Машина Тьюринга и алгоритмически неразрешимые проблемы

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО

«Московский государственный машиностроительный университет»

Чебоксарский политехнический институт (филиал)

 

Кафедра высшей и прикладной математики

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине:

«Математическая логика и теория алгоритмов»

 

 

 

 

Выполнил:

студент 2 курса (в/в)

специальности 230100

заочного отделения

Майоров Александр Геннадьевич

учебный шифр 612256

 

Проверила:

ст. преподаватель Павлова Н.А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Чебоксары 2013

 

Оглавление

 

Введение

1. Описание машины Тьюринга

1.1 Свойства машины Тьюринга  как алгоритма

2. Сложность алгоритмов

2.1 Сложность проблем

3. Машина Тьюринга и  алгоритмически неразрешимые проблемы

4. Реализация машины  Тьюринга

5. Практическая часть

Заключение

Список литературы

 

Введение

 

Машина Тьюринга – это очень простое вычислительное устройство. Она состоит из ленты бесконечной длины, разделенной на ячейки, и головки, которая перемещается вдоль ленты и способна читать и записывать символы. Также у машины Тьюринга есть такая характеристика, как состояние, которое может выражаться целым числом от нуля до некоторой максимальной величины. В зависимости от состояния машина Тьюринга может выполнить одно из трех действий: записать символ в ячейку, передвинуться на одну ячейку вправо или влево и установить внутреннее состояние.

Устройство машины Тьюринга чрезвычайно просто, однако на ней можно выполнить практически любую программу. Для выполнения всех этих действий предусмотрена специальная таблица правил, в которой прописано, что нужно делать при различных комбинациях текущих состояний и символов, прочитанных с ленты.

В 1937 г. Алан Тьюринг расширил определение, описав "универсальную машину Тьюринга". Позже для решения определенных классов задач была введена ее разновидность, которая позволяла выполнять не одну задачу, а несколько.

Целью данной работы было дать описание реализации машины Тьюринга и выполнить соответствующую практическую часть работы.

 

 

1. Описание машины Тьюринга

 

Алан Тьюринг (Turing) в 1936 году опубликовал в трудах Лондонского математического общества статью "О вычислимых числах в приложении к проблеме разрешения", которая наравне с работами Поста и Черча лежит в основе современной теории алгоритмов.

Предыстория создания этой работы связана с формулировкой Давидом Гильбертом на Международном математическом конгрессе в Париже в 1900 году неразрешенных математических проблем. Одной из них была задача доказательства непротиворечивости системы аксиом обычной арифметики, которую Гильберт в дальнейшем уточнил как "проблему разрешимости" – нахождение общего метода, для определения выполнимости данного высказывания на языке формальной логики.

Статья Тьюринга как раз и давала ответ на эту проблему – вторая проблема Гильберта оказалась неразрешимой. Но значение статьи Тьюринга выходило далеко за рамки той задачи, по поводу которой она была написана.

Приведем характеристику этой работы, принадлежащую Джону Хопкрофту: "Работая над проблемой Гильберта, Тьюрингу пришлось дать четкое определение самого понятия метода. Отталкиваясь от интуитивного представления о методе как о некоем алгоритме, т.е. процедуре, которая может быть выполнена механически, без творческого вмешательства, он показал, как эту идею можно воплотить в виде подробной модели вычислительного процесса. Полученная модель вычислений, в которой каждый алгоритм разбивался на последовательность простых, элементарных шагов, и была логической конструкцией, названной впоследствии машиной Тьюринга".

Машина Тьюринга является расширением модели конечного автомата, расширением, включающим потенциально бесконечную память с возможностью перехода (движения) от обозреваемой в данный момент ячейки к ее левому или правому соседу.

Формально машина Тьюринга может быть описана следующим образом. Пусть заданы:

конечное множество состояний – Q, в которых может находиться машина Тьюринга;

конечное множество символов ленты – Г;

функция δ (функция переходов или программа), которая задается отображением пары из декартова произведения Q x Г (машина находится в состоянии qi и обозревает символ gi) в тройку декартова произведения Q х Г х {L,R} (машина переходит в состояние qi, заменяет символ gi на символ gj и передвигается влево или вправо на один символ ленты) – Q x Г-->Q х Г х {L,R}

один символ из Г-->е (пустой);

подмножество Σ є Г – -> определяется как подмножество входных символов ленты, причем е є (Г – Σ);

одно из состояний – q0 є Q является начальным состоянием машины.

