Einführung in die Computerlinguistik formale Sprachen
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- Ralph Kranz
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1 Einführung in die Computerlinguistik formale Sprachen Dozentin: Wiebke Petersen Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 1
2 Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 2
3 Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 3
4 Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 4
5 Modell künstlich geschaen materiell oder immateriell vereinfachtes Abbild zweckgerichtet Abstraktion Repräsentation Modellierungsannahmen Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 5
6 Modell künstlich geschaen materiell oder immateriell vereinfachtes Abbild zweckgerichtet Abstraktion Repräsentation Modellierungsannahmen Modellierung Ein Subjekt entwirft zu einem Orginal ein Modell zu einem bestimmten Zweck. Stachowiak: Abbildsmerkmal Vereinfachungsmerkmal Pragmatisches Merkmal Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 5
7 Modellierung natürlicher Sprachen Formale Sprachen Formale Sprachen sind Mengen von Wörtern (entspricht in natürlichen Sprachen den Sätzen), die ihrerseits aus Zeichen/Symbolen (in natürlichen Sprachen Wörtern) aufgebaut sind. Was in der Menge ist, ist ein grammatisch korrektes Wort, alles andere nicht. Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 6
8 Modellierung natürlicher Sprachen Formale Sprachen Formale Sprachen sind Mengen von Wörtern (entspricht in natürlichen Sprachen den Sätzen), die ihrerseits aus Zeichen/Symbolen (in natürlichen Sprachen Wörtern) aufgebaut sind. Was in der Menge ist, ist ein grammatisch korrektes Wort, alles andere nicht. Für strukturierte formale Sprachen lassen sich endliche Mengen von Regeln/Grammatiken angeben, die diese beschreiben. Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 6
9 Modellierung natürlicher Sprachen Formale Sprachen Formale Sprachen sind Mengen von Wörtern (entspricht in natürlichen Sprachen den Sätzen), die ihrerseits aus Zeichen/Symbolen (in natürlichen Sprachen Wörtern) aufgebaut sind. Was in der Menge ist, ist ein grammatisch korrektes Wort, alles andere nicht. Für strukturierte formale Sprachen lassen sich endliche Mengen von Regeln/Grammatiken angeben, die diese beschreiben. Sprachmodell Formale Sprachen dienen als Modell für natürliche Sprachen. Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 6
10 Modellierung natürlicher Sprachen Formale Sprachen Formale Sprachen sind Mengen von Wörtern (entspricht in natürlichen Sprachen den Sätzen), die ihrerseits aus Zeichen/Symbolen (in natürlichen Sprachen Wörtern) aufgebaut sind. Was in der Menge ist, ist ein grammatisch korrektes Wort, alles andere nicht. Für strukturierte formale Sprachen lassen sich endliche Mengen von Regeln/Grammatiken angeben, die diese beschreiben. Sprachmodell Formale Sprachen dienen als Modell für natürliche Sprachen. Wir gehen davon aus, daÿ alle natürlichen Sprachen durch endlich viele Regeln beschreibbar sind, da wir sie ansonsten nicht sprechen / verstehen könnten. Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 6
11 Modellierung natürlicher Sprachen