a for this purpose. So, X_a leads to Y Z_a. However, it’s crucial Z cannot derive ε, meaning we can't derive ε in our current CNF. For X_b, where b w is in L(X), removing a leading 'b' results in X_b leading to Y_b Z. For X_{ab}, we’re addressing strings where we need to remove one "ab" occurrence. If X produces 'a' or 'b', it can't contain "ab," leading to no productions. Progressing into Y Z concatenations, we'll need to handle cases of “ab” found in either part or across. I plan to define new nonterminals for each rule and ensure the grammar's output remains consistent with the original while allowing single deletions. I'll ensure to maintain appropriate start symbols and stay within the bounds of CNF as outlined before.**Structuring grammar productions for deletions** I'm focusing on structuring the grammar to manage deletions effectively. I need to establish new nonterminals while ensuring original rules are included. For instance, when considering a production like X -> Y Z, I want to ensure that deletions occur correctly, respecting boundaries. For my productions, I'll define rules that encompass both terminal and non-terminal cases, clearly specifying for terminals X -> a or b. It’s essential to keep properties intact, especially ensuring that the language generated by our new grammar matches the original grammar, with precise handling for deletions, including cases where overlaps occur in strings. I’ll draft out the rules for clarity and integration into P'.**Defining grammar productions** I’m structuring the productions based on the given requirements. The start symbol is defined as S' := S_{ab}. For the productions P', I’ll include all original productions from P and add specific rules for the new nonterminals. For each terminal production X -> a, I’ll specify X_a -> ε; for X -> b, I’ll specify X_b -> ε. For binary productions X -> Y Z, I'll detail X_a -> Y Z_a, X_b -> Y_b Z, and X_{ab} in multiple forms to cover all cases. It looks precise and clear, aligning with all requirements!
Answer
<answer id="1"> Startsymbol $S':=S_{ab}$ Produktionen $P'$: - $P\subseteq P'$ (alle Originalproduktionen bleiben erhalten) - Für jede Terminalproduktion $X\to a\in P$: $X_a\to \varepsilon$ - Für jede Terminalproduktion $X\to b\in P$: $X_b\to \varepsilon$ - Für jede binäre Produktion $X\to YZ\in P$: - $X_a\to Y\,Z_a$ - $X_b\to Y_b\,Z$ - $X_{ab}\to Y_{ab}\,Z$ - $X_{ab}\to Y\,Z_{ab}$ - $X_{ab}\to Y_a\,Z_b$ </answer>
Sei eine kontextfreie Grammatik in Chomsky-Normalform. Wir möchten eine kontextfreie Grammatik konstruieren, sodass gilt. Hierzu setzen wir wobei für alle . Definieren Sie nun und , sodass 1. 2. 3. 4. für alle gilt. Geben Sie die Produktionen präzise an; vermeiden Sie unstrukturierten Fließtext. Hinweis: ist in CNF, hat also keine -Produktionen. muss nicht in CNF sein.
Startsymbol Produktionen : - (alle Originalproduktionen bleiben erhalten) - Für jede Terminalproduktion : - Für jede Terminalproduktion : - Für jede binäre Produktion : - - - - -
Subproblem d (2.0/2.0P)
Prompt
system:You are an AI assistant specializing in theoretical computer science. Your task is to answer a series of exam questions, providing accurate and well-reasoned responses that demonstrate a deep understanding of theoretical computer science concepts.
# Instructions
You must follow the given answer format.
If the exercises contains yes or no questions for you to answer, there will be one <option> element for each such question. You must answer these with either 0 or 1.
For longer answers, there will be <answer> elements. If the answer must follow a specific template, a corresponding <answer-template> element defines this template, and you MUST follow it precisely when providing your <answer>, as any deviations from the template will cause your answer to be invalid. A '?' symbol indicates a place for you to insert a short text, while a '???' symbol marks places for you to insert multi-line answers. To define the precise syntax to use, an <example> element may be provided. You MUST follow this syntax. However, note that the answers in the example may not be correct answers to the question.
Some questions relate to specific lecture material. In this case, the material will be provided in <context> elements for you to reference.
## Formatting
Always follow the format of the given exercise. If you are writing longer text, you can put text in *italics* or make it **bold**. Formulas should be given as LaTeX and enclosed properly, i.e. $...$ or \[...\].
user:# Exercise: Verlorene Buchsten
Sei $\Sigma:=\{a,b\}$. Für eine Sprache $L\subseteq\Sigma^*$ bezeichnet $\Del(L)$ die Sprache,
die man erhält, wenn man den Wörtern aus $L$ **genau einmal** das Wort $ab$ an einer beliebigen Stelle entfernt. Formal definieren wir
$\Del(L):= \{vw \mid v,w\in \Sigma^* \wedge vabw\in L\}$
## subproblem a (1.0 points)
Listen Sie alle Wörter der Sprache $\Del(\{abbaba,baa,ab,a,b\})$ explizit auf:
<answer-template id="1">
$\Del(\{abbaba,baa,ab,a,b\}) = \{?\}$
</answer-template>
<example>
$\Del(\{abbaba,baa,ab,a,b\}) = \{\varepsilon, ab, bbab\}$
</example>
### answer format
Give your answer in the following format:
<answer id="1">
...
</answer>
assistant:<answer id="1">
$\Del(\{abbaba,baa,ab,a,b\}) = \{\varepsilon, baba, abba\}$
</answer>
user:
## subproblem b (2.0 points)
Wir definieren $\DelTwo(L):=\{uvw \mid u,v,w\in \Sigma^* \wedge u ab v ab w\in L \}$. Zeigen Sie oder widerlegen Sie mit einem Gegenbeispiel: Für jede **endliche** Sprache $L\subseteq\Sigma^*$ gilt
$\Del(\Del(L))=\DelTwo(L)$.
<options>
<option id="1">Wahr</option>
<option id="2">Falsch</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<answer id="3">
...
</answer>
assistant:<option id="1">0</option>
<option id="2">1</option>
<answer id="3">
Gegenbeispiel: L = {aabb}.
- Del(L) = {ab} (einziges Vorkommen von "ab" in aabb ist zwischen den mittleren Zeichen).
- Del(Del(L)) = Del({ab}) = {ε}.
- DelTwo(L) = ∅, da aabb nur ein einziges "ab" enthält und daher keine Darstellung uabvabw möglich ist.
Also Del(Del(L)) ≠ DelTwo(L). Intuition: Beim ersten Löschen kann an der Nahtstelle ein neues "ab" entstehen, das in der Originalkette nicht vorhanden war.
</answer>
user:
## subproblem c (7.0 points)
Sei $G=(V,\Sigma,P,S)$ eine kontextfreie Grammatik in Chomsky-Normalform. Wir möchten eine kontextfreie Grammatik $G'=(V',\Sigma,P',S')$ konstruieren, sodass $L(G')=\Del(L(G))$ gilt. Hierzu setzen wir
$V':= V\cup \{X_{ab}\mid X\in V\}\cup \{X_a\mid X\in V\}\cup \{X_b\mid X\in V\}$
wobei $X_{ab},X_a,X_b\notin V$ für alle $X\in V$. Definieren Sie nun $P'$ und $S'$, sodass
1. $L_{G'}(X)=L_G(X)$
2. $L_{G'}(X_{ab})=\Del(L_G(X))$
3. $L_{G'}(X_{a})=\{w\in\Sigma^*\mid wa\in L_G(X)\}$
4. $L_{G'}(X_{b})=\{w\in\Sigma^*\mid bw\in L_G(X)\}$
für alle $X\in V$ gilt. Geben Sie die Produktionen $P'$ präzise an; vermeiden Sie unstrukturierten Fließtext.
*Hinweis:* $G$ ist in CNF, hat also keine $\varepsilon$-Produktionen. $G'$ muss nicht in CNF sein.
<answer-template id="1">
Startsymbol $S':=?$
Produktionen $P'$:
???
</answer-template>
### answer format
Give your answer in the following format:
<answer id="1">
...
</answer>
assistant:<answer id="1">
Startsymbol $S':=S_{ab}$
Produktionen $P'$:
- $P\subseteq P'$ (alle Originalproduktionen bleiben erhalten)
- Für jede Terminalproduktion $X\to a\in P$: $X_a\to \varepsilon$
- Für jede Terminalproduktion $X\to b\in P$: $X_b\to \varepsilon$
- Für jede binäre Produktion $X\to YZ\in P$:
- $X_a\to Y\,Z_a$
- $X_b\to Y_b\,Z$
- $X_{ab}\to Y_{ab}\,Z$
- $X_{ab}\to Y\,Z_{ab}$
- $X_{ab}\to Y_a\,Z_b$
</answer>
user:
## subproblem d (2.0 points)
Wenden Sie Ihre Konstruktion auf das Beispiel $G:=(\{S,A\},\{a,b\},P,S)$ an, wobei $P$ gegeben ist durch:
$S\to SA\mid a\qquad A\to a\mid b$
*Hinweis:* Falls ein Nichtterminal nicht auf der linken Seite einer Produktion vorkommt, lassen Sie das entsprechende Feld leer.
<answer-template id="1">
Startsymbol $S':=?$
Produktionen $P'$:
$S\rightarrow ?$
$S_{ab}\rightarrow ?$
$S_a\rightarrow ?$
$S_b\rightarrow ?$
$A\rightarrow ?$
$A_{ab}\rightarrow ?$
$A_a\rightarrow ?$
$A_b\rightarrow ?$
</answer-template>
<example>
Startsymbol $S':=S$
Produktionen $P'$:
$S\rightarrow SS\mid AA\mid a"$
$S_{ab}\rightarrow S_{ab}A\mid\varepsilon$
...
</example>
### answer format
Give your answer in the following format:
<answer id="1">
...
</answer>
Thoughts
**Evaluating grammar construction** I need to apply the construction from c to the specific grammar G, which has the rules S -> SA | a and A -> a | b. However, I realize that the original c assumed CNF grammar. It seems G isn’t truly in CNF due to S -> SA. That said, A -> BC is still a binary form, and terminal productions like A -> a and A -> b work fine. Since it doesn't have epsilon or unit productions, it should be okay overall.**Analyzing production rules** From the rules in c, I've included several for P'. I’m keeping all original productions P, along with adjustments for terminal productions like X->a, which leads to X_a -> ε, and similar rules for X->b. For binary productions like X-> Y Z, I’ve figured out several new rules focusing on terminal versions. However, I’m wondering if I need additional productions for X_a and X_b. The propagation for X_a looks sufficient with its given rule. I’m also checking the semantics to ensure languages match.**Clarifying language generation** The split with 'a = y z' implies that y is in L(Y) and z is in L(Z), suggesting that 'a' might be contributed by the Z suffix. Since terminals appear only at the leaves, the 'a' must come from Z at the end of the concatenation to generate w a in L(Y) L(Z). I derived that L(X_a) = L(Y) L(Z_a), which aligns with the rule X_a -> Y Z_a. For X_b, I see that 'b' must be from Y’s prefix, leading to L(Y_b) L(Z), consistent with X_b -> Y_b Z. For X_{ab}, I find that L_{G'}(X_{ab}) is related to deleting L_G(X).**Defining deletion rules** For the production X -> YZ, I need to account for deleting 'ab' from strings in L(Y)L(Z). The deletion can happen within Y or Z, or even across the boundary where 'a' at the end of Y and 'b' at the beginning of Z combine. This gives me rules like X_{ab} -> Y_{ab} Z | Y Z_{ab} | Y_a Z_b, which matches. However, for terminal productions like X -> a or X -> b, deleting 'ab' yields an empty set, so I won’t define productions for X_{ab} here. It's consistent to have X_a -> ε when X -> a, and X_b -> ε when X -> b, which might mean adding X_a/X_b for those terminals. For S', I plan to use S_{ab}. The hint also reminds me to leave fields empty if nonterminals don't appear on the left side.**Finalizing grammar productions** I see that I need to fill in productions for all eight nonterminals: S, S_ab, S_a, S_b, A, A_ab, A_a, and A_b. I’ll keep original productions from P, like S -> SA | a, and add rules for the derived nonterminals based on previous logic. For instance, for S_a, I realize I need S_a -> S A_a and S_a -> ε when considering S -> a. Additionally, terminal productions for A lead to A_a -> ε and A_b -> ε. I need to make sure to leave fields empty where needed, especially for A_ab. Now, I’ll properly format these in LaTeX and ensure clarity and correctness, including alternatives in the right style, and finalize the answer.
Answer
<answer id="1"> Startsymbol $S':=S_{ab}$ Produktionen $P'$: $S\rightarrow SA\mid a$ $S_{ab}\rightarrow S_{ab}A\mid S A_{ab}\mid S_a A_b$ $S_a\rightarrow S A_a\mid \varepsilon$ $S_b\rightarrow S_b A$ $A\rightarrow a\mid b$ $A_{ab}\rightarrow $ $A_a\rightarrow \varepsilon$ $A_b\rightarrow \varepsilon$ </answer>
Wenden Sie Ihre Konstruktion auf das Beispiel an, wobei gegeben ist durch: Hinweis: Falls ein Nichtterminal nicht auf der linken Seite einer Produktion vorkommt, lassen Sie das entsprechende Feld leer.
