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

Exercise a b c d e f g Total
1: Quiz: Reguläre und kontextfreie Sprachen 2.0/2.0 2.0/2.0 2.0/2.0 2.0/2.0 2.0/2.0 3.0/3.0 3.0/3.0 16.0/16.0
2: DFA-Algorithmen 1.0/6.0 0.0/1.0 4.0/4.0 2.0/2.0 5.0/5.0 12.0/18.0
3: Rekursive Funktionen 1.0/1.0 5.0/6.0 5.0/6.0 11.0/13.0
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 0.0/2.0 5.0/7.0 1.0/2.0 7.0/12.0
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 0.0/2.0 1.0/1.0 2.0/2.0 3.0/5.0
Exam total 89.0/105.0

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 Σ:={a,b}\Sigma := \{a, b\}.

Subproblem a (2.0/2.0P)

Welche der folgenden Sprachen sind Residualsprachen von L((bba)b)L((bba)^*b)?
{b}\{b\}L(ba(bba)bε)L(ba(bba)^*b | \varepsilon)\emptyset

Subproblem b (2.0/2.0P)

Sei LΣL \subseteq \Sigma^* eine Sprache mit LL=ΣLL = \Sigma^*. Welche Aussagen sind wahr?
LL ist unendlichεL\varepsilon \in LLLL=ΣLLL = \Sigma^*

Subproblem c (2.0/2.0P)

Sei LΣL \subseteq \Sigma^* regulär. Welche der folgenden Sprachen sind regulär?
{uRvu,vL}\{u^R v \mid u, v \in L\}{uRuuL}\{u^R u \mid u \in L\}{uvu,vLu=v}\{uv \mid u, v \in L \land |u| = |v|\}

Subproblem d (2.0/2.0P)

Welche der folgenden kontextfreien Grammatiken sind mehrdeutig?
SSSaS \rightarrow SS \mid aSSaSbεS \rightarrow Sa \mid Sb \mid \varepsilonSTTTaTbTabS \rightarrow TT\quad T \rightarrow aT \mid bT \mid a \mid b

Subproblem e (2.0/2.0P)

Sei AΣA \subseteq \Sigma^* regulär und BΣB \subseteq \Sigma^* kontextfrei. Welche der folgenden Sprachen sind kontextfrei?
ABA \cup \overline{B}AB\overline{A} \cup BABAB

Subproblem f (3.0/3.0P)

Geben Sie reguläre Ausdrücke XX, YY, ZZ über Σ\Sigma an, sodass die folgenden Gleichungen erfüllt sind.
XabaXabX \equiv a^*b^*aX \mid ab
Y(ba)aYbbYϵY \equiv (b\mid a)a^*Y \mid bbY \mid \epsilon
Za(ab)ZZ \equiv a^*(a \mid b)Z
X=(a^*b^*a)^*ab  
Y=((a|b)a^*|bb)^*  
Z=\emptyset

Subproblem g (3.0/3.0P)

Ein NFA (Q,Σ,δ,q0,F)(Q,\Sigma,\delta,q_0,F) heißt reversibel, falls für alle Zustände q1,q2Qq_1, q_2 \in Q und für alle Zeichen xΣx \in \Sigma gilt: Falls q2δ(q1,x)q_2 \in \delta(q_1,x), so q1δ(q2,x)q_1 \in \delta(q_2,x). Mit anderen Worten: Falls man von q1q_1 mit xx in q2q_2 übergehen kann, so kann man auch von q2q_2 mit xx in q1q_1 übergehen.

Gibt es einen reversiblen NFA NN über Σ\Sigma mit L(N)=L((aa)(bb))L(N) = L((aa)^*(bb)^*)? Falls ja, geben Sie einen solchen NFA an; falls nein, beweisen Sie es.
Wahr, reversibler NFAFalsch, Beweis
Angenommen, ein reversibler NFA NN existiert für L((aa)(bb))L((aa)^*(bb)^*). Dann muss für alle Übergänge in NN die Reversibilität gelten: Ist ein Zustand q2q_2 von q1q_1 mit xΣx\in\Sigma erreichbar, so auch umgekehrt.

Widerspruchsbeweis:  
Betrachte das Wort aabbaaL((aa)(bb))aabbaa \notin L((aa)^*(bb)^*), da nach bbs weitere aas vorkommen. NN muss dieses Wort ablehnen.  
- Der Teil aabba a b b wird von NN akzeptiert (da aabbLaabb \in L). Dazu muss es einen Pfad von q0q_0 nach qfq_f geben.  
- Da NN reversibel ist, können die bbs im Zustand q2q_2 durch bb-Übergänge wieder rückwärts traversiert werden.  
- Beim Verarbeiten der zweiten a-Sequenz aaaa können Übergänge in q0q_0 und weitere aa-Verarbeitung erfolgen, da NN nicht die Reihenfolge aas vor bbs erzwingen kann.  

Daraus ergibt sich ein akzeptierender Pfad für aabbaaaabbaa, was einen Widerspruch darstellt.  
Schluss: Es gibt keinen reversiblen NFA für L((aa)(bb))L((aa)^*(bb)^*).

Exercise 2: DFA-Algorithmen


Subproblem a (1.0/6.0P)

Wir betrachten den folgenden NFA NN über dem Alphabet Σ={a,b}\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 MM der DFA, den man erhält, wenn man NN mithilfe des Verfahrens aus der Vorlesung (Potenzmengenkonstruktion) zu einem DFA konvertiert. Tragen Sie MM in untere Schablone ein, indem Sie (1) die Transitionen beschriften, (2) die Finalzustände markieren, und (3) in der Tabelle rechts für jeden Zustand von MM die korrespondierende Menge an Zuständen aus NN 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, a -> q3
    q2, b -> q5
    q3, a -> q6
    q3, b -> q4
    q4, a -> q4
    q4, b -> q4
    q5, a -> q7
    q5, b -> q5
    q6, a -> q3
    q6, b -> q7
    q7, a -> q7
    q7, b -> q7
Zustandstabelle:
    q0: 0
    q1: 0, 1
    q2: 0, 1, 2
    q3: 3
    q4: \emptyset
    q5: 0, 1, 2, 3
    q6: 1, 2
    q7: 1, 2, 3
7 wrong transitions (-4P)
wrong state sets for [3, 5] (-1P)

Subproblem b (0.0/1.0P)

Ist M minimal? Begründen Sie Ihre Antwort kurz.
JaNein
Nein, M ist nicht minimal, da der Potenzmengenalgorithmus lediglich einen äquivalenten DFA erzeugt, aber nicht zwingend den minimalen DFA. Zustände wie q5 und q6 könnten beispielsweise unter bestimmten Eingaben identische Sprachverhalten aufweisen und somit zusammengefasst werden können, was Redundanzen aufzeigt.

Subproblem c (4.0/4.0P)

Im Folgenden sind zwei DFAs M1M_1 und M2M_2 angegeben. Berechnen Sie nach dem Algorithmus aus der Vorlesung (Produktkonstruktion) einen DFA MM mit L(M)=L(M1)L(M2)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
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)

Geben Sie jeweils ein kürzestes Wort in L(M1)L(M2)L(M_1)\cap L(M_2), L(M1)L(M2)L(M_1)\setminus L(M_2) und L(M2)L(M1)L(M_2)\setminus L(M_1) an, oder \emptyset, falls kein solches Wort existiert.

Hinweis: Verwenden Sie Ihr Ergebnis aus c).
L(M1)L(M2)L(M_1)\cap L(M_2): aa  
L(M1)L(M2)L(M_1)\setminus L(M_2): aabaab  
L(M2)L(M1)L(M_2)\setminus L(M_1): \emptyset

Subproblem e (5.0/5.0P)

Sei L{a,b,c}L\subseteq\{a,b,c\}^* eine Sprache. Wir definieren die Sprache Rc(L){a,b}R_{c}(L)\subseteq\{a,b\}^* als die Menge der Wörter, die man erhält, wenn man aus jedem Wort von LL jedes Zeichen cc löscht.
Zum Beispiel gilt Rc({ba,bca,cc,ca})={ba,ε,a}R_{c}(\{ba, bca, cc, ca\})=\{ba,\varepsilon,a\}.

Sei MM ein DFA mit nn Zuständen. Wählen Sie eine Funktion f:NNf:\N\rightarrow\N, sodass es einen DFA MM' für Rc(L(M))R_{c}(L(M)) mit höchstens f(n)f(n) Zuständen gibt und beschreiben Sie einen Algorithmus, um MM' zu berechnen uns argumentieren Sie, wieso MM' höchstens f(n)f(n) Zustände hat.
Ihre Wahl: f(n):=2nf(n):=2^n

Begründung:
Um MM' zu konstruieren, ersetzen wir in MM alle cc-Transitions durch ε-Transitionen und eliminieren diese durch ε-closure-Bildung. Danach wenden wir die Potenzmengenkonstruktion an. Jeder Zustand in MM' repräsentiert eine Teilmenge aller Zustände aus MM, da cc-freie Übergänge zu beliebigen Kombinationen führen können. Dies ergibt 2n2^n mögliche Zustände im worst-case, wobei nn die Anzahl der Zustände von MM ist.

Exercise 3: Rekursive Funktionen

Sei Σ:={0,1}\Sigma:=\{0,1\}. Für eine Sprache LΣL\subseteq\Sigma^* bezeichnet N(L)N(L) die Sprache, die man erhält, wenn man den Wörtern aus LL höchstens eine Null an einer beliebigen Stelle hinzufügt. Formal definieren wir
N(L):={vxwv,wΣx{0,ε}vwL}N(L):= \{vxw \mid v,w\in \Sigma^*\wedge x\in \{0,\varepsilon\}\wedge vw\in L\}

Subproblem a (1.0/1.0P)

Listen Sie alle Wörter der Sprache N({01,0})N(\{01, 0\}) explizit auf:
N({01,0})={0,00,01,001,010}N(\{01, 0\})=\{0, 00, 01, 001, 010\}

Subproblem b (5.0/6.0P)

Geben Sie eine rekursive Funktion Null\Null an, sodass Null(r)\Null(r) ein regulärer Ausdruck mit L(Null(r))=N(L(r))L(\Null(r)) = N(L(r)) ist, für jeden regulären Ausdruck rr. Im Folgenden sind r,r1,r2r,r_1,r_2 reguläre Ausdrücke, und aΣa\in \Sigma.
Null():=\Null(\emptyset) := \emptyset  
Null(ϵ):=ϵ+0\Null(\epsilon) := \epsilon + 0  
Null(a):=a+0a+a0\Null(a) := a + 0a + a0  
Null(r1r2):=Null(r1)Null(r2)\Null(r_1 \mid r_2) := \Null(r_1) \mid \Null(r_2)  
Null(r1r2):=Null(r1)r2r1Null(r2)r10r2\Null(r_1 r_2) := \Null(r_1) r_2 \mid r_1 \Null(r_2) \mid r_1 0 r_2  
Null(r):=rr0r\Null(r^*) := r^* \mid r^* 0 r^*

Subproblem c (5.0/6.0P)

Gegeben sei die folgende rekursive Funktion über dem Alphabet Σ:={0,1}\Sigma:=\{0,1\}:
Cut():=\Cut(\emptyset) := \emptyset
Cut(0):=\Cut(0) := \emptyset
Cut(r1r2):=Cut(r1)Cut(r2)\Cut(r_1 \mid r_2) := \Cut(r_1) \mid \Cut(r_2)
Cut(r):=rCut(r)\Cut(r^*) := r^*\Cut(r)
Cut(ϵ):=\Cut(\epsilon) := \emptyset
Cut(1):=ϵ\Cut(1) := \epsilon
Cut(r1r2):=Cut(r1)r1Cut(r2)\Cut(r_1 r_2) := \Cut(r_1)\mid r_1\Cut(r_2)

Per struktureller Induktion über rr lässt sich zeigen, dass für alle u,vΣu,v\in\Sigma^* mit u1vL(r)u1v\in L(r) gilt, dass uL(Cut(r))u\in L(\Cut(r)).

Vervollständigen Sie den Beweis für den Fall r=r1r2r=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 u1vL(r1r2)u1v\in L(r_1r_2) mit u,vΣu,v\in\Sigma^* gilt uL(Cut(r1r2))u\in L(\Cut(r_1r_2)).
Induktionshypothese(n) für den Fall r=r1r2r=r_1r_2:  
IH₁: Für alle u,vΣu',v'\in\Sigma^* mit u1vL(r1)u'1v'\in L(r_1) gilt uL(Cut(r1))u'\in L(\Cut(r_1)).  
IH₂: Für alle u,vΣu'',v''\in\Sigma^* mit u1vL(r2)u''1v''\in L(r_2) gilt uL(Cut(r2))u''\in L(\Cut(r_2)).  

Beweis des Falls r=r1r2r=r_1r_2:  
Null():=\Null(\emptyset) := \emptyset  
Sei u1vL(r1r2)u1v\in L(r_1r_2) mit u,vΣu,v\in\Sigma^*. Dann gibt es xL(r1)x\in L(r_1), yL(r2)y\in L(r_2) mit u1v=xyu1v=xy. Infolgedessen gibt es zwei Fälle:  

Fall 1: Der erste Buchstabe 11 in xyxy liegt in xx. Dann ist xx von der Form x=u1vx=u'1v', so dass u1vL(r1)u'1v' \in L(r_1) und u=uu=u' gilt. Nach IH₁ folgt u=uL(Cut(r1))u'=u\in L(\Cut(r_1)), also uL(Cut(r1)r1Cut(r2))=L(Cut(r1r2))u\in L(\Cut(r_1)|r_1\Cut(r_2)) = L(\Cut(r_1r_2)).  

Fall 2: Der erste Buchstabe 11 in xyxy liegt in yy. Dann ist xx ein Präsifix von u1vu1v, welches zu L(r1)L(r_1) gehört, und y=u1vy=u''1v'' mit u1vL(r2)u''1v''\in L(r_2) und u=xuu=xu''. Nach IH₂ folgt uL(Cut(r2))u''\in L(\Cut(r_2)), also xuL(r1Cut(r2))L(Cut(r1r2))xu''\in L(r_1\Cut(r_2))\subseteq L(\Cut(r_1r_2)). Da u=xuu=xu'', gilt uL(Cut(r1r2))u\in L(\Cut(r_1r_2)).  

Insbesondere erfüllt x=uL(r1)x=u' \in L(r_1) (Fall 1) bzw. xuL(r1)L(Cut(r2))xu'' \in L(r_1)\cdot L(\Cut(r_2)) (Fall 2) die Behauptung.

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 G=(V,Σ,P,S)G=(V,\Sigma,P,S) ist in CNF, wenn jede Produktion (Xα)P(X\rightarrow\alpha)\in P, mit XVX\in V und α(ΣV)\alpha\in(\Sigma\cup V)^*, folgende Bedingungen erfüllt:
(1) αΣV\alpha\in\Sigma\cup V^*; Terminale dürfen nur in Produktionen der Länge 1 erzeugt werden.
(2) α2|\alpha|\le2; jede Produktion hat höchstens Länge 22.
(3) αε\alpha\ne\varepsilon; es gibt keine ε\varepsilon-Produktionen.
(4) αV\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 AϵA \rightarrow \epsilon eine ϵ\epsilon-Produktion.
\begin{Lemma}
Zu jeder CFG G=(V,Σ,P,S)G = (V,\Sigma,P,S) kann man eine CFG GG' konstruieren, die keine ϵ\epsilon-Produktionen enthält, so dass gilt
L(G)=L(G){ϵ}L(G') = L(G)\setminus\{\epsilon\}
\end{Lemma}
Wir erweitern PP induktiv zu eine Obermenge P^\hat{P}:
\begin{enumerate}
\item Jede Produktion aus PP ist in P^\hat{P}
\item Sind \alert{BϵB \rightarrow \epsilon} und \alert{AαBβA \rightarrow \alpha B \beta} in P^\hat{P}, so füge auch \alert{AαβA \rightarrow \alpha\beta} hinzu.
\end{enumerate}
Offensichtlich gilt L(G^)=L(G)L(\hat{G}) = L(G): Jede neue Produktion kann von 2 alten Productionensimuliert werden.

Wir definieren GG' als G^\hat{G} ohne die ϵ\epsilon-Produktionen. Denn diese sind nun überflüssig.

Wir nennen ABA \rightarrow B eine Kettenproduktion.
\begin{Lemma}
Zu jeder CFG G=(V,Σ,P,S)G = (V,\Sigma,P,S) kann man eine CFG GG' konstruieren, die keine Kettenproduktionen enthält, so dass gilt L(G)=L(G)L(G') = L(G).
\end{Lemma}
\begin{Beweis}
Wir erweitern PP induktiv zu eine Obermenge P^\hat{P}:
\begin{enumerate}
\item Jede Produktion aus PP ist in P^\hat{P}
\item Sind \alert{ABA \rightarrow B} und \alert{BαB \rightarrow \alpha} in P^\hat{P} mit αA\alpha \neq A, so füge auch \alert{AαA \rightarrow \alpha} hinzu.
\end{enumerate}
Das Ergebnis GG' ist G^\hat{G} ohne die (nun überflüssigen) Kettenproduktionen.

\paragraph{Konstruktion einer Chomsky-Normalform}

Eingabe: Eine kontextfreie Grammatik G=(V,Σ,P,S)G = (V,\Sigma,P,S)
\begin{enumerate}
\item Füge für jedes aΣa\in\Sigma, das in einer rechten Seite der Länge 2\geq2 vorkommt, ein neues Nichtterminal AaA_a zu VV hinzu, ersetze aa in allen rechten Seiten der Länge 2\geq 2 durch AaA_a, und füge AaaA_a\rightarrow a zu PP hinzu.
\item Ersetze jede Produktion der Form
AB1B2Bk(k3)A\rightarrow B_1B_2 \cdots B_k (k \geq 3)
durch
AB1C2, C2B2C3,...,Ck1Bk1BkA \rightarrow B_1C_2,\ C_2 \rightarrow B_2C_3, ..., C_{k-1} \rightarrow B_{k-1}B_k 
wobei C2,...,Ck1C_2, ..., C_{k-1} neue Nichtterminale sind.
\item Eliminiere alle ϵ\epsilon-Produktionen.
\item Eliminiere alle Kettenproduktionen.
\end{enumerate}

Subproblem a (2.0/2.0P)

Entfernen von Terminalen in langen Produktionen. Die CFG GaG_a ist gegeben durch folgende Produktionen:
SaXXaabS \rightarrow aX \mid Xa \mid ab
XSSSεbXXX \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 GaG'_a an, so dass L(Ga)=L(Ga)L(G_a) = L(G'_a) gilt und GaG'_a 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)

Entfernen langer Produktionen. Die CFG GbG_b ist gegeben durch die folgenden Produktionen:
SABAAεS \rightarrow A \mid BAA \mid \varepsilon
ASABBaA \rightarrow SABB \mid a
BASbB \rightarrow AS \mid b
Führen Sie den zweiten Schritt des Algorithmus zur Überführung in CNF aus und geben Sie die Produktionen einer CFG GbG'_b an, so dass L(Gb)=L(Gb)L(G_b) = L(G'_b) und GbG'_b Bedingungen (1) und (2) erfüllt.
S → A | B F | ε  
F → A A  
A → a | S C  
C → A E  
E → B B  
B → A S | b

Subproblem c (3.0/3.0P)

Entfernen von ε\varepsilon-Produktionen. Die CFG GcG_c ist gegeben durch folgende Produktionen:
SABDES \rightarrow AB \mid DE
AABaεA \rightarrow AB \mid a \mid \varepsilon
BbBBDB \rightarrow b \mid BB \mid D
CAcC \rightarrow A \mid c
DBCBSD \rightarrow BC \mid BS
ESSCAE \rightarrow SS \mid CA
Führen Sie den dritten Schritt des Algorithmus zur Überführung in CNF aus. Geben Sie die Produktionen einer CFG GcG'_c an, so dass L(Gc)=L(Gc)L(G_c) = L(G'_c) und GcG'_c Bedingungen (1), (2) und (3) erfüllt.
S → AB | B | DE | D  
A → AB | B | a  
B → BB | D | b  
C → A | c  
D → BC | B | BS  
E → SS | CA | A | C

Subproblem d (3.0/3.0P)

Entfernen von Kettenproduktionen. Die CFG GdG_d ist gegeben durch die Produktionen:
SaBABS \rightarrow a \mid BA \mid B
AaAAA \rightarrow a \mid AA
BbSCAB \rightarrow b \mid SC \mid A
CBSSC \rightarrow B \mid SS
Führen Sie den vierten Schritt des Algorithmus zur Überführung in CNF aus und geben Sie die Produktionen einer CFG GdG'_d in CNF an, so dass L(Gd)=L(Gd)L(G_d) = L(G'_d) gilt.
S → a | BA | b | SC | AA  
A → a | AA  
B → b | a | SC | AA  
C → SS | b | a | SC | AA

Subproblem e (2.0/3.0P)

Die CFG GG ist gegeben durch die Produktionen:
SABCS \rightarrow AB\mid C
AaAASA \to aA \mid AS
BbSB \to bS
CaCbεC \to aCb \mid \varepsilon
Geben Sie die erzeugenden, erreichbaren und nützlichen Nichtterminale von GG an.
Erzeugend: S,B,CS, B, C  
Erreichbar: S,A,B,CS, A, B, C  
Nützlich: S,B,CS, B, C
2: mismatch

Exercise 5: Verlorene Buchsten

Sei Σ:={a,b}\Sigma:=\{a,b\}. Für eine Sprache LΣL\subseteq\Sigma^* bezeichnet Del(L)\Del(L) die Sprache,
die man erhält, wenn man den Wörtern aus LL genau einmal das Wort abab an einer beliebigen Stelle entfernt. Formal definieren wir
Del(L):={vwv,wΣvabwL}\Del(L):= \{vw \mid v,w\in \Sigma^* \wedge vabw\in L\}

Subproblem a (1.0/1.0P)

Listen Sie alle Wörter der Sprache Del({abbaba,baa,ab,a,b})\Del(\{abbaba,baa,ab,a,b\}) explizit auf:
Del({abbaba,baa,ab,a,b})={ε,abba,baba}\Del(\{abbaba,baa,ab,a,b\}) = \{\varepsilon, abba, baba\}

Subproblem b (0.0/2.0P)

Wir definieren DelTwo(L):={uvwu,v,wΣuabvabwL}\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 LΣL\subseteq\Sigma^* gilt
Del(Del(L))=DelTwo(L)\Del(\Del(L))=\DelTwo(L).
WahrFalsch
- L = {aabab} dient als Gegenbeispiel.  
- Del(L) = {aab}, Del(Del(L)) = {aa}  
- DelTwo(L) = {a}  
- Also: Del(Del(L)) ≠ DelTwo(L)

Subproblem c (5.0/7.0P)

Sei G=(V,Σ,P,S)G=(V,\Sigma,P,S) eine kontextfreie Grammatik in Chomsky-Normalform. Wir möchten eine kontextfreie Grammatik G=(V,Σ,P,S)G'=(V',\Sigma,P',S') konstruieren, sodass L(G)=Del(L(G))L(G')=\Del(L(G)) gilt. Hierzu setzen wir
V:=V{XabXV}{XaXV}{XbXV}V':= V\cup \{X_{ab}\mid X\in V\}\cup \{X_a\mid X\in V\}\cup \{X_b\mid X\in V\}
wobei Xab,Xa,XbVX_{ab},X_a,X_b\notin V für alle XVX\in V. Definieren Sie nun PP' und SS', sodass
1. LG(X)=LG(X)L_{G'}(X)=L_G(X)
2. LG(Xab)=Del(LG(X))L_{G'}(X_{ab})=\Del(L_G(X))
3. LG(Xa)={wΣwaLG(X)}L_{G'}(X_{a})=\{w\in\Sigma^*\mid wa\in L_G(X)\}
4. LG(Xb)={wΣbwLG(X)}L_{G'}(X_{b})=\{w\in\Sigma^*\mid bw\in L_G(X)\}
für alle XVX\in V gilt. Geben Sie die Produktionen PP' präzise an; vermeiden Sie unstrukturierten Fließtext.

Hinweis: GG ist in CNF, hat also keine ε\varepsilon-Produktionen. GG' muss nicht in CNF sein.
Startsymbol S:=Sab S' := S_{ab} 

Produktionen P P' :
- Für jede Regel ABCP A \rightarrow BC \in P :
  - ABC A \rightarrow BC 
  - AabBabCBCabBaCb A_{ab} \rightarrow B_{ab}C \mid B C_{ab} \mid B_a C_b 
  - AaBCaBaC A_{a} \rightarrow B C_{a} \mid B_a C 
  - AbBbCBCb A_{b} \rightarrow B_b C \mid B C_b 
- Für jede Regel AaP A \rightarrow a \in P :
  - Aa A \rightarrow a 
  - Aaε A_{a} \rightarrow \varepsilon 
- Für jede Regel AbP A \rightarrow b \in P :
  - Ab A \rightarrow b 
  - Abε A_{b} \rightarrow \varepsilon 

Subproblem d (1.0/2.0P)

Wenden Sie Ihre Konstruktion auf das Beispiel G:=({S,A},{a,b},P,S)G:=(\{S,A\},\{a,b\},P,S) an, wobei PP gegeben ist durch:
SSAaAabS\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.
Startsymbol S:=SabS':=S_{ab} 
Produktionen PP':
SSAaS\rightarrow SA \mid a
SabSabASAabSaAbS_{ab}\rightarrow S_{ab}A \mid SA_{ab} \mid S_{a}A_{b}
SaSAaSaAεS_a\rightarrow SA_{a} \mid S_{a}A \mid \varepsilon
SbSbASAbS_b\rightarrow S_{b}A \mid SA_{b}
AabA\rightarrow a \mid b
AabA_{ab}\rightarrow 
AaεA_a\rightarrow \varepsilon
AbεA_b\rightarrow \varepsilon
2 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 Σ:={0,1}\Sigma := \{0, 1\}.

Subproblem a (2.0/2.0P)

Sei LL eine kontextfreie Sprache. Welche Aussagen sind wahr?
LL ist entscheidbarL\overline{L} ist entscheidbarLL ist semi-entscheidbar

Subproblem b (2.0/2.0P)

Seien L1,L2ΣL_1,L_2\subseteq\Sigma^* entscheidbare Sprachen. Welche der folgenden Sprachen sind entscheidbar?
L1L2L_1\cap L_2L1L2L_1\setminus L_2L1L2L_1L_2

Subproblem c (2.0/2.0P)

Sei L{0}L\subseteq\{0\}^* unentscheidbar. Welche der folgenden Funktionen f:NNf:\N\rightarrow\N sind berechenbar?
f(n):=LΣnf(n):=|L\cap \Sigma^n|f(n):=min{kN:0kL}f(n):=\min\{k\in\N: 0^k\in L\}f(n):=1f(n):=1, falls 0nL0^n\in L, sonst f(n):=0f(n):=0

Subproblem d (2.0/2.0P)

Seien A,BΣA,B\subseteq\Sigma^* Sprachen mit ApSATpBA\le_p\SAT\le_p B. Welche Aussagen sind wahr?
ANPA\in\NPBNPB\in\NPBB ist NP-hartApBA\le_p B

Subproblem e (2.0/2.0P)

Sei LΣ{#}ΣL\subseteq \Sigma^*\{\#\}\Sigma^* eine Sprache, sodass LPL\in\P; LL enthält also Wörter der Form u#vu\#v, mit u,vΣu,v\in\Sigma^*. Welche der folgenden Sprachen sind in NP\NP?
LL{uvΣ:u#vL}\{u\mid\exists v\in\Sigma^*:u\#v\in L\}{uvΣ:u#vLu=v}\{u\mid\exists v\in\Sigma^*:u\#v\in L\wedge |u|=|v|\}

Subproblem f (4.0/4.0P)

Sei LNPL\in\NP. Zeigen oder widerlegen Sie: LNPL^*\in\NP.
Ja, Beweis:Nein, Gegenbeispiel:
Beweis: Sei LNP L \in \NP  mit einem Zertifikatsverifizierer VL(x,c) V_L(x, c) , der in Polynomzeit prüft, ob xL x \in L  mit Zertifikat c c . Für L L^*  definiere den Verifizierer V V^* : \\
1. Zertifikat enthält eine Aufteilung w=w1w2wk w = w_1w_2\cdots w_k  und Zertifikate c1,,ck c_1, \dots, c_k  für wiL w_i \in L . \\
2. Prüfe in Polynomzeit, dass alle wiL w_i \in L  gelten (mit VL(wi,ci) V_L(w_i, c_i) ). \\
Da kw k \leq |w|  und jedes ci c_i  polynomiell in wi |w_i|  ist, ist das Gesamtzertifikat polynomiell lang, und die Prüfung ist in Polynomzeit durchführbar. Also gilt LNP L^* \in \NP .

Exercise 7: Reduktion

Nehmen Sie PNP\P\ne\NP an. Entscheiden Sie unter dieser Annahme, welche der folgenden Aussagen gelten. Die Aussagen sind von der Gestalt „ApBA\le_p B“ für  Entscheidungsprobleme A,BA, B. Wenn die Aussage gilt, dann müssen Sie (1) eine präzise definierte Reduktionsfunktion angeben und (2) die Reduktionsfunktion auf die gegebene Instanz von Problem AA 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)

Sei G=(V,E)G=(V, E) ein ungerichteter Graph. Ein Hamilton-Pfad von GG ist eine Permutation v1,,vnv_1,\dotsc,v_n der Knoten von VV mit {vi,vi+1}E\{v_i, v_{i+1}\} \in E für jedes i{1,...,n1}i \in \{1, ..., n-1\}. Ein Hamilton-Kreis von GG ist ein Hamilton-Pfad von GG, der zusätzlich {vn,v1}E\{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 p\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
Die Aussage giltDie Aussage gilt nicht
<ul>
<li><strong>Reduktionsfunktion:</strong></li>
Dabei wird für einen gegebenen Graphen G=(V,E) G = (V, E)  ein neuer Graph G=(V{w},E{{w,v}vV}) G' = (V \cup \{w\}, E \cup \{\{w, v\} \mid v \in V\})  konstruiert. Ein Hamilton-Kreis in G G'  korrespondiert mit einem Hamilton-Pfad in G G .
<li><strong>Anwendung auf den Graphen:</strong></li>
Der Originalgraph G G  mit Knoten A,B,C,D,E A, B, C, D, E  wird um den Knoten w w  erweitert, der mit allen existierenden Knoten verbunden ist. Die Kanten von w w  zu den Knoten sind: wA,wB,wC,wD,wE w\text{--}A, w\text{--}B, w\text{--}C, w\text{--}D, w\text{--}E .

<li><strong>Korrektheitsargument (Skizze):</strong></li>
    <ul>
        <li> \Rightarrow : Ein Hamilton-Pfad ABCDE A\text{--}B\text{--}C\text{--}D\text{--}E  in G G  wird zu einem Hamilton-Kreis ABCDEwA A\text{--}B\text{--}C\text{--}D\text{--}E\text{--}w\text{--}A  in G G'  erweitert.</li>
        <li> \Leftarrow : Ein Hamilton-Kreis in G G'  durchläuft alle Knoten, einschließlich w w . w w  hat nur Kanten zu G G , daher muss ein Pfad durch alle Knoten von G G  existieren, sobald w w  entfernt wird.</li>
    </ul>
</ul>

Subproblem b (3.0/3.0P)

Sei CFG-LEERHEIT das Entscheidungsproblem, ob eine gegebene kontextfreie Grammatik GG kein Wort erzeugt, also ob L(G)=L(G)=\emptyset gilt.

Aussage: 3KNF-SAT p\leq_p CFG-LEERHEIT

Falls die Aussage gilt: Wenden Sie Ihre Reduktion auf folgende Instanz von 3KNF-SAT an.
(x1¬x2x3)(¬x1x2x3)(x_1\vee\neg x_2\vee x_3)\wedge(\neg x_1\vee x_2\vee x_3)
Die Aussage giltDie Aussage gilt nicht
Beweis der Unmöglichkeit:

Schlüsselargument: CFG-LEERHEIT liegt in P, da die Leerheit einer kontextfreien Grammatik in linearer Zeit entschieden werden kann (z. B. durch Erreichbarkeitsanalyse der Startvariablen).

Angenommen, die Aussage gelte. Dann gäbe es eine Reduktion von 3KNF-SAT auf CFG-LEERHEIT. Dies würde bedeuten, dass 3KNF-SAT ∈ P. 

Widerspruch zu P ≠ NP: Unter der Annahme P ≠ NP ist dies unmöglich, da 3KNF-SAT ein NP-vollständiges Problem ist. Ein polynomieller Algorithmus für 3KNF-SAT würde somit die Annahme P ≠ NP verletzen. 

Daher gilt die Aussage nicht.

Subproblem c (7.0/7.0P)

EXAKTE-ÜBERDECKUNG ist das folgende Entscheidungsproblem:

Eingabe: Eine endliche Menge M={m1,...,mk}M=\{m_1, ..., m_k\} und eine Menge T={T1,...,Tn}T=\{T_1, ..., T_n\}  von Teilmengen von MM.

Ausgabe: Enthält TT eine exakte Überdeckung von MM, d.h. gibt es eine Menge STS \subseteq T, sodass jedes Element von MM in genau einer der Teilmengen in SS vorkommt?

Aussage: EXAKTE-ÜBERDECKUNG p\leq_p SAT

Falls die Aussage gilt: Wenden Sie Ihre Reduktion auf folgende Instanz von EXAKTE-ÜBERDECKUNG an.
M{1,2,3,4}M\coloneqq\{1,2,3,4\}
T{T1,T2,T3,T4,T5}T\coloneqq\{T_1,T_2,T_3,T_4,T_5\}
wobei
T1{1}T_1\coloneqq\{1\},
T2{1,3}T_2\coloneqq\{1,3\},
T3{1,2,3}T_3\coloneqq\{1,2,3\},
T4{2,4}T_4\coloneqq\{2,4\},
T5T_5\coloneqq\emptyset.
Die Aussage giltDie Aussage gilt nicht
<ul>
<li><strong>Reduktionsfunktion:</strong></li>
Für jede Teilmengeproblem-Instanz $ (M, T) $ wird ein SAT-Problem wie folgt konstruiert:
<ul>
<li>Eine Variable $ x_j $ wird für jede Teilmenge $ T_j \in T $ eingeführt.</li>
<li>Für jedes Element $ m \in M $ werden zwei Arten von Klauseln hinzugefügt:
<ol>
<li><em>Mindestens eine:</em> $ \bigvee_{T_j \ni m} x_j $ (Deckel der alle $ m $ enthalten).</li>
<li><em>Höchstens eine:</em> $ \neg x_j \vee \neg x_{j'} $ für alle Paare $ T_j, T_{j'} \ni m $ mit $ j \ne j' $.</li>
</ol>
</ul>
Die Reduktion führt in polynomialer Zeit aus einer exakten Überdeckung eine erfüllbare Belegung und umgekehrt.

<li><strong>Anwendung auf die Instanz:</strong></li>
Variablen: $ x_1, x_2, x_3, x_4, x_5 $ für $ T_1, T_2, T_3, T_4, T_5 $.

**Element $ 1 $:** Klauseln
\begin{align*}
\text{Mindestens eine:} & x_1 \vee x_2 \vee x_3 \\
\text{Höchstens eine:} & \text{(nur Paare, die 1 enthalten)} \\
& \neg x_1 \vee \neg x_2,\, \neg x_1 \vee \neg x_3,\, \neg x_2 \vee \neg x_3
\end{align*}

**Element $ 2 $:** Klauseln
\begin{align*}
\text{Mindestens eine:} & x_3 \vee x_4 \\
\text{Höchstens eine:} & \neg x_3 \vee \neg x_4
\end{align*}

**Element $ 3 $:** Klauseln
\begin{align*}
\text{Mindestens eine:} & x_2 \vee x_3 \\
\text{Höchstens eine:} & \neg x_2 \vee \neg x_3
\end{align*}

**Element $ 4 $:** Klauseln
\begin{align*}
\text{Mindestens eine:} & x_4 \\
\text{(Trivial: Höchstens eine, da nur $ T_4 $ enthält 4)}
\end{align*}

<li><strong>Korrektheitsargument (Skizze):</strong></li>
<ul>
<li>$ \Rightarrow $: Existiert eine exakte Überdeckung $ S \subseteq T $, dann ist $ x_j = \top $ für $ T_j \in S $. Für jedes Element $ m $ ist genau eine Variable in allen Klauseln wahr, und für Paare gilt $ \neg x_j \vee \neg x_{j'} $, da keine zweifache Abdeckung.</li>
<li>$ \Leftarrow $: Eine erfüllende Belegung definiert $ S \subseteq T $ durch $ T_j \in S \iff x_j = \top $. Klauseln fuer Mindestens-eine und Höchstens-eine garantieren, dass $ S $ eine exakte Überdeckung ist.</li>
</ul>
</ul>

Exercise 8: Bonus

Mindestens eine Antwortmöglichkeit ist immer richtig.

Subproblem a (0.0/2.0P)

Sei Σ:={a,b,c}\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.
{wΣ:wabawa}\{w\in\Sigma^*:|w|_{aba}\ne|w|_{a}\}({wΣ:w=wR})\big(\{w\in\Sigma^*:w=w^R\}\big)^*{aibjck:(i1j=k)i,j,k0}\{a^ib^jc^k:(i\ne 1\vee j=k)\wedge i,j,k\ge0\}
Beweis für Sprache 3:
Sei L3:={aibjck:(i1j=k)i,j,k0} L_3 := \{a^i b^j c^k : (i \ne 1 \vee j = k) \land i, j, k \geq 0\} . Wir verwenden das Pumping-Lemma für reguläre Sprachen, um zu zeigen, dass L3 L_3  nicht regulär ist.

Angenommen, L3 L_3  ist regulär. Dann existiert eine Pumping-Länge p p , sodass sich jedes Wort aus L3 L_3  mit Länge p \geq p  in xyz x y z  aufteilen lässt, wobei gilt:
1. y1 |y| \geq 1 ,
2. xyp |xy| \leq p ,
3. i0:xyizL3 \forall i \geq 0: x y^i z \in L_3 .

Wähle das Wort s:=abpcp s := a b^p c^p  (schlüssig, da i=1 i = 1  und j=k=p j = k = p , also sL3 s \in L_3 ).

Da xyp |xy| \leq p  und der erste Teil des Wortes nach dem 'a' aus p p  'b's besteht, liegt y y  vollständig in den 'b's. Schreibe x=a x = a , y=bk y = b^k  mit k[1,p] k \in [1, p] , und z=bpkcp z = b^{p-k} c^p .

Pumpen wir i=0 i = 0 : 
xy0z=abpkcp x y^0 z = a b^{p-k} c^p .

Jetzt gilt i=1 i = 1  (kein Problem), aber j=pk j = p - k  und k=p k = p . Da k1 k \geq 1 , ist j=pk<p j = p - k < p , also jk j \ne k . Somit ist das gepumpte Wort nicht in L3 L_3 , was der Annahme widerspricht. Daher ist L3 L_3  nicht regulär.

Subproblem b (1.0/1.0P)

Sei Σ:={a,b}\Sigma := \{a,b\}. Für welche der folgenden Sprachen LL gilt LLRL\ne L^R ? Geben Sie außerdem für jede Sprache LL, die Sie gewählt haben, ein Wort ww an, das in genau einer der Sprachen L,LRL,L^R enthalten ist.

Hinweis: Um das Feld leerzulassen, geben Sie - an.
L(bab)L(b^*a^*b){wΣ:wwR}\{w\in\Sigma^*:w\ne w^R\}{uavv:u,vΣ}\{uavv:u,v\in\Sigma^*\}
1: ba
2: -
3: aab

Subproblem c (2.0/2.0P)

Welche der folgenden Sprachen über Σ:={0,1}\Sigma:=\{0,1\} sind unentscheidbar? Kreuzen Sie alle zutreffenden an. Wählen Sie anschließend eine solche Sprache und beweisen Sie, dass sie unentscheidbar ist.
{wΣ:L(Mw)2=25}\{w\in\Sigma^*:|L(M_w)|^2=25\}{wΣ:L(Mw)2=50}\{w\in\Sigma^*:|L(M_w)|^2=50\}{wΣ:L(Mw)2=100}\{w\in\Sigma^*:|L(M_w)|^2=100\}
Beweis für Sprache 1:
Die Sprache L1:={wΣ:L(Mw)2=25} L_1 := \{w \in \Sigma^* : |L(M_w)|^2 = 25\}  ist äquivalent zu L(Mw)=5 |L(M_w)| = 5 , da 52=25 5^2 = 25 . Dies ist eine semantische Eigenschaft der Sprache L(Mw) L(M_w) , die nicht-trivial ist, weil:
- Es gibt Turingmaschinen M M  mit L(M)=5 |L(M)| = 5  (z.B. eine TM, die genau 5 Wörter akzeptiert).
- Es gibt Turingmaschinen M M'  mit L(M)5 |L(M')| \ne 5  (z.B. eine TM, die unendlich viele Wörter akzeptiert).

Nach dem Satz von Rice ist jede nicht-triviale Eigenschaft über rekursiv aufzählbare Sprachen unentscheidbar. Daher ist L1 L_1  unentscheidbar.