Решаемая проблема задается путем записи конечного количества символов из множества Σ є Г – Si є Σ на ленту:

eS1S2S3S4... ... ... Sne

после чего машина переводится в начальное состояние и головка устанавливается у самого левого непустого символа (q0,­w) –, после чего в соответствии с указанной функцией переходов (qi,Si) – ->(qj,Sk, L или R) машина начинает заменять обозреваемые символы, передвигать головку вправо или влево и переходить в другие состояния, предписанные функций переходов.

Остановка машины происходит в том случае, если для пары (qi,Si) функция перехода не определена.

Алан Тьюринг высказал предположение, что любой алгоритм в интуитивном смысле этого слова может быть представлен эквивалентной машиной Тьюринга. Это предположение известно как тезис Черча–Тьюринга. Каждый компьютер может моделировать машину Тьюринга (операции перезаписи ячеек, сравнения и перехода к другой соседней ячейке с учетом изменения состояния машины). Следовательно, он может моделировать алгоритмы в любом формализме, и из этого тезиса следует, что все компьютеры (независимо от мощности, архитектуры и т.д.) эквивалентны с точки зрения принципиальной возможности решения алгоритмических задач.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.1 Свойства машины  Тьюринга как алгоритма

 

На примере машины Тьюринга хорошо прослеживаются свойства алгоритмов. Попросите учащихся показать, что машина Тьюринга обладает всеми свойствами алгоритма.

Дискретность. Машина Тьюринга может перейти к (к + 1) – му шагу только после выполнения каждого шага, т.к именно каждый шаг определяет, каким будет (к + 1) – й шаг.

Понятность. На каждом шаге в ячейку пишется символ из алфавита, автомат делает одно движение (Л, П, Н), и машина Тьюринга переходит в одно из описанных состояний.

Детерминированность. В каждой клетке таблицы машины Тьюринга записан лишь один вариант действия. На каждом шаге результат определен однозначно, следовательно, последовательность шагов решения задачи определена однозначно, т.е. если машине Тьюринга на вход подают одно и то же входное слово, то выходное слово каждый раз будет одним и тем же.

Результативность. Содержательно результаты каждого шага и всей последовательности шагов определены однозначно, следовательно, правильно написанная машина Тьюринга за конечное число шагов перейдет в состояние q0, т.е. за конечное число шагов будет получен ответ на вопрос задачи.

Массовость. Каждая машина Тьюринга определена над всеми допустимыми словами из алфавита, в этом и состоит свойство массовости. Каждая машина Тьюринга предназначена для решения одного класса задач, т.е. для каждой задачи пишется своя (новая) машина Тьюринга.

 

 

2. Сложность алгоритмов

 

Сложность алгоритма определяется вычислительными мощностями, необходимыми для его выполнения. Вычислительная сложность алгоритма часто измеряется двумя параметрами: Т (временная сложность) и S (пространственная сложность, или требования к памяти). И Т, и S обычно представляются в виде функций от n, где n – это размер входных данных. (Существую и другие способы измерения сложности: количество случайных бит, ширина канала связи, объем данных и т.п.)

Обычно вычислительная сложность алгоритма выражается с помощью нотации "О большого", т. е описывается порядком величины вычислительной сложности. Это просто член разложения функции сложности, быстрее всего растущий с ростом n, все члены низшего порядка игнорируются. Например, если временная сложность данного алгоритма равна 4n2+7n+12, то вычислительная сложность порядка n2, записываемая как О(n2).

Временная сложность измеренная таким образом не зависит от реализации. Не нужно знать ни точное время выполнения различных инструкций, ни число битов, используемых для представления различных переменных, ни даже скорость процессора. Один компьютер может быть на 50 процентов быстрее другого, а у третьего шина данных может быть в два раза шире, но сложность алгоритма, оцененная по прядку величины, не изменится. Это не жульничество, при работе с алгоритмами настолько сложными, как описанные в этой книге, всем прочим можно пренебречь (с точностью до постоянного множителя) в сравнении со сложностью по порядку величины.

Эта нотация позволяет увидеть, как объем входных данных влияет на требования к времени и объему памяти. Например, если Т= О(n), то удвоение входных данных удвоит и время выполнения алгоритма. Если Т=О(2n), то добавление одного бита к входным данным удвоит время выполнения алгоритма.

Обычно алгоритмы классифицируются в соответствии с их временной или пространственной сложностью. Алгоритм называют постоянным, если его сложность не зависит от n: 0(1). Алгоритм является линейным, если его временная сложность О(n). Алгоритмы могут быть квадратичными, кубическими и т.д. Все эти алгоритмы – полиноминальны, их сложность – О(m), где m – константа. Алгоритмы с полиномиальной временной сложностью называются алгоритмами с полиномиальным временем

Алгоритмы, сложность которых равна О(tf(n)), где t – константа, большая, чем 1, a f(n) – некоторая полиномиальная функция от n, называются экспоненциальными. Подмножество экспоненциальных алгоритмов, сложность которых равна О(сf(n)), где с – константа, a f(n) возрастает быстрее, чем постоянная, но медленнее, чем линейная функция, называется суперполиноминальным.

В идеале, криптограф хотел бы утверждать, что алгоритм, лучший для взлома спроектированного алгоритма шифрования, обладает экспоненциальной временной сложностью. На практике, самые сильные утверждения, которые могут быть сделаны при текущем состоянии теории вычислительной сложности, имеют форму "все известные алгоритмы вскрытия данной криптосистемы обладают суперполиномиальной временной сложностью". То есть, известные нам алгоритмы вскрытия обладают суперполиномиальной временной сложностью, но пока невозможно доказать, что не может быть открыт алгоритм вскрытия с полиномиальной временной сложностью. Развитие теории вычислительной сложности возможно когда-нибудь позволит создать алгоритмы, для которых существование алгоритмов с полиномиальным временем вскрытия может быть исключено с математической точностью.

С ростом n временная сложность алгоритмов может стать настолько огромной, что это повлияет на практическую реализуемость алгоритма.

При условии, что единицей времени для нашего компьютера является микросекунда, компьютер может выполнить постоянный алгоритм за микросекунду, линейный – за секунду, а квадратичный – за 11.6 дня. Выполнение кубического алгоритма потребует 32 тысяч лет, что в принципе реализуемо, компьютер, конструкция которого позволила бы ему противостоять следующему ледниковому периоду, в конце концов получил бы решение. Выполнение экспоненциального алгоритма тщетно, независимо от экстраполяции роста мощи компьютеров, параллельной обработки или контактов с инопланетным суперразумом.

Взглянем на проблему вскрытия алгоритма шифрования грубой силой. Временная сложность такого вскрытия пропорциональна количеству возможных ключей, которое экспоненциально зависит от длины ключа. Если n – длина ключа, то сложность вскрытия грубой силой равна 0(2n). Сложность вскрытия грубой силой при 56-битовом ключе составляет 256, а при 112-битовом ключе – 2112. В первом случае вскрытие возможно, а во втором – нет.

 

 

 

 

 

 

2.1 Сложность проблем

 

Теория сложности также классифицирует и сложность самих проблем, а не только сложность конкретных алгоритмов решения проблемы. Теория рассматривает минимальное время и объем памяти, необходимые для решения самого трудного варианта проблемы на теоретическом компьютере, известном как машина Тьюринга. Машина Тьюринга представляет собой конечный автомат с бесконечной лентой памяти для чтения записи и является реалистичной моделью вычислений.

Проблемы, которые можно решить с помощью алгоритмов с полиномиальным временем, называются решаемыми, потому что для разумных входных данных обычно могут быть решены за разумное время. (Точное определение "разумности" зависит от конкретных обстоятельств) Проблемы, которые невозможно решить за полиномиальное время, называются нерешаемыми, потому что вычисление их решений быстро становится невозможным. Нерешаемые проблемы иногда называют трудными. Проблемы, которые могут быть решены только с помощью суперполиномиальных алгоритмов, вычислительно нерешаемы, даже при относительно малых значениях n.

Что еще хуже, Алан Тьюринг доказал, что некоторые проблемы принципиально неразрешимы. Даже отвлекаясь от временной сложности алгоритма, невозможно создать алгоритм решения этих проблем.

Задачи можно разбить на классы в соответствии со сложностью их решения. Вот важнейшие из них и предполагаемые соотношения между ними: P<=NP<=EXPTIME