Startsymbol Produktionen :
0 mistakes
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 .
Subproblem a (2.0/2.0P)
Prompt
system:You are an AI assistant specializing in theoretical computer science. Your task is to answer a series of exam questions, providing accurate and well-reasoned responses that demonstrate a deep understanding of theoretical computer science concepts.
# Instructions
You must follow the given answer format.
If the exercises contains yes or no questions for you to answer, there will be one <option> element for each such question. You must answer these with either 0 or 1.
For longer answers, there will be <answer> elements. If the answer must follow a specific template, a corresponding <answer-template> element defines this template, and you MUST follow it precisely when providing your <answer>, as any deviations from the template will cause your answer to be invalid. A '?' symbol indicates a place for you to insert a short text, while a '???' symbol marks places for you to insert multi-line answers. To define the precise syntax to use, an <example> element may be provided. You MUST follow this syntax. However, note that the answers in the example may not be correct answers to the question.
Some questions relate to specific lecture material. In this case, the material will be provided in <context> elements for you to reference.
## Formatting
Always follow the format of the given exercise. If you are writing longer text, you can put text in *italics* or make it **bold**. Formulas should be given as LaTeX and enclosed properly, i.e. $...$ or \[...\].
user:# Exercise: 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 $\Sigma := \{0, 1\}$.
## subproblem a (2.0 points)
Sei $L$ eine kontextfreie Sprache. Welche Aussagen sind wahr?
<options>
<option id="1">$L$ ist entscheidbar</option>
<option id="2">$\overline{L}$ ist entscheidbar</option>
<option id="3">$L$ ist semi-entscheidbar</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
Answer
<option id="1">1</option> <option id="2">1</option> <option id="3">1</option>
Sei eine kontextfreie Sprache. Welche Aussagen sind wahr?
☒ ist entscheidbar☒ ist entscheidbar☒ ist semi-entscheidbar
Subproblem b (2.0/2.0P)
Prompt
system:You are an AI assistant specializing in theoretical computer science. Your task is to answer a series of exam questions, providing accurate and well-reasoned responses that demonstrate a deep understanding of theoretical computer science concepts.
# Instructions
You must follow the given answer format.
If the exercises contains yes or no questions for you to answer, there will be one <option> element for each such question. You must answer these with either 0 or 1.
For longer answers, there will be <answer> elements. If the answer must follow a specific template, a corresponding <answer-template> element defines this template, and you MUST follow it precisely when providing your <answer>, as any deviations from the template will cause your answer to be invalid. A '?' symbol indicates a place for you to insert a short text, while a '???' symbol marks places for you to insert multi-line answers. To define the precise syntax to use, an <example> element may be provided. You MUST follow this syntax. However, note that the answers in the example may not be correct answers to the question.
Some questions relate to specific lecture material. In this case, the material will be provided in <context> elements for you to reference.
## Formatting
Always follow the format of the given exercise. If you are writing longer text, you can put text in *italics* or make it **bold**. Formulas should be given as LaTeX and enclosed properly, i.e. $...$ or \[...\].
user:# Exercise: 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 $\Sigma := \{0, 1\}$.
## subproblem a (2.0 points)
Sei $L$ eine kontextfreie Sprache. Welche Aussagen sind wahr?
<options>
<option id="1">$L$ ist entscheidbar</option>
<option id="2">$\overline{L}$ ist entscheidbar</option>
<option id="3">$L$ ist semi-entscheidbar</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
assistant:<option id="1">1</option>
<option id="2">1</option>
<option id="3">1</option>
user:
## subproblem b (2.0 points)
Seien $L_1,L_2\subseteq\Sigma^*$ entscheidbare Sprachen. Welche der folgenden Sprachen sind entscheidbar?
<options>
<option id="1">$L_1\cap L_2$</option>
<option id="2">$L_1\setminus L_2$</option>
<option id="3">$L_1L_2$</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
Thoughts
**Evaluating decidable languages** I need to answer the question about which decidable languages remain decidable under certain operations: intersection, set difference, and concatenation. Decidable languages are closed under intersection, complement, and union, which means we can handle set differences too. For concatenation, it gets tricky since it involves deciding if a string can be split appropriately. However, since there are only finitely many splits, we can indeed determine membership through this process. So yes, concatenation is valid for decidable languages!**Confirming decidable languages properties** Since both languages are decidable, I can test each possible split deterministically, which leads to a terminating algorithm. I can check all prefixes of a given string against L1 and all suffixes against L2. If any check is true, I accept; otherwise, I reject. This confirms that concatenation of decidable languages is also decidable. I need to ensure that both deciders halt, which they do when I run through my established checks. So, overall, all three operations are decidable!**Finalizing the response structure** So, I can confirm that all operations are indeed decidable. I need to present the options in the exact format required, which is straightforward. Essentially, each operation will return a "1" to indicate decidability. Just to be clear, I’ll make sure not to include any extra text. Also, I realize I should think about whether they expect closure under concatenation. Yes, that’s an important aspect to consider.
Answer
<option id="1">1</option> <option id="2">1</option> <option id="3">1</option>
Seien entscheidbare Sprachen. Welche der folgenden Sprachen sind entscheidbar?
☒☒☒
Subproblem c (2.0/2.0P)
Prompt
system:You are an AI assistant specializing in theoretical computer science. Your task is to answer a series of exam questions, providing accurate and well-reasoned responses that demonstrate a deep understanding of theoretical computer science concepts.
# Instructions
You must follow the given answer format.
If the exercises contains yes or no questions for you to answer, there will be one <option> element for each such question. You must answer these with either 0 or 1.
For longer answers, there will be <answer> elements. If the answer must follow a specific template, a corresponding <answer-template> element defines this template, and you MUST follow it precisely when providing your <answer>, as any deviations from the template will cause your answer to be invalid. A '?' symbol indicates a place for you to insert a short text, while a '???' symbol marks places for you to insert multi-line answers. To define the precise syntax to use, an <example> element may be provided. You MUST follow this syntax. However, note that the answers in the example may not be correct answers to the question.
Some questions relate to specific lecture material. In this case, the material will be provided in <context> elements for you to reference.
## Formatting
Always follow the format of the given exercise. If you are writing longer text, you can put text in *italics* or make it **bold**. Formulas should be given as LaTeX and enclosed properly, i.e. $...$ or \[...\].
user:# Exercise: 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 $\Sigma := \{0, 1\}$.
## subproblem a (2.0 points)
Sei $L$ eine kontextfreie Sprache. Welche Aussagen sind wahr?
<options>
<option id="1">$L$ ist entscheidbar</option>
<option id="2">$\overline{L}$ ist entscheidbar</option>
<option id="3">$L$ ist semi-entscheidbar</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
assistant:<option id="1">1</option>
<option id="2">1</option>
<option id="3">1</option>
user:
## subproblem b (2.0 points)
Seien $L_1,L_2\subseteq\Sigma^*$ entscheidbare Sprachen. Welche der folgenden Sprachen sind entscheidbar?
<options>
<option id="1">$L_1\cap L_2$</option>
<option id="2">$L_1\setminus L_2$</option>
<option id="3">$L_1L_2$</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
assistant:<option id="1">1</option>
<option id="2">1</option>
<option id="3">1</option>
user:
## subproblem c (2.0 points)
Sei $L\subseteq\{0\}^*$ unentscheidbar. Welche der folgenden Funktionen $f:\N\rightarrow\N$ sind berechenbar?
<options>
<option id="1">$f(n):=|L\cap \Sigma^n|$</option>
<option id="2">$f(n):=\min\{k\in\N: 0^k\in L\}$</option>
<option id="3">$f(n):=1$, falls $0^n\in L$, sonst $f(n):=0$</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
Thoughts
**Evaluating computability of functions** I'm delving into the computability of a function and its relationship to decidability. For the set L, which includes only strings made up of '0's, the characteristic function is 1 if a string belongs to L and 0 otherwise. Since L is undecidable, this function cannot be computed, indicating that options 1 and 3 are not computable. I wonder if there are cases where the membership could be computable. Option 2 might be tricky since if the set is empty, the function becomes undefined.**Analyzing function computability** I'm thinking about the function defined on a set L, particularly if L is empty. If it is, finding the minimum over an empty set would make the function undefined, which brings up questions about its computability. They seem to treat it as a function with a whole number domain, but it can't be total if L is indeed empty. I wonder if they assume a fallback value like +∞ or 0, though it's not specified. It seems typical to consider functions computable only if they are total, suggesting L must be nonempty for this function to work.**Evaluating properties of L** I'm considering the nature of the set L and its undecidability. An empty language is decidable, so L can’t just be empty. Thus, L is some undecidable set, and if it's finite, it's decidable, which can't be the case. So, L must be infinite or possibly coinfinite, but it's definitely nonempty. Now, since L is a subset of natural numbers, the minimum must exist due to well-ordering. Therefore, f2 is a constant value representing the first member of L, and I’m curious if this means it’s computable since it should be algorithmically outputtable.**Determining constant function computability** I'm thinking about how to produce the right constant for a function defined around a specific language L. The function, if it uses a minimum value m, effectively becomes a constant function. Yes, a Turing machine could definitely be programmed to output that constant m regardless of input. However, to create that machine, we'd need to "know" m first. Luckily, since the function is fixed, we can design it with that constant included. This leads me to ponder if all constant functions are computable, even if m isn't computable from L's description.**Confirming computability of options** Okay, I've established that for any natural number c, a Turing machine can print c, confirming that option 2 is computable. I need to ensure L is nonempty; since it’s undecidable, L must be nonempty. This means it can't be an empty language, which would be decidable. L is also a subset of {0}^*, and it's clear finite nonempty languages are decidable. Given L is infinite, a minimum exists, making it viable for the function. My final answers are: option 1 is 0, option 2 is 1, and option 3 is 0, confirming that both options 1 and 3 are not computable.
Answer
<option id="1">0</option> <option id="2">1</option> <option id="3">0</option>
Sei unentscheidbar. Welche der folgenden Funktionen sind berechenbar?
☐☒☐, falls , sonst
Subproblem d (2.0/2.0P)
Prompt
system:You are an AI assistant specializing in theoretical computer science. Your task is to answer a series of exam questions, providing accurate and well-reasoned responses that demonstrate a deep understanding of theoretical computer science concepts.
# Instructions
You must follow the given answer format.
If the exercises contains yes or no questions for you to answer, there will be one <option> element for each such question. You must answer these with either 0 or 1.
For longer answers, there will be <answer> elements. If the answer must follow a specific template, a corresponding <answer-template> element defines this template, and you MUST follow it precisely when providing your <answer>, as any deviations from the template will cause your answer to be invalid. A '?' symbol indicates a place for you to insert a short text, while a '???' symbol marks places for you to insert multi-line answers. To define the precise syntax to use, an <example> element may be provided. You MUST follow this syntax. However, note that the answers in the example may not be correct answers to the question.
Some questions relate to specific lecture material. In this case, the material will be provided in <context> elements for you to reference.
## Formatting
Always follow the format of the given exercise. If you are writing longer text, you can put text in *italics* or make it **bold**. Formulas should be given as LaTeX and enclosed properly, i.e. $...$ or \[...\].
user:# Exercise: 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 $\Sigma := \{0, 1\}$.
## subproblem a (2.0 points)
Sei $L$ eine kontextfreie Sprache. Welche Aussagen sind wahr?
<options>
<option id="1">$L$ ist entscheidbar</option>
<option id="2">$\overline{L}$ ist entscheidbar</option>
<option id="3">$L$ ist semi-entscheidbar</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
assistant:<option id="1">1</option>
<option id="2">1</option>
<option id="3">1</option>
user:
## subproblem b (2.0 points)
Seien $L_1,L_2\subseteq\Sigma^*$ entscheidbare Sprachen. Welche der folgenden Sprachen sind entscheidbar?
<options>
<option id="1">$L_1\cap L_2$</option>
<option id="2">$L_1\setminus L_2$</option>
<option id="3">$L_1L_2$</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
assistant:<option id="1">1</option>
<option id="2">1</option>
<option id="3">1</option>
user:
## subproblem c (2.0 points)
Sei $L\subseteq\{0\}^*$ unentscheidbar. Welche der folgenden Funktionen $f:\N\rightarrow\N$ sind berechenbar?
<options>
<option id="1">$f(n):=|L\cap \Sigma^n|$</option>
<option id="2">$f(n):=\min\{k\in\N: 0^k\in L\}$</option>
<option id="3">$f(n):=1$, falls $0^n\in L$, sonst $f(n):=0$</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
assistant:<option id="1">0</option>
<option id="2">1</option>
<option id="3">0</option>
user:
## subproblem d (2.0 points)
Seien $A,B\subseteq\Sigma^*$ Sprachen mit $A\le_p\SAT\le_p B$. Welche Aussagen sind wahr?
<options>
<option id="1">$A\in\NP$</option>
<option id="2">$B\in\NP$</option>
<option id="3">$B$ ist NP-hart</option>
<option id="4">$A\le_p B$</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
<option id="4">0 or 1</option>
Answer
<option id="1">1</option> <option id="2">0</option> <option id="3">1</option> <option id="4">1</option>
Seien Sprachen mit . Welche Aussagen sind wahr?
☒☐☒ ist NP-hart☒
Subproblem e (2.0/2.0P)
Prompt
system:You are an AI assistant specializing in theoretical computer science. Your task is to answer a series of exam questions, providing accurate and well-reasoned responses that demonstrate a deep understanding of theoretical computer science concepts.
# Instructions
You must follow the given answer format.
If the exercises contains yes or no questions for you to answer, there will be one <option> element for each such question. You must answer these with either 0 or 1.
For longer answers, there will be <answer> elements. If the answer must follow a specific template, a corresponding <answer-template> element defines this template, and you MUST follow it precisely when providing your <answer>, as any deviations from the template will cause your answer to be invalid. A '?' symbol indicates a place for you to insert a short text, while a '???' symbol marks places for you to insert multi-line answers. To define the precise syntax to use, an <example> element may be provided. You MUST follow this syntax. However, note that the answers in the example may not be correct answers to the question.
Some questions relate to specific lecture material. In this case, the material will be provided in <context> elements for you to reference.
## Formatting
Always follow the format of the given exercise. If you are writing longer text, you can put text in *italics* or make it **bold**. Formulas should be given as LaTeX and enclosed properly, i.e. $...$ or \[...\].
user:# Exercise: 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 $\Sigma := \{0, 1\}$.
## subproblem a (2.0 points)
Sei $L$ eine kontextfreie Sprache. Welche Aussagen sind wahr?
<options>
<option id="1">$L$ ist entscheidbar</option>
<option id="2">$\overline{L}$ ist entscheidbar</option>
<option id="3">$L$ ist semi-entscheidbar</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
assistant:<option id="1">1</option>
<option id="2">1</option>
<option id="3">1</option>
user:
## subproblem b (2.0 points)
Seien $L_1,L_2\subseteq\Sigma^*$ entscheidbare Sprachen. Welche der folgenden Sprachen sind entscheidbar?
<options>
<option id="1">$L_1\cap L_2$</option>
<option id="2">$L_1\setminus L_2$</option>
<option id="3">$L_1L_2$</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
assistant:<option id="1">1</option>
<option id="2">1</option>
<option id="3">1</option>
user:
## subproblem c (2.0 points)
Sei $L\subseteq\{0\}^*$ unentscheidbar. Welche der folgenden Funktionen $f:\N\rightarrow\N$ sind berechenbar?
<options>
<option id="1">$f(n):=|L\cap \Sigma^n|$</option>
<option id="2">$f(n):=\min\{k\in\N: 0^k\in L\}$</option>
<option id="3">$f(n):=1$, falls $0^n\in L$, sonst $f(n):=0$</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
assistant:<option id="1">0</option>
<option id="2">1</option>
<option id="3">0</option>
user:
## subproblem d (2.0 points)
Seien $A,B\subseteq\Sigma^*$ Sprachen mit $A\le_p\SAT\le_p B$. Welche Aussagen sind wahr?
<options>
<option id="1">$A\in\NP$</option>
<option id="2">$B\in\NP$</option>
<option id="3">$B$ ist NP-hart</option>
<option id="4">$A\le_p B$</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
<option id="4">0 or 1</option>
assistant:<option id="1">1</option>
<option id="2">0</option>
<option id="3">1</option>
<option id="4">1</option>
user:
## subproblem e (2.0 points)
Sei $L\subseteq \Sigma^*\{\#\}\Sigma^*$ eine Sprache, sodass $L\in\P$; $L$ enthält also Wörter der Form $u\#v$, mit $u,v\in\Sigma^*$. Welche der folgenden Sprachen sind in $\NP$?
<options>
<option id="1">$L$</option>
<option id="2">$\{u\mid\exists v\in\Sigma^*:u\#v\in L\}$</option>
<option id="3">$\{u\mid\exists v\in\Sigma^*:u\#v\in L\wedge |u|=|v|\}$</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
Thoughts
**Analyzing decidability** I'm thinking about decidability and how L is in the decidable class, which is closed under complement. This makes L semi-decidable, since decidable implies semi-decidable. Now for the intersection and differences of two decidable languages L1 and L2: does concatenation lead to a decidable language? I realize that for a word w, I need to check all possible splits, which is feasible since there are finitely many. This means it’s decidable. Lastly, I consider that L is a subset of {0}*, which is undecidable. I'm breaking this down methodically.**Exploring language L properties** I'm analyzing L, which consists only of the string composed of zeros. When considering Σ^n, this includes all binary strings of length n, but L only contains 0^k. So when I intersect L with Σ^n, the only string in L is 0^n. Now, the function f(n) equals 1 if 0^n is in L, and 0 otherwise, making it a characteristic function. As L is undecidable, this function is also uncomputable. Regarding options, I conclude that Option 1 and Option 3 should be 0, while Option 2 may be undefined.**Evaluating functions and properties** This function is partial, but there’s no specification provided for behavior if the set is empty. For a total function from N to N to be well-defined, we'd need a minimum over a non-empty set. Typically, if the set is empty, that minimum is undefined. Now, if L is an undecidable language as a subset of {0}*, it could theoretically be empty, but an empty language is decidable, which creates a contradiction. Thus, L must be infinite—but could it be finite? Finite sets are decidable, so I need to clarify this further.**Determining properties of L** I’ve concluded that L must be infinite. If it’s infinite, it has to contain at least one word, confirming it can’t be empty. But I’m considering if it could be co-infinite or even finite. Finite languages are decidable, so an undecidable L must be infinite and nontrivial. Since L is a subset of {0}* and includes powers of 0^k, it must have some elements. Thus, a minimum k0 exists, making f(n) a constant function. However, to compute k0, I would need more specific information about L.**Evaluating computability and reductions** I'm focusing on whether L is computable under certain conditions. For a Turing machine to output a constant based on L, that constant must be well-defined, which seems feasible if L is infinite and non-empty. Nonetheless, I find that if L has a minimum length string, that minimum exists per well-ordering principles. Now considering the statements involving A and B: even if A ≤p SAT, it doesn't ensure A is in NP. I'm realizing that option 1 should actually be false, so the responses for e would be: <option id="1">0</option> <option id="2">0</option> <option id="3">1</option> I think that's all set!
Answer
<option id="1">1</option> <option id="2">0</option> <option id="3">1</option>
Sei eine Sprache, sodass ; enthält also Wörter der Form , mit . Welche der folgenden Sprachen sind in ?
☒☐☒
Subproblem f (4.0/4.0P)
Prompt
system:You are an AI assistant specializing in theoretical computer science. Your task is to answer a series of exam questions, providing accurate and well-reasoned responses that demonstrate a deep understanding of theoretical computer science concepts.
# Instructions
You must follow the given answer format.
If the exercises contains yes or no questions for you to answer, there will be one <option> element for each such question. You must answer these with either 0 or 1.
For longer answers, there will be <answer> elements. If the answer must follow a specific template, a corresponding <answer-template> element defines this template, and you MUST follow it precisely when providing your <answer>, as any deviations from the template will cause your answer to be invalid. A '?' symbol indicates a place for you to insert a short text, while a '???' symbol marks places for you to insert multi-line answers. To define the precise syntax to use, an <example> element may be provided. You MUST follow this syntax. However, note that the answers in the example may not be correct answers to the question.
Some questions relate to specific lecture material. In this case, the material will be provided in <context> elements for you to reference.
## Formatting
Always follow the format of the given exercise. If you are writing longer text, you can put text in *italics* or make it **bold**. Formulas should be given as LaTeX and enclosed properly, i.e. $...$ or \[...\].
user:# Exercise: 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 $\Sigma := \{0, 1\}$.
## subproblem a (2.0 points)
Sei $L$ eine kontextfreie Sprache. Welche Aussagen sind wahr?
<options>
<option id="1">$L$ ist entscheidbar</option>
<option id="2">$\overline{L}$ ist entscheidbar</option>
<option id="3">$L$ ist semi-entscheidbar</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
assistant:<option id="1">1</option>
<option id="2">1</option>
<option id="3">1</option>
user:
## subproblem b (2.0 points)
Seien $L_1,L_2\subseteq\Sigma^*$ entscheidbare Sprachen. Welche der folgenden Sprachen sind entscheidbar?
<options>
<option id="1">$L_1\cap L_2$</option>
<option id="2">$L_1\setminus L_2$</option>
<option id="3">$L_1L_2$</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
assistant:<option id="1">1</option>
<option id="2">1</option>
<option id="3">1</option>
user:
## subproblem c (2.0 points)
Sei $L\subseteq\{0\}^*$ unentscheidbar. Welche der folgenden Funktionen $f:\N\rightarrow\N$ sind berechenbar?
<options>
<option id="1">$f(n):=|L\cap \Sigma^n|$</option>
<option id="2">$f(n):=\min\{k\in\N: 0^k\in L\}$</option>
<option id="3">$f(n):=1$, falls $0^n\in L$, sonst $f(n):=0$</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
assistant:<option id="1">0</option>
<option id="2">1</option>
<option id="3">0</option>
user:
## subproblem d (2.0 points)
Seien $A,B\subseteq\Sigma^*$ Sprachen mit $A\le_p\SAT\le_p B$. Welche Aussagen sind wahr?
<options>
<option id="1">$A\in\NP$</option>
<option id="2">$B\in\NP$</option>
<option id="3">$B$ ist NP-hart</option>
<option id="4">$A\le_p B$</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
<option id="4">0 or 1</option>
assistant:<option id="1">1</option>
<option id="2">0</option>
<option id="3">1</option>
<option id="4">1</option>
user:
## subproblem e (2.0 points)
Sei $L\subseteq \Sigma^*\{\#\}\Sigma^*$ eine Sprache, sodass $L\in\P$; $L$ enthält also Wörter der Form $u\#v$, mit $u,v\in\Sigma^*$. Welche der folgenden Sprachen sind in $\NP$?
<options>
<option id="1">$L$</option>
<option id="2">$\{u\mid\exists v\in\Sigma^*:u\#v\in L\}$</option>
<option id="3">$\{u\mid\exists v\in\Sigma^*:u\#v\in L\wedge |u|=|v|\}$</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
assistant:<option id="1">1</option>
<option id="2">0</option>
<option id="3">1</option>
user:
## subproblem f (4.0 points)
Sei $L\in\NP$. Zeigen oder widerlegen Sie: $L^*\in\NP$.
<options>
<option id="1">Ja, Beweis:</option>
<option id="2">Nein, Gegenbeispiel:</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<answer id="3">
...
</answer>
Thoughts
**Deciding NP closure properties** I’m working on the subproblem about whether L* is in NP for L in NP. I need to either prove this with a Yes or counter it with a No. I remember the closure properties: NP is known to be closed under concatenation and union. I believe it’s also closed under Kleene star. We can guess a decomposition of the input into substrings. Each substring must have a length of at least one, which complicates things, especially with the empty string. I’ll explore if the sum of verification times is polynomial too.**Examining polynomial verification** I’m looking at cases where there are k pieces of a total length n. The sum of polynomial verifications might be k times a polynomial of each piece's length. We need to ensure that this remains polynomial overall. It seems that the sum of polynomial evaluations on each piece could be at most a polynomial of the overall length. When dealing with polynomials with non-negative coefficients, we've got that the sum of evaluations is less than or equal to the evaluation of the total length raised to the same polynomial. This comparison is crucial for my analysis!**Applying convexity inequalities** I'm considering the convexity inequality, which suggests that the sum of n_i^j is less than or equal to (sum n_i)^j when j is greater than or equal to one and all terms are positive. It’s important to note that while this is true, the multinomial theorem indicates that (sum n_i)^j includes cross terms, complicating things a bit. But I believe that the sum of powers is indeed less than or equal to the sum over all j-tuples, including the diagonal terms, making my logic solid. I also think I can bound k by n+1, and that helps with constant overhead, confirming our polynomial expectations!**Confirming L* in NP** I’m concluding that the overall verification time can indeed be polynomial. Since NP is defined with a polynomial-time verifier and witness, I need to demonstrate that L* is in NP. I can outline the witness as the decomposition of pieces along with all their certificates. If each piece has a witness length bounded by a polynomial function, then summing them should also remain polynomial. I think I can express this as the sum being polynomial in n, which leads to the verifier running in polynomial time. Also, I’m noting that the empty string is included in L*, as we can verify it straightforwardly!**Handling input case for empty string** I need to ensure I handle the case where the input x is an empty string (x=ε). We can simplify things by accepting it with either an empty certificate or a special bit. For clarity, I think it makes sense to state that if x=ε, we should accept it with k=0. I'll make sure to include this in the proof as it clarifies how the empty string fits into the overall structure! Let's put this all together.
Answer
<option id="1">1</option> <option id="2">0</option> <answer id="3"> Sei L ∈ NP mit Verifizierer V, der auf Eingabe w eine Zeugenkette z mit |z| ≤ q(|w|) (q polynomial) in Zeit p(|w|) (p polynomial) prüft. Wir konstruieren einen NP-Verifizierer V* für L*. Für eine Eingabe x ∈ Σ* (|x| = n) erwartet V* als Zeugnis: - eine Zerlegung von x in k Faktoren x = x₁ … x_k mit k ≤ n (für x = ε ist k = 0 erlaubt) und alle x_i ≠ ε, - zu jedem Faktor x_i ein Zeugnis z_i für V mit |z_i| ≤ q(|x_i|). V* prüft: 1) die Korrektheit der Zerlegung (in O(n)), 2) für i = 1,…,k: V(x_i, z_i) akzeptiert. Akzeptiere genau dann, wenn alle Prüfungen akzeptieren. Korrektheit: x ∈ L* gdw. es eine Zerlegung in Faktoren aus L gibt; genau diese liefert obiges Zeugnis. Laufzeit: Die Gesamtlaufzeit ist O(n) + ∑_{i=1}^k p(|x_i|). Für ein Polynom p(t) = ∑_{j=0}^d a_j t^j mit a_j ≥ 0 gilt ∑_{i=1}^k |x_i|^j ≤ (∑_{i=1}^k |x_i|)^j = n^j und k ≤ n, also ∑_{i=1}^k p(|x_i|) ≤ ∑_{j=1}^d a_j n^j + a_0 k ≤ p(n) + a_0 n = poly(n). Die Zeugnislänge ist |(Zerlegung)| + ∑ |z_i| ≤ O(n) + ∑ q(|x_i|) ≤ poly(n). Also verifiziert V* in polynomieller Zeit mit polynomiell langem Zeugnis. Damit ist L* ∈ NP. </answer>
Sei . Zeigen oder widerlegen Sie: .
☒Ja, Beweis:☐Nein, Gegenbeispiel:
Sei L ∈ NP mit Verifizierer V, der auf Eingabe w eine Zeugenkette z mit |z| ≤ q(|w|) (q polynomial) in Zeit p(|w|) (p polynomial) prüft. Wir konstruieren einen NP-Verifizierer V* für L*. Für eine Eingabe x ∈ Σ* (|x| = n) erwartet V* als Zeugnis: - eine Zerlegung von x in k Faktoren x = x₁ … x_k mit k ≤ n (für x = ε ist k = 0 erlaubt) und alle x_i ≠ ε, - zu jedem Faktor x_i ein Zeugnis z_i für V mit |z_i| ≤ q(|x_i|). V* prüft: 1) die Korrektheit der Zerlegung (in O(n)), 2) für i = 1,…,k: V(x_i, z_i) akzeptiert. Akzeptiere genau dann, wenn alle Prüfungen akzeptieren. Korrektheit: x ∈ L* gdw. es eine Zerlegung in Faktoren aus L gibt; genau diese liefert obiges Zeugnis. Laufzeit: Die Gesamtlaufzeit ist O(n) + ∑_{i=1}^k p(|x_i|). Für ein Polynom p(t) = ∑_{j=0}^d a_j t^j mit a_j ≥ 0 gilt ∑_{i=1}^k |x_i|^j ≤ (∑_{i=1}^k |x_i|)^j = n^j und k ≤ n, also ∑_{i=1}^k p(|x_i|) ≤ ∑_{j=1}^d a_j n^j + a_0 k ≤ p(n) + a_0 n = poly(n). Die Zeugnislänge ist |(Zerlegung)| + ∑ |z_i| ≤ O(n) + ∑ q(|x_i|) ≤ poly(n). Also verifiziert V* in polynomieller Zeit mit polynomiell langem Zeugnis. Damit ist L* ∈ NP.
Exercise 7: Reduktion
Nehmen Sie an. Entscheiden Sie unter dieser Annahme, welche der folgenden Aussagen gelten. Die Aussagen sind von der Gestalt „“ für Entscheidungsprobleme . Wenn die Aussage gilt, dann müssen Sie (1) eine präzise definierte Reduktionsfunktion angeben und (2) die Reduktionsfunktion auf die gegebene Instanz von Problem anwenden. Die Korrektheit der Reduktion müssen Sie nur skizzieren. Wenn die Aussage nicht gilt, dann müssen Sie dies beweisen.
Subproblem a (4.0/4.0P)
Prompt
system:You are an AI assistant specializing in theoretical computer science. Your task is to answer a series of exam questions, providing accurate and well-reasoned responses that demonstrate a deep understanding of theoretical computer science concepts.
# Instructions
You must follow the given answer format.
If the exercises contains yes or no questions for you to answer, there will be one <option> element for each such question. You must answer these with either 0 or 1.
For longer answers, there will be <answer> elements. If the answer must follow a specific template, a corresponding <answer-template> element defines this template, and you MUST follow it precisely when providing your <answer>, as any deviations from the template will cause your answer to be invalid. A '?' symbol indicates a place for you to insert a short text, while a '???' symbol marks places for you to insert multi-line answers. To define the precise syntax to use, an <example> element may be provided. You MUST follow this syntax. However, note that the answers in the example may not be correct answers to the question.
Some questions relate to specific lecture material. In this case, the material will be provided in <context> elements for you to reference.
## Formatting
Always follow the format of the given exercise. If you are writing longer text, you can put text in *italics* or make it **bold**. Formulas should be given as LaTeX and enclosed properly, i.e. $...$ or \[...\].
user:# Exercise: Reduktion
Nehmen Sie $\P\ne\NP$ an. Entscheiden Sie unter dieser Annahme, welche der folgenden Aussagen gelten. Die Aussagen sind von der Gestalt „$A\le_p B$“ für Entscheidungsprobleme $A, B$. Wenn die Aussage gilt, dann müssen Sie (1) eine präzise definierte Reduktionsfunktion angeben **und** (2) die Reduktionsfunktion auf die gegebene Instanz von Problem $A$ anwenden. Die Korrektheit der Reduktion müssen Sie nur skizzieren. Wenn die Aussage nicht gilt, dann müssen Sie dies beweisen.
## subproblem a (4.0 points)
Sei $G=(V, E)$ ein ungerichteter Graph. Ein Hamilton-Pfad von $G$ ist eine Permutation $v_1,\dotsc,v_n$ der Knoten von $V$ mit $\{v_i, v_{i+1}\} \in E$ für jedes $i \in \{1, ..., n-1\}$. Ein Hamilton-Kreis von $G$ ist ein Hamilton-Pfad von $G$, der zusätzlich $\{v_n, v_1\} \in E$ erfüllt.
Sei HAMILTON-PFAD das Entscheidungsproblem, ob ein gegebener ungerichteter Graph einen Hamilton-Pfad hat. Sei HAMILTON-KREIS das Entscheidungsproblem, ob ein gegebener ungerichteter Graph einen Hamilton-Kreis hat.
**Aussage:** HAMILTON-PFAD $\le_p$ HAMILTON-KREIS
**Falls die Aussage gilt:** Wenden Sie Ihre Reduktion auf folgende Instanz von HAMILTON-PFAD an.
Knoten: A, B, C, D, E
Kanten:
A -- B
A -- C
B -- C
C -- D
C -- E
D -- E
<options>
<option id="1">Die Aussage gilt</option>
<option id="2">Die Aussage gilt nicht</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<answer id="3">
...
</answer>
Answer
<option id="1">1</option> <option id="2">0</option> <answer id="3"> Reduktionsfunktion f: Gegeben einen ungerichteten Graphen G = (V, E). Erzeuge G' = (V', E') mit - V' = V ∪ {s}, wobei s ein neuer Knoten ist, - E' = E ∪ {{s, v} | v ∈ V}. Also: Füge einen neuen Knoten s hinzu und verbinde ihn mit allen Knoten aus V. Laufzeit: O(|V| + |E|). Korrektheit (Skizze): - (⇒) Hat G einen Hamilton-Pfad v1, …, vn, so ist s–v1–…–vn–s ein Hamilton-Kreis in G', da s mit v1 und vn adjazent ist. - (⇐) Hat G' einen Hamilton-Kreis, so muss dieser s enthalten (da s neu und alle Grad ≥ 2; insbesondere s ist mit allen verbunden). Entfernt man s aus dem Kreis, bleibt ein Hamilton-Pfad in G. Anwendung auf die gegebene Instanz: G = (V, E) mit - V = {A, B, C, D, E} - E = {A–B, A–C, B–C, C–D, C–E, D–E} Dann ist f(G) = G' = (V', E') mit - V' = {A, B, C, D, E, s} - E' = {A–B, A–C, B–C, C–D, C–E, D–E, s–A, s–B, s–C, s–D, s–E} (Beispiel eines Hamilton-Kreises in G': s–A–B–C–D–E–s.) </answer>
Sei ein ungerichteter Graph. Ein Hamilton-Pfad von ist eine Permutation der Knoten von mit für jedes . Ein Hamilton-Kreis von ist ein Hamilton-Pfad von , der zusätzlich erfüllt. Sei HAMILTON-PFAD das Entscheidungsproblem, ob ein gegebener ungerichteter Graph einen Hamilton-Pfad hat. Sei HAMILTON-KREIS das Entscheidungsproblem, ob ein gegebener ungerichteter Graph einen Hamilton-Kreis hat. Aussage: HAMILTON-PFAD HAMILTON-KREIS Falls die Aussage gilt: Wenden Sie Ihre Reduktion auf folgende Instanz von HAMILTON-PFAD an. Knoten: A, B, C, D, E Kanten: A -- B A -- C B -- C C -- D C -- E D -- E
☒Die Aussage gilt☐Die Aussage gilt nicht
Reduktionsfunktion f: Gegeben einen ungerichteten Graphen G = (V, E). Erzeuge G' = (V', E') mit - V' = V ∪ {s}, wobei s ein neuer Knoten ist, - E' = E ∪ {{s, v} | v ∈ V}. Also: Füge einen neuen Knoten s hinzu und verbinde ihn mit allen Knoten aus V. Laufzeit: O(|V| + |E|). Korrektheit (Skizze): - (⇒) Hat G einen Hamilton-Pfad v1, …, vn, so ist s–v1–…–vn–s ein Hamilton-Kreis in G', da s mit v1 und vn adjazent ist. - (⇐) Hat G' einen Hamilton-Kreis, so muss dieser s enthalten (da s neu und alle Grad ≥ 2; insbesondere s ist mit allen verbunden). Entfernt man s aus dem Kreis, bleibt ein Hamilton-Pfad in G. Anwendung auf die gegebene Instanz: G = (V, E) mit - V = {A, B, C, D, E} - E = {A–B, A–C, B–C, C–D, C–E, D–E} Dann ist f(G) = G' = (V', E') mit - V' = {A, B, C, D, E, s} - E' = {A–B, A–C, B–C, C–D, C–E, D–E, s–A, s–B, s–C, s–D, s–E} (Beispiel eines Hamilton-Kreises in G': s–A–B–C–D–E–s.)
Subproblem b (3.0/3.0P)
Prompt
system:You are an AI assistant specializing in theoretical computer science. Your task is to answer a series of exam questions, providing accurate and well-reasoned responses that demonstrate a deep understanding of theoretical computer science concepts.
# Instructions
You must follow the given answer format.
If the exercises contains yes or no questions for you to answer, there will be one <option> element for each such question. You must answer these with either 0 or 1.
For longer answers, there will be <answer> elements. If the answer must follow a specific template, a corresponding <answer-template> element defines this template, and you MUST follow it precisely when providing your <answer>, as any deviations from the template will cause your answer to be invalid. A '?' symbol indicates a place for you to insert a short text, while a '???' symbol marks places for you to insert multi-line answers. To define the precise syntax to use, an <example> element may be provided. You MUST follow this syntax. However, note that the answers in the example may not be correct answers to the question.
Some questions relate to specific lecture material. In this case, the material will be provided in <context> elements for you to reference.
## Formatting
Always follow the format of the given exercise. If you are writing longer text, you can put text in *italics* or make it **bold**. Formulas should be given as LaTeX and enclosed properly, i.e. $...$ or \[...\].
user:# Exercise: Reduktion
Nehmen Sie $\P\ne\NP$ an. Entscheiden Sie unter dieser Annahme, welche der folgenden Aussagen gelten. Die Aussagen sind von der Gestalt „$A\le_p B$“ für Entscheidungsprobleme $A, B$. Wenn die Aussage gilt, dann müssen Sie (1) eine präzise definierte Reduktionsfunktion angeben **und** (2) die Reduktionsfunktion auf die gegebene Instanz von Problem $A$ anwenden. Die Korrektheit der Reduktion müssen Sie nur skizzieren. Wenn die Aussage nicht gilt, dann müssen Sie dies beweisen.
## subproblem a (4.0 points)
Sei $G=(V, E)$ ein ungerichteter Graph. Ein Hamilton-Pfad von $G$ ist eine Permutation $v_1,\dotsc,v_n$ der Knoten von $V$ mit $\{v_i, v_{i+1}\} \in E$ für jedes $i \in \{1, ..., n-1\}$. Ein Hamilton-Kreis von $G$ ist ein Hamilton-Pfad von $G$, der zusätzlich $\{v_n, v_1\} \in E$ erfüllt.
Sei HAMILTON-PFAD das Entscheidungsproblem, ob ein gegebener ungerichteter Graph einen Hamilton-Pfad hat. Sei HAMILTON-KREIS das Entscheidungsproblem, ob ein gegebener ungerichteter Graph einen Hamilton-Kreis hat.
**Aussage:** HAMILTON-PFAD $\le_p$ HAMILTON-KREIS
**Falls die Aussage gilt:** Wenden Sie Ihre Reduktion auf folgende Instanz von HAMILTON-PFAD an.
Knoten: A, B, C, D, E
Kanten:
A -- B
A -- C
B -- C
C -- D
C -- E
D -- E
<options>
<option id="1">Die Aussage gilt</option>
<option id="2">Die Aussage gilt nicht</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<answer id="3">
...
</answer>
assistant:<option id="1">1</option>
<option id="2">0</option>
<answer id="3">
Reduktionsfunktion f:
Gegeben einen ungerichteten Graphen G = (V, E). Erzeuge G' = (V', E') mit
- V' = V ∪ {s}, wobei s ein neuer Knoten ist,
- E' = E ∪ {{s, v} | v ∈ V}.
Also: Füge einen neuen Knoten s hinzu und verbinde ihn mit allen Knoten aus V.
Laufzeit: O(|V| + |E|).
Korrektheit (Skizze):
- (⇒) Hat G einen Hamilton-Pfad v1, …, vn, so ist s–v1–…–vn–s ein Hamilton-Kreis in G', da s mit v1 und vn adjazent ist.
- (⇐) Hat G' einen Hamilton-Kreis, so muss dieser s enthalten (da s neu und alle Grad ≥ 2; insbesondere s ist mit allen verbunden). Entfernt man s aus dem Kreis, bleibt ein Hamilton-Pfad in G.
Anwendung auf die gegebene Instanz:
G = (V, E) mit
- V = {A, B, C, D, E}
- E = {A–B, A–C, B–C, C–D, C–E, D–E}
Dann ist f(G) = G' = (V', E') mit
- V' = {A, B, C, D, E, s}
- E' = {A–B, A–C, B–C, C–D, C–E, D–E, s–A, s–B, s–C, s–D, s–E}
(Beispiel eines Hamilton-Kreises in G': s–A–B–C–D–E–s.)
</answer>
user:
## subproblem b (3.0 points)
Sei CFG-LEERHEIT das Entscheidungsproblem, ob eine gegebene kontextfreie Grammatik $G$ kein Wort erzeugt, also ob $L(G)=\emptyset$ gilt.
**Aussage:** 3KNF-SAT $\leq_p$ CFG-LEERHEIT
**Falls die Aussage gilt:** Wenden Sie Ihre Reduktion auf folgende Instanz von 3KNF-SAT an.
$(x_1\vee\neg x_2\vee x_3)\wedge(\neg x_1\vee x_2\vee x_3)$
<options>
<option id="1">Die Aussage gilt</option>
<option id="2">Die Aussage gilt nicht</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<answer id="3">
...
</answer>
Thoughts
**Evaluating complexity reductions** I’m thinking about whether 3CNF-SAT can reduce in polynomial time to CFG-emptiness, which is a decidable problem. Since CFG-emptiness can be checked in polynomial time and is in P, that raises questions about the reduction from NP-complete problems. If there’s a polynomial-time reduction from an NP-complete problem to a problem in P, it might imply P equals NP. That’s fascinating to consider, and I want to clarify that point!**Analyzing reductions and implications** I'm focused on the idea that a many-one Karp reduction of 3CNF-SAT to CFG-emptiness could imply 3CNF-SAT is in P, hence suggesting P equals NP. Since we assume P doesn't equal NP, this reduction can't exist. I'm considering if we're using polynomial-time Turing reduction, but it seems like it's a Karp reduction. It's confirmed that CFG-emptiness is in P. The contradiction means this statement doesn't hold, but what if we explore the complement? That could be an interesting angle!**Proving non-reducibility** I’m thinking through the requirement to prove that the statement doesn’t hold. If 3CNF-SAT reduces to CFG-emptiness and since the latter is in P, it would imply 3CNF-SAT is also in P, which contradicts our assumption about P and NP. Therefore, no polynomial-time many-one reduction exists unless P equals NP. I need to format my output correctly, indicating that "Die Aussage gilt nicht," and provide a proof of non-reducibility while noting there's no need to apply it further since it doesn’t hold.**Crafting the proof for CFG-emptiness** I want to put together a clear proof that CFG-emptiness is in P. First, I’ll outline the algorithm: I mark generating variables starting with terminals, then use productions to close under all symbols that generate variables. To check emptiness, I compute "productive" variables that can derive terminal strings. It's crucial that the start variable, S, is both productive and reachable, which it is by default. I’ll demonstrate that I can compute this productive set in polynomial time.**Finalizing the proof** I’m clarifying that CFG-emptiness is in P. If there was a Karp reduction from 3CNF-SAT to CFG-emptiness, it would imply 3CNF-SAT is also in P, which contradicts the assumption that P does not equal NP. I’ll provide a succinct argument and small proof: I’ll describe how to determine if a grammar derives terminal strings in polynomial time. The mapping from 3CNF-SAT to CFG-emptiness must preserve membership, reinforcing that if such a reduction existed, it would imply P = NP. Thus, the statement is false.
Answer
<option id="1">0</option> <option id="2">1</option> <answer id="3"> Beweis, dass die Aussage (unter Annahme P ≠ NP) nicht gilt: - CFG-LEERHEIT ist in P: Man kann in Polynomialzeit die Menge der „erzeugenden“ Nichtterminale berechnen (Fixpunkt-Verfahren: Ein Nichtterminal ist erzeugend, wenn es eine Regel hat, deren rechte Seite nur aus Terminalen und bereits als erzeugend markierten Nichtterminalen besteht). Dann gilt L(G) = ∅ genau dann, wenn das Startsymbol nicht erzeugend ist. Diese Prozedur läuft in Zeit poly(|G|). - Angenommen, es gäbe eine polynomielle Many-One-Reduktion 3KNF-SAT ≤p CFG-LEERHEIT. Dann ließe sich 3KNF-SAT in Polynomialzeit lösen, indem man zu einer Formel φ die Grammatik f(φ) berechnet und CFG-LEERHEIT in Polynomialzeit entscheidet. Das impliziert 3KNF-SAT ∈ P, also NP ⊆ P und damit P = NP — im Widerspruch zur Annahme P ≠ NP. Folglich kann eine solche Reduktion nicht existieren. </answer>
Sei CFG-LEERHEIT das Entscheidungsproblem, ob eine gegebene kontextfreie Grammatik kein Wort erzeugt, also ob gilt. Aussage: 3KNF-SAT CFG-LEERHEIT Falls die Aussage gilt: Wenden Sie Ihre Reduktion auf folgende Instanz von 3KNF-SAT an.
☐Die Aussage gilt☒Die Aussage gilt nicht
Beweis, dass die Aussage (unter Annahme P ≠ NP) nicht gilt: - CFG-LEERHEIT ist in P: Man kann in Polynomialzeit die Menge der „erzeugenden“ Nichtterminale berechnen (Fixpunkt-Verfahren: Ein Nichtterminal ist erzeugend, wenn es eine Regel hat, deren rechte Seite nur aus Terminalen und bereits als erzeugend markierten Nichtterminalen besteht). Dann gilt L(G) = ∅ genau dann, wenn das Startsymbol nicht erzeugend ist. Diese Prozedur läuft in Zeit poly(|G|). - Angenommen, es gäbe eine polynomielle Many-One-Reduktion 3KNF-SAT ≤p CFG-LEERHEIT. Dann ließe sich 3KNF-SAT in Polynomialzeit lösen, indem man zu einer Formel φ die Grammatik f(φ) berechnet und CFG-LEERHEIT in Polynomialzeit entscheidet. Das impliziert 3KNF-SAT ∈ P, also NP ⊆ P und damit P = NP — im Widerspruch zur Annahme P ≠ NP. Folglich kann eine solche Reduktion nicht existieren.
Subproblem c (7.0/7.0P)
Prompt
system:You are an AI assistant specializing in theoretical computer science. Your task is to answer a series of exam questions, providing accurate and well-reasoned responses that demonstrate a deep understanding of theoretical computer science concepts.
# Instructions
You must follow the given answer format.
If the exercises contains yes or no questions for you to answer, there will be one <option> element for each such question. You must answer these with either 0 or 1.
For longer answers, there will be <answer> elements. If the answer must follow a specific template, a corresponding <answer-template> element defines this template, and you MUST follow it precisely when providing your <answer>, as any deviations from the template will cause your answer to be invalid. A '?' symbol indicates a place for you to insert a short text, while a '???' symbol marks places for you to insert multi-line answers. To define the precise syntax to use, an <example> element may be provided. You MUST follow this syntax. However, note that the answers in the example may not be correct answers to the question.
Some questions relate to specific lecture material. In this case, the material will be provided in <context> elements for you to reference.
## Formatting
Always follow the format of the given exercise. If you are writing longer text, you can put text in *italics* or make it **bold**. Formulas should be given as LaTeX and enclosed properly, i.e. $...$ or \[...\].
user:# Exercise: Reduktion
Nehmen Sie $\P\ne\NP$ an. Entscheiden Sie unter dieser Annahme, welche der folgenden Aussagen gelten. Die Aussagen sind von der Gestalt „$A\le_p B$“ für Entscheidungsprobleme $A, B$. Wenn die Aussage gilt, dann müssen Sie (1) eine präzise definierte Reduktionsfunktion angeben **und** (2) die Reduktionsfunktion auf die gegebene Instanz von Problem $A$ anwenden. Die Korrektheit der Reduktion müssen Sie nur skizzieren. Wenn die Aussage nicht gilt, dann müssen Sie dies beweisen.
## subproblem a (4.0 points)
Sei $G=(V, E)$ ein ungerichteter Graph. Ein Hamilton-Pfad von $G$ ist eine Permutation $v_1,\dotsc,v_n$ der Knoten von $V$ mit $\{v_i, v_{i+1}\} \in E$ für jedes $i \in \{1, ..., n-1\}$. Ein Hamilton-Kreis von $G$ ist ein Hamilton-Pfad von $G$, der zusätzlich $\{v_n, v_1\} \in E$ erfüllt.
Sei HAMILTON-PFAD das Entscheidungsproblem, ob ein gegebener ungerichteter Graph einen Hamilton-Pfad hat. Sei HAMILTON-KREIS das Entscheidungsproblem, ob ein gegebener ungerichteter Graph einen Hamilton-Kreis hat.
**Aussage:** HAMILTON-PFAD $\le_p$ HAMILTON-KREIS
**Falls die Aussage gilt:** Wenden Sie Ihre Reduktion auf folgende Instanz von HAMILTON-PFAD an.
Knoten: A, B, C, D, E
Kanten:
A -- B
A -- C
B -- C
C -- D
C -- E
D -- E
<options>
<option id="1">Die Aussage gilt</option>
<option id="2">Die Aussage gilt nicht</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<answer id="3">
...
</answer>
assistant:<option id="1">1</option>
<option id="2">0</option>
<answer id="3">
Reduktionsfunktion f:
Gegeben einen ungerichteten Graphen G = (V, E). Erzeuge G' = (V', E') mit
- V' = V ∪ {s}, wobei s ein neuer Knoten ist,
- E' = E ∪ {{s, v} | v ∈ V}.
Also: Füge einen neuen Knoten s hinzu und verbinde ihn mit allen Knoten aus V.
Laufzeit: O(|V| + |E|).
Korrektheit (Skizze):
- (⇒) Hat G einen Hamilton-Pfad v1, …, vn, so ist s–v1–…–vn–s ein Hamilton-Kreis in G', da s mit v1 und vn adjazent ist.
- (⇐) Hat G' einen Hamilton-Kreis, so muss dieser s enthalten (da s neu und alle Grad ≥ 2; insbesondere s ist mit allen verbunden). Entfernt man s aus dem Kreis, bleibt ein Hamilton-Pfad in G.
Anwendung auf die gegebene Instanz:
G = (V, E) mit
- V = {A, B, C, D, E}
- E = {A–B, A–C, B–C, C–D, C–E, D–E}
Dann ist f(G) = G' = (V', E') mit
- V' = {A, B, C, D, E, s}
- E' = {A–B, A–C, B–C, C–D, C–E, D–E, s–A, s–B, s–C, s–D, s–E}
(Beispiel eines Hamilton-Kreises in G': s–A–B–C–D–E–s.)
</answer>
user:
## subproblem b (3.0 points)
Sei CFG-LEERHEIT das Entscheidungsproblem, ob eine gegebene kontextfreie Grammatik $G$ kein Wort erzeugt, also ob $L(G)=\emptyset$ gilt.
**Aussage:** 3KNF-SAT $\leq_p$ CFG-LEERHEIT
**Falls die Aussage gilt:** Wenden Sie Ihre Reduktion auf folgende Instanz von 3KNF-SAT an.
$(x_1\vee\neg x_2\vee x_3)\wedge(\neg x_1\vee x_2\vee x_3)$
<options>
<option id="1">Die Aussage gilt</option>
<option id="2">Die Aussage gilt nicht</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<answer id="3">
...
</answer>
assistant:<option id="1">0</option>
<option id="2">1</option>
<answer id="3">
Beweis, dass die Aussage (unter Annahme P ≠ NP) nicht gilt:
- CFG-LEERHEIT ist in P: Man kann in Polynomialzeit die Menge der „erzeugenden“ Nichtterminale berechnen (Fixpunkt-Verfahren: Ein Nichtterminal ist erzeugend, wenn es eine Regel hat, deren rechte Seite nur aus Terminalen und bereits als erzeugend markierten Nichtterminalen besteht). Dann gilt L(G) = ∅ genau dann, wenn das Startsymbol nicht erzeugend ist. Diese Prozedur läuft in Zeit poly(|G|).
- Angenommen, es gäbe eine polynomielle Many-One-Reduktion 3KNF-SAT ≤p CFG-LEERHEIT. Dann ließe sich 3KNF-SAT in Polynomialzeit lösen, indem man zu einer Formel φ die Grammatik f(φ) berechnet und CFG-LEERHEIT in Polynomialzeit entscheidet. Das impliziert 3KNF-SAT ∈ P, also NP ⊆ P und damit P = NP — im Widerspruch zur Annahme P ≠ NP.
Folglich kann eine solche Reduktion nicht existieren.
</answer>
user:
## subproblem c (7.0 points)
EXAKTE-ÜBERDECKUNG ist das folgende Entscheidungsproblem:
Eingabe: Eine endliche Menge $M=\{m_1, ..., m_k\}$ und eine Menge $T=\{T_1, ..., T_n\}$ von Teilmengen von $M$.
Ausgabe: Enthält $T$ eine *exakte Überdeckung* von $M$, d.h. gibt es eine Menge $S \subseteq T$, sodass jedes Element von $M$ in **genau** einer der Teilmengen in $S$ vorkommt?
**Aussage:** EXAKTE-ÜBERDECKUNG $\leq_p$ SAT
**Falls die Aussage gilt:** Wenden Sie Ihre Reduktion auf folgende Instanz von EXAKTE-ÜBERDECKUNG an.
$M\coloneqq\{1,2,3,4\}$
$T\coloneqq\{T_1,T_2,T_3,T_4,T_5\}$
wobei
$T_1\coloneqq\{1\}$,
$T_2\coloneqq\{1,3\}$,
$T_3\coloneqq\{1,2,3\}$,
$T_4\coloneqq\{2,4\}$,
$T_5\coloneqq\emptyset$.
<options>
<option id="1">Die Aussage gilt</option>
<option id="2">Die Aussage gilt nicht</option>
</options>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<answer id="3">
...
</answer>
Thoughts
**Exploring CNF Encoding** I could provide CNF encoding by adding clauses for at least one condition for each element, ensuring that it allows for exactly one per element. But then I wonder about empty sets—if T_5 is empty, is x_5 still useful? I think allowing the selection of an empty set might not harm the process, but it doesn't contribute to coverage. Even so, it seems like selecting extra empty sets doesn't violate the exact cover definition.**Analyzing Exact Coverage** Since the union equals M, I realize that adding an empty set doesn't impact the union. However, the "exactly once" condition implies that empty sets have no elements, so they don’t violate the coverage counts. The definition of "exakte Überdeckung" states that each element should be in exactly one subset of S, and adding an empty set won’t change that. Typically, the presence of an empty set is allowed, and including extra sets with empty intersections doesn’t incur a penalty.**Exploring Exact Cover and Satisfying Assignments** I'm thinking that the mapping from exact cover to satisfying assignments might allow for x_5 being true while still satisfying the constraints. That’s fine since we only need to show that the existence of a satisfying assignment corresponds to the existence of an exact cover. If x_5 can be true, it could lead to multiple satisfying assignments, which seems okay. However, if there's a satisfying assignment with x_5 true, can we still find an exact cover S? We can construct S' by removing T_5, confirming that an exact cover exists.**Examining Exact Covers and CNF Encoding** If J_i is empty, that means the instance has no exact cover, making the formula unsatisfiable. In my encoding, when J_i is empty, the "at least one" clause becomes false, which results in an unsatisfiable situation. To represent this in CNF, I can add a fresh contradiction or an empty clause. It's permissible to add a special variable for this case, but I can state that if J_i is empty, then φ will contain an empty clause, making it unsatisfiable. Also, I can add clauses for at-most-one and consider overlaps in selection.**Clarifying Exact Cover and CNF Formula** I’m wrapping my head around how the "exactly once per element" condition doesn’t prevent selecting sets with overlapping elements. The at-most-one constraint ensures that for each element m_i, I can select at most one set that contains it. If two sets share an element, that prevents selecting both. The family of selected sets is essentially disjoint with respect to the elements. Now, when I apply this to my instance, I can calculate the clauses and check for satisfiability. The result shows that the formula is satisfiable, providing a satisfying assignment while maintaining polynomial complexity.**Creating the Clause List** I'm working on the clause list for my SAT problem. Here are the clauses I've defined: 1. (x1 ∨ x2 ∨ x3) 2. (¬x1 ∨ ¬x2) 3. (¬x1 ∨ ¬x3) 4. (¬x2 ∨ ¬x3) 5. (x3 ∨ x4) 6. (¬x3 ∨ ¬x4) 7. (x2 ∨ x3) 8. (¬x2 ∨ ¬x3) [duplicate] 9. (x4) [unit clause] I could remove duplicates for clarity, but it's also okay to keep them. The final unique set will contain the essential clauses while noting that x5 doesn't occur in any. The satisfying assignment is x2=1, x4=1, with x1 and x3 as 0, and x5 arbitrary. I'll ensure the LaTeX formatting is correct.
Answer
<option id="1">1</option> <option id="2">0</option> <answer id="3"> Reduktionsfunktion f: Gegeben (M = {m_1, …, m_k}, T = {T_1, …, T_n}). Erzeuge eine CNF-Formel φ über Variablen x_1, …, x_n, wobei x_j = 1 bedeutet „T_j wird in die Überdeckung gewählt“. Für jedes Element m_i definiere J_i := { j ∈ {1,…,n} | m_i ∈ T_j } und füge hinzu: - Genau-eins-Nebenbedingung pro m_i durch • Mindestens-eins: (∨_{j ∈ J_i} x_j) (falls J_i = ∅, füge die leere Klausel hinzu) • Höchstens-eins: für alle j ≠ ℓ in J_i die Klausel (¬x_j ∨ ¬x_ℓ). Ausgabe ist φ = ∧_{i=1}^k [ (∨_{j∈J_i} x_j) ∧ ∧_{j<ℓ, j,ℓ∈J_i} (¬x_j ∨ ¬x_ℓ) ]. Laufzeit: polynomiell in |M| + ∑_j |T_j|. Korrektheit (Skizze): - (⇒) Hat S ⊆ T eine exakte Überdeckung, setze x_j = 1 genau für T_j ∈ S. Dann ist für jedes m_i genau ein j ∈ J_i gewählt: „mindestens-eins“ und alle „höchstens-eins“-Klauseln sind erfüllt. - (⇐) Erfüllt eine Belegung φ, dann hat für jedes m_i genau eine der x_j mit j ∈ J_i den Wert 1. Die gewählten Mengen sind paarweise disjunkt und überdecken M: genau eine Treffermenge pro Element ⇒ exakte Überdeckung. Anwendung auf die Instanz: M = {1,2,3,4}, T_1={1}, T_2={1,3}, T_3={1,2,3}, T_4={2,4}, T_5=∅. J-Mengen: - J_1 = {1,2,3}, J_2 = {3,4}, J_3 = {2,3}, J_4 = {4}. CNF-Formel φ: - Mindestens-eins: (x_1 ∨ x_2 ∨ x_3) ∧ (x_3 ∨ x_4) ∧ (x_2 ∨ x_3) ∧ (x_4) - Höchstens-eins (einzigartige Paare): (¬x_1 ∨ ¬x_2) ∧ (¬x_1 ∨ ¬x_3) ∧ (¬x_2 ∨ ¬x_3) ∧ (¬x_3 ∨ ¬x_4) Hinweis: x_5 kommt in keiner Klausel vor (T_5 = ∅). Beispielbelegung, die φ erfüllt: x_2 = 1, x_4 = 1, x_1 = x_3 = 0 (x_5 beliebig). Dies entspricht der exakten Überdeckung S = {T_2, T_4}. </answer>
EXAKTE-ÜBERDECKUNG ist das folgende Entscheidungsproblem: Eingabe: Eine endliche Menge und eine Menge von Teilmengen von . Ausgabe: Enthält eine exakte Überdeckung von , d.h. gibt es eine Menge , sodass jedes Element von in genau einer der Teilmengen in vorkommt? Aussage: EXAKTE-ÜBERDECKUNG SAT Falls die Aussage gilt: Wenden Sie Ihre Reduktion auf folgende Instanz von EXAKTE-ÜBERDECKUNG an. wobei , , , , .
☒Die Aussage gilt☐Die Aussage gilt nicht
Reduktionsfunktion f: Gegeben (M = {m_1, …, m_k}, T = {T_1, …, T_n}). Erzeuge eine CNF-Formel φ über Variablen x_1, …, x_n, wobei x_j = 1 bedeutet „T_j wird in die Überdeckung gewählt“. Für jedes Element m_i definiere J_i := { j ∈ {1,…,n} | m_i ∈ T_j } und füge hinzu: - Genau-eins-Nebenbedingung pro m_i durch • Mindestens-eins: (∨_{j ∈ J_i} x_j) (falls J_i = ∅, füge die leere Klausel hinzu) • Höchstens-eins: für alle j ≠ ℓ in J_i die Klausel (¬x_j ∨ ¬x_ℓ). Ausgabe ist φ = ∧_{i=1}^k [ (∨_{j∈J_i} x_j) ∧ ∧_{j<ℓ, j,ℓ∈J_i} (¬x_j ∨ ¬x_ℓ) ]. Laufzeit: polynomiell in |M| + ∑_j |T_j|. Korrektheit (Skizze): - (⇒) Hat S ⊆ T eine exakte Überdeckung, setze x_j = 1 genau für T_j ∈ S. Dann ist für jedes m_i genau ein j ∈ J_i gewählt: „mindestens-eins“ und alle „höchstens-eins“-Klauseln sind erfüllt. - (⇐) Erfüllt eine Belegung φ, dann hat für jedes m_i genau eine der x_j mit j ∈ J_i den Wert 1. Die gewählten Mengen sind paarweise disjunkt und überdecken M: genau eine Treffermenge pro Element ⇒ exakte Überdeckung. Anwendung auf die Instanz: M = {1,2,3,4}, T_1={1}, T_2={1,3}, T_3={1,2,3}, T_4={2,4}, T_5=∅. J-Mengen: - J_1 = {1,2,3}, J_2 = {3,4}, J_3 = {2,3}, J_4 = {4}. CNF-Formel φ: - Mindestens-eins: (x_1 ∨ x_2 ∨ x_3) ∧ (x_3 ∨ x_4) ∧ (x_2 ∨ x_3) ∧ (x_4) - Höchstens-eins (einzigartige Paare): (¬x_1 ∨ ¬x_2) ∧ (¬x_1 ∨ ¬x_3) ∧ (¬x_2 ∨ ¬x_3) ∧ (¬x_3 ∨ ¬x_4) Hinweis: x_5 kommt in keiner Klausel vor (T_5 = ∅). Beispielbelegung, die φ erfüllt: x_2 = 1, x_4 = 1, x_1 = x_3 = 0 (x_5 beliebig). Dies entspricht der exakten Überdeckung S = {T_2, T_4}.
Exercise 8: Bonus
Mindestens eine Antwortmöglichkeit ist immer richtig.
Subproblem a (2.0/2.0P)
Prompt
system:You are an AI assistant specializing in theoretical computer science. Your task is to answer a series of exam questions, providing accurate and well-reasoned responses that demonstrate a deep understanding of theoretical computer science concepts.
# Instructions
You must follow the given answer format.
If the exercises contains yes or no questions for you to answer, there will be one <option> element for each such question. You must answer these with either 0 or 1.
For longer answers, there will be <answer> elements. If the answer must follow a specific template, a corresponding <answer-template> element defines this template, and you MUST follow it precisely when providing your <answer>, as any deviations from the template will cause your answer to be invalid. A '?' symbol indicates a place for you to insert a short text, while a '???' symbol marks places for you to insert multi-line answers. To define the precise syntax to use, an <example> element may be provided. You MUST follow this syntax. However, note that the answers in the example may not be correct answers to the question.
Some questions relate to specific lecture material. In this case, the material will be provided in <context> elements for you to reference.
## Formatting
Always follow the format of the given exercise. If you are writing longer text, you can put text in *italics* or make it **bold**. Formulas should be given as LaTeX and enclosed properly, i.e. $...$ or \[...\].
user:# Exercise: Bonus
Mindestens eine Antwortmöglichkeit ist immer richtig.
## subproblem a (2.0 points)
Sei $\Sigma := \{a,b,c\}$. Welche der folgenden Sprachen sind **NICHT** regulär? Kreuzen Sie **alle** zutreffenden an. Wählen Sie anschließend **eine** solche Sprache und beweisen Sie, dass diese nicht regulär ist.
<options>
<option id="1">$\{w\in\Sigma^*:|w|_{aba}\ne|w|_{a}\}$</option>
<option id="2">$\big(\{w\in\Sigma^*:w=w^R\}\big)^*$</option>
<option id="3">$\{a^ib^jc^k:(i\ne 1\vee j=k)\wedge i,j,k\ge0\}$</option>
</options>
<answer-template id="4">
Beweis für Sprache ?:
???
</answer-template>
<example>
Beweis für Sprache 1:
...
</example>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
<answer id="4">
...
</answer>
Thoughts
**Determining language regularity** I’m figuring out which languages might be non-regular using the alphabet Σ={a,b,c}. One option is L1, which defines strings where the count of "aba" occurrences is not equal to the count of 'a' letters. So, I need to think about whether counting these values can be represented with a finite state machine. If the complement language L' is non-regular, then L1 must be non-regular too. I'm thinking I need to clearly define these counts for a better conclusion.**Analyzing language properties** I'm exploring whether the language L1 is regular or not. If equality between counts isn't regular, it seems like L1 would also be non-regular, but that’s not entirely correct. Non-regular languages and their complements aren't simply predictable. I need to define a function f(w) based on the difference between counts of 'a' and occurrences of "aba." But I'm wondering if this can be tracked with a finite automaton. It might be tough since the difference doesn't seem bounded. Each 'a' adds one while each "aba" subtracts one, complicating things!**Exploring automaton for "aba"** I’m considering the impact of overlapping occurrences of "aba" and how to track counts efficiently. One idea is to create an automaton that keeps track of the number of 'a's since the last 'ba,' but that sounds complex. Alternatively, I might use methods like the pumping lemma or Myhill-Nerode to examine non-regularity. For strings like a^n b a, I find that "aba" occurs only once if n is at least 1. Counting 'a's gives me n + 1 after the 'b'. So I’m narrowing down how often I see "aba"!**Finding non-regularity in L1** I’ve concluded that equality only holds when n=0, which means for n≥1, L1 includes all strings of the form a^n b a, which happens to be regular. To demonstrate non-regularity, I need an infinite subset like { a^n b a^n }. Next, I’ll analyze w_n = (aba)^n. In this case, I can count occurrences of "aba" based on overlapping positions. They show up at every third character, and by tracking each index, I see that the number of occurrences is exactly n, with a total of 2n 'a's in the string.**Analyzing equality of counts** I’m digging into if the equality set L_eq is regular. I explored how differences in counts are influenced by occurrences of 'a' and how they pair with 'aba'. It seems that for any string containing an 'a', the earliest 'a' cannot be preceded by 'ab', which keeps forcing the count difference f to remain positive. When I checked several sample strings like 'aba', 'ababa', and even 'cabab', I consistently found that f never reached zero, reinforcing the idea that you can’t have equality unless there are no 'a's at all! Thus, overall, I think I'll claim that for strings containing 'a', the count of 'a's will always be greater than that of 'aba' unless there are no 'a's present.**Validating language properties** I'm bounding occurrences of 'aba' by their end positions, and I deduced that if there's an 'a' it must close an 'aba'. The first 'a' can't end an 'aba' unless it's preceded by 'ab'. When analyzing strings like 'ababa', I found contradictions in requiring every 'a' to close an 'aba', leading me to conclude equality holds only if there are no 'a's present at all. Thus, I confirmed the language conditions: L_eq works with {b, c}*, while L1 includes all strings with at least one 'a’—that's regular!**Analyzing language regularity** I’m considering option 2, which relates to palindromes, and I realize the Kleene star of the set of palindromes actually generates all strings over the alphabet Σ. Therefore, L2 is regular since Pal^* = Σ*. Now, for option 3, I’m breaking down the language L3 defined by specific conditions involving a's, b's, and c's. Though it seems like there are regular components, the intersection reveals layers of complexity indicating non-regularity. In essence, I conclude that only option 3 is non-regular, and I’ll use a proof by contradiction involving the pumping lemma for validation.**Preparing the proof for language 3** I need to include the proof in the specified format with "Beweis für Sprache ?:" and ensure I clearly label it as option "3". While it seems I could also discuss the regularity of options 1 and 2, the focus should really be on proving that option 3 is non-regular. I’ll define L3, then show how it intersects with a regular language, and use the pumping lemma for clarity. I’ll keep it concise but informative, noting all necessary details without deviation from the template. I'll make sure everything's presented clearly, likely in German to match the exam instructions.**Crafting the proof format** I need to construct the proof for option 3 and focus on showing its non-regularity. I’ll start by using the closure property under intersection with a regular set R, which will reduce to the form a b^j c^j. I might include a pumping lemma proof to strengthen my argument. I’ll fill out the required template carefully, indicating the language number "3" and providing a clear, multi-line proof in the specified format. My goal is to keep everything concise and structured as needed.
Answer
<option id="1">0</option> <option id="2">0</option> <option id="3">1</option> <answer id="4"> Beweis für Sprache 3: Sei L := { a^i b^j c^k : (i ≠ 1 ∨ j = k), i,j,k ≥ 0 }. Wir zeigen: L ist nicht regulär. Betrachte die reguläre Sprache R := a b^* c^*. Dann ist L ∩ R = { a b^j c^k : (1 ≠ 1 ∨ j = k) } = { a b^j c^j : j ≥ 0 }. Angenommen, L wäre regulär. Da die Klasse der regulären Sprachen unter Durchschnitt mit regulären Sprachen abgeschlossen ist, wäre dann auch L ∩ R regulär. Aber { a b^j c^j : j ≥ 0 } ist nicht regulär (Pumping-Lemma: Für Pumping-Länge p zerfällt s = a b^p c^p in xyz mit |xy| ≤ p+1 und |y| ≥ 1; y liegt ausschließlich in den b’s; Pumpen mit i=0 liefert a b^{p-|y|} c^p ∉ { a b^j c^j }, Widerspruch). Also kann L nicht regulär sein. </answer>
Sei . Welche der folgenden Sprachen sind NICHT regulär? Kreuzen Sie alle zutreffenden an. Wählen Sie anschließend eine solche Sprache und beweisen Sie, dass diese nicht regulär ist.
☐☐☒
Beweis für Sprache 3: Sei L := { a^i b^j c^k : (i ≠ 1 ∨ j = k), i,j,k ≥ 0 }. Wir zeigen: L ist nicht regulär. Betrachte die reguläre Sprache R := a b^* c^*. Dann ist L ∩ R = { a b^j c^k : (1 ≠ 1 ∨ j = k) } = { a b^j c^j : j ≥ 0 }. Angenommen, L wäre regulär. Da die Klasse der regulären Sprachen unter Durchschnitt mit regulären Sprachen abgeschlossen ist, wäre dann auch L ∩ R regulär. Aber { a b^j c^j : j ≥ 0 } ist nicht regulär (Pumping-Lemma: Für Pumping-Länge p zerfällt s = a b^p c^p in xyz mit |xy| ≤ p+1 und |y| ≥ 1; y liegt ausschließlich in den b’s; Pumpen mit i=0 liefert a b^{p-|y|} c^p ∉ { a b^j c^j }, Widerspruch). Also kann L nicht regulär sein.
Subproblem b (1.0/1.0P)
Prompt
system:You are an AI assistant specializing in theoretical computer science. Your task is to answer a series of exam questions, providing accurate and well-reasoned responses that demonstrate a deep understanding of theoretical computer science concepts.
# Instructions
You must follow the given answer format.
If the exercises contains yes or no questions for you to answer, there will be one <option> element for each such question. You must answer these with either 0 or 1.
For longer answers, there will be <answer> elements. If the answer must follow a specific template, a corresponding <answer-template> element defines this template, and you MUST follow it precisely when providing your <answer>, as any deviations from the template will cause your answer to be invalid. A '?' symbol indicates a place for you to insert a short text, while a '???' symbol marks places for you to insert multi-line answers. To define the precise syntax to use, an <example> element may be provided. You MUST follow this syntax. However, note that the answers in the example may not be correct answers to the question.
Some questions relate to specific lecture material. In this case, the material will be provided in <context> elements for you to reference.
## Formatting
Always follow the format of the given exercise. If you are writing longer text, you can put text in *italics* or make it **bold**. Formulas should be given as LaTeX and enclosed properly, i.e. $...$ or \[...\].
user:# Exercise: Bonus
Mindestens eine Antwortmöglichkeit ist immer richtig.
## subproblem a (2.0 points)
Sei $\Sigma := \{a,b,c\}$. Welche der folgenden Sprachen sind **NICHT** regulär? Kreuzen Sie **alle** zutreffenden an. Wählen Sie anschließend **eine** solche Sprache und beweisen Sie, dass diese nicht regulär ist.
<options>
<option id="1">$\{w\in\Sigma^*:|w|_{aba}\ne|w|_{a}\}$</option>
<option id="2">$\big(\{w\in\Sigma^*:w=w^R\}\big)^*$</option>
<option id="3">$\{a^ib^jc^k:(i\ne 1\vee j=k)\wedge i,j,k\ge0\}$</option>
</options>
<answer-template id="4">
Beweis für Sprache ?:
???
</answer-template>
<example>
Beweis für Sprache 1:
...
</example>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
<answer id="4">
...
</answer>
assistant:<option id="1">0</option>
<option id="2">0</option>
<option id="3">1</option>
<answer id="4">
Beweis für Sprache 3:
Sei L := { a^i b^j c^k : (i ≠ 1 ∨ j = k), i,j,k ≥ 0 }. Wir zeigen: L ist nicht regulär.
Betrachte die reguläre Sprache R := a b^* c^*. Dann ist
L ∩ R = { a b^j c^k : (1 ≠ 1 ∨ j = k) } = { a b^j c^j : j ≥ 0 }.
Angenommen, L wäre regulär. Da die Klasse der regulären Sprachen unter Durchschnitt mit regulären Sprachen abgeschlossen ist, wäre dann auch L ∩ R regulär. Aber { a b^j c^j : j ≥ 0 } ist nicht regulär (Pumping-Lemma: Für Pumping-Länge p zerfällt s = a b^p c^p in xyz mit |xy| ≤ p+1 und |y| ≥ 1; y liegt ausschließlich in den b’s; Pumpen mit i=0 liefert a b^{p-|y|} c^p ∉ { a b^j c^j }, Widerspruch). Also kann L nicht regulär sein.
</answer>
user:
## subproblem b (1.0 points)
Sei $\Sigma := \{a,b\}$. Für welche der folgenden Sprachen $L$ gilt $L\ne L^R$ ? Geben Sie außerdem für jede Sprache $L$, die Sie gewählt haben, ein Wort $w$ an, das in genau einer der Sprachen $L,L^R$ enthalten ist.
*Hinweis*: Um das Feld leerzulassen, geben Sie - an.
<options>
<option id="1">$L(b^*a^*b)$</option>
<option id="2">$\{w\in\Sigma^*:w\ne w^R\}$</option>
<option id="3">$\{uavv:u,v\in\Sigma^*\}$</option>
</options>
<answer-template id="4">
1: $?$
2: $?$
3: $?$
</answer-template>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
<answer id="4">
...
</answer>
Thoughts
**Examining language equivalence** I need to determine if each given language L is not equal to its reversal, L^R. For those where L ≠ L^R, I’ll provide a word that belongs to only one of them or put a dash if not applicable. Starting with the alphabet Σ = {a, b}, I look at the first option: L(b^* a^* b). I understand that L denotes the language from the regex b^* a^* b, which includes all strings matching this pattern. Now I need to compute L^R to see if they are equal.**Analyzing regex reversal** The reversal of the regex b^* a^* b is b a^* b^*. I have to remember that when reversing concatenation, the order changes, but the Kleene star stays the same, meaning each symbol remains intact. So, L^R = L(b a^* b^*). Now, I’m curious if L(b^* a^* b) equals L(b a^* b^*). Typically, they wouldn’t be equal. Let’s consider the string "b". It's present in both languages, so it doesn't help differentiate. I’ll test another example, like "bb".**Determining language separation** For language L, I need to check the form b^* a^* b. The string "bb" works since the first part can provide one b, the second part is empty, and the final b supplies the second b, confirming "bb" ∈ L. In L^R, "bb" matches as well, so it’s in both languages. Now for "ab": in L, b^* is empty, a^* is 'a', and then the final 'b' is present. Therefore, "ab" ∈ L, but it doesn’t work for L^R because it starts with 'a'. This shows L ≠ L^R. Now, I’ll consider a second option involving non-palindromes.**Examining language closure** For L^R, I've defined it as { w^R : w ∈ L }, which includes reversals of non-palindromes. Since reversing a non-palindrome results in another non-palindrome, it holds that y^R is not equal to y, meaning y^R remains in L. This shows that L is closed under reversal, indicating L equals L^R. Therefore, my conclusion about L ≠ L^R being false suggests that for option 2, I should mark it as 0, and put a dash in the line. Now, moving to option 3, which involves strings containing single occurrences.**Exploring language characteristics** In the language pattern u a v v, I’m identifying strings that have an 'a' followed by two identical v's. So, if I reverse the string, its format becomes (v v)^R a^R u^R. This creates the challenge of having the 'a' positioned correctly between the parts. To check if L equals L^R overall, I need to find strings in L whose reversals aren't in L. After testing various combinations, I've determined that any string ending with 'a' is in L. However, taking a string like "ab," which isn’t in L, shows that its reversal, "ba," is in L, indicating L ≠ L^R.**Finalizing options for languages** I've determined that the string "ab" is not in L, but its reverse "ba" is in L, showing L ≠ L^R. For the task, I can provide "ab" for being in L but not L^R, while "ba" fits as a string in L but not L^R. Let's make sure to format the output correctly. I'll specify: <option id="1">1</option> <option id="2">0</option> <option id="3">1</option> <answer id="4"> 1: ab 2: - 3: ba </answer> This way, I meet the requirements cleanly!
Answer
<option id="1">1</option> <option id="2">0</option> <option id="3">1</option> <answer id="4"> 1: ab 2: - 3: ba </answer>
Sei . Für welche der folgenden Sprachen gilt ? Geben Sie außerdem für jede Sprache , die Sie gewählt haben, ein Wort an, das in genau einer der Sprachen enthalten ist. Hinweis: Um das Feld leerzulassen, geben Sie - an.
☒☐☒
1: ab 2: - 3: ba
Subproblem c (2.0/2.0P)
Prompt
system:You are an AI assistant specializing in theoretical computer science. Your task is to answer a series of exam questions, providing accurate and well-reasoned responses that demonstrate a deep understanding of theoretical computer science concepts.
# Instructions
You must follow the given answer format.
If the exercises contains yes or no questions for you to answer, there will be one <option> element for each such question. You must answer these with either 0 or 1.
For longer answers, there will be <answer> elements. If the answer must follow a specific template, a corresponding <answer-template> element defines this template, and you MUST follow it precisely when providing your <answer>, as any deviations from the template will cause your answer to be invalid. A '?' symbol indicates a place for you to insert a short text, while a '???' symbol marks places for you to insert multi-line answers. To define the precise syntax to use, an <example> element may be provided. You MUST follow this syntax. However, note that the answers in the example may not be correct answers to the question.
Some questions relate to specific lecture material. In this case, the material will be provided in <context> elements for you to reference.
## Formatting
Always follow the format of the given exercise. If you are writing longer text, you can put text in *italics* or make it **bold**. Formulas should be given as LaTeX and enclosed properly, i.e. $...$ or \[...\].
user:# Exercise: Bonus
Mindestens eine Antwortmöglichkeit ist immer richtig.
## subproblem a (2.0 points)
Sei $\Sigma := \{a,b,c\}$. Welche der folgenden Sprachen sind **NICHT** regulär? Kreuzen Sie **alle** zutreffenden an. Wählen Sie anschließend **eine** solche Sprache und beweisen Sie, dass diese nicht regulär ist.
<options>
<option id="1">$\{w\in\Sigma^*:|w|_{aba}\ne|w|_{a}\}$</option>
<option id="2">$\big(\{w\in\Sigma^*:w=w^R\}\big)^*$</option>
<option id="3">$\{a^ib^jc^k:(i\ne 1\vee j=k)\wedge i,j,k\ge0\}$</option>
</options>
<answer-template id="4">
Beweis für Sprache ?:
???
</answer-template>
<example>
Beweis für Sprache 1:
...
</example>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
<answer id="4">
...
</answer>
assistant:<option id="1">0</option>
<option id="2">0</option>
<option id="3">1</option>
<answer id="4">
Beweis für Sprache 3:
Sei L := { a^i b^j c^k : (i ≠ 1 ∨ j = k), i,j,k ≥ 0 }. Wir zeigen: L ist nicht regulär.
Betrachte die reguläre Sprache R := a b^* c^*. Dann ist
L ∩ R = { a b^j c^k : (1 ≠ 1 ∨ j = k) } = { a b^j c^j : j ≥ 0 }.
Angenommen, L wäre regulär. Da die Klasse der regulären Sprachen unter Durchschnitt mit regulären Sprachen abgeschlossen ist, wäre dann auch L ∩ R regulär. Aber { a b^j c^j : j ≥ 0 } ist nicht regulär (Pumping-Lemma: Für Pumping-Länge p zerfällt s = a b^p c^p in xyz mit |xy| ≤ p+1 und |y| ≥ 1; y liegt ausschließlich in den b’s; Pumpen mit i=0 liefert a b^{p-|y|} c^p ∉ { a b^j c^j }, Widerspruch). Also kann L nicht regulär sein.
</answer>
user:
## subproblem b (1.0 points)
Sei $\Sigma := \{a,b\}$. Für welche der folgenden Sprachen $L$ gilt $L\ne L^R$ ? Geben Sie außerdem für jede Sprache $L$, die Sie gewählt haben, ein Wort $w$ an, das in genau einer der Sprachen $L,L^R$ enthalten ist.
*Hinweis*: Um das Feld leerzulassen, geben Sie - an.
<options>
<option id="1">$L(b^*a^*b)$</option>
<option id="2">$\{w\in\Sigma^*:w\ne w^R\}$</option>
<option id="3">$\{uavv:u,v\in\Sigma^*\}$</option>
</options>
<answer-template id="4">
1: $?$
2: $?$
3: $?$
</answer-template>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
<answer id="4">
...
</answer>
assistant:<option id="1">1</option>
<option id="2">0</option>
<option id="3">1</option>
<answer id="4">
1: ab
2: -
3: ba
</answer>
user:
## subproblem c (2.0 points)
Welche der folgenden Sprachen über $\Sigma:=\{0,1\}$ sind unentscheidbar? Kreuzen Sie **alle** zutreffenden an. Wählen Sie anschließend **eine** solche Sprache und beweisen Sie, dass sie unentscheidbar ist.
<options>
<option id="1">$\{w\in\Sigma^*:|L(M_w)|^2=25\}$</option>
<option id="2">$\{w\in\Sigma^*:|L(M_w)|^2=50\}$</option>
<option id="3">$\{w\in\Sigma^*:|L(M_w)|^2=100\}$</option>
</options>
<answer-template id="4">
Beweis für Sprache ?:
???
</answer-template>
<example>
Beweis für Sprache 1:
...
</example>
### answer format
Give your answer in the following format:
<option id="1">0 or 1</option>
<option id="2">0 or 1</option>
<option id="3">0 or 1</option>
<answer id="4">
...
</answer>
Thoughts
**Evaluating undecidable languages** I need to tackle subproblem c: identifying undecidable languages over Sigma = {0,1}. There are options involving languages whose cardinalities are linked to equations like |L(M_w)|^2 = 25, 50, and 100. For each option, I interpret M_w as the Turing machine encoded by w. By understanding the cardinalities, I realize that these nontrivial properties make them undecidable according to Rice's theorem, as any significant property of the language recognized by a TM is undecidable.**Analyzing language decability** For Option 2, where |L|^2 = 50, there's no Turing machine that can satisfy this because cardinalities are natural numbers (0, 1, 2, …, infinity). Since the square of any natural number cannot equal 50, this set is therefore empty. Interestingly, the empty language is decidable, as it trivially holds. Consequently, I conclude that languages 1 and 3 are undecidable, while language 2 is decidable since it represents the empty set, making it regular.**Checking partiality issues** I need to be cautious about partiality issues with M_w, which is assumed to be a Turing machine. If w isn’t a valid encoding, often they define M_w as the TM corresponding to w, but it can be undefined. Typically, it's assumed that w encodes a TM, as they're usually coded in Sigma*. I’m thinking we should assume a reasonable encoding and an injective mapping. For the options, I conclude that option 1 is undecidable, option 2 is decidable, and option 3 is undecidable. I'll need to prove that one of these languages is undecidable, choosing either option 1 or 3 for proof via Rice’s theorem.**Formulating the proof outline** I’m considering Turing machines whose languages have exactly 5 strings or aren’t fixed at 5 (like empty sets). This establishes a nontrivial property because it strictly depends on the language recognized. According to Rice's theorem, this means it's undecidable. I could alternatively show this through a reduction from emptiness, but Rice’s approach is simpler. I’ll set L1 = {w : |L(M_w)| = 5}. For our answer format, we need to select language 1 for the proof. I’ll write the proof using Rice’s theorem, mentioning an alternative reduction from known undecidable properties, like the finiteness of languages, which is also undecidable by Rice’s theorem.**Applying Rice's theorem** I just need to apply Rice's theorem here, focusing on the property where |L|=10, but just one property is enough. It's crucial to remember that Rice's theorem typically concerns partial functions computed by Turing machines (TMs), though languages create a specific case. Essentially, a property of the language recognized corresponds to a partial characteristic function. For the options: - <option id="1">1</option> - <option id="2">0</option> - <option id="3">1</option> Then <answer id="4"> with "Proof for language 1:" Define L1: { w : |L(M_w)|^2 = 25 } = { w : |L(M_w)| = 5 }. The property P(L) is that "L is a recursively enumerable language of size exactly 5." This is nontrivial since there’s a TM with a fixed 5-element language, and one that isn’t size 5 (like empty). By Rice’s theorem, the set of encodings for TMs having property P is undecidable, making language 1 undecidable. I’ll also note that option 2 is empty because there’s no way for squares to equal 50, so it's decidable. Option 3 hinges on the same argument as option 1. I want to ensure I'm presenting a rigorous demonstration that the property is nontrivial and semantic, while also keeping it concise.
Answer
<option id="1">1</option> <option id="2">0</option> <option id="3">1</option> <answer id="4"> Beweis für Sprache 1: Sei L₁ := { w ∈ Σ^* : |L(M_w)|^2 = 25 } = { w : |L(M_w)| = 5 }. Betrachte die Eigenschaft P einer von einer TM erkannten Sprache L: “|L| = 5”. Diese Eigenschaft ist - semantisch (hängt nur von L ab, nicht von der Repräsentation von M), und - nichttrivial: Es gibt eine TM, die genau eine feste 5-elementige Sprache S akzeptiert (z.B. S = {ε,0,1,00,11}), und es gibt eine TM, deren Sprache nicht 5 Elemente hat (z.B. ∅). Nach dem Satz von Rice ist jede nichttriviale semantische Eigenschaft rekursiv aufzählbarer Sprachen unentscheidbar. Also ist L₁ unentscheidbar. (Analog ist Option 3 mit “|L| = 10” unentscheidbar; Option 2 ist leer, da keine Kardinalität n mit n²=50 existiert, also entscheidbar.) </answer>
Welche der folgenden Sprachen über sind unentscheidbar? Kreuzen Sie alle zutreffenden an. Wählen Sie anschließend eine solche Sprache und beweisen Sie, dass sie unentscheidbar ist.
☒☐☒
Beweis für Sprache 1: Sei L₁ := { w ∈ Σ^* : |L(M_w)|^2 = 25 } = { w : |L(M_w)| = 5 }. Betrachte die Eigenschaft P einer von einer TM erkannten Sprache L: “|L| = 5”. Diese Eigenschaft ist - semantisch (hängt nur von L ab, nicht von der Repräsentation von M), und - nichttrivial: Es gibt eine TM, die genau eine feste 5-elementige Sprache S akzeptiert (z.B. S = {ε,0,1,00,11}), und es gibt eine TM, deren Sprache nicht 5 Elemente hat (z.B. ∅). Nach dem Satz von Rice ist jede nichttriviale semantische Eigenschaft rekursiv aufzählbarer Sprachen unentscheidbar. Also ist L₁ unentscheidbar. (Analog ist Option 3 mit “|L| = 10” unentscheidbar; Option 2 ist leer, da keine Kardinalität n mit n²=50 existiert, also entscheidbar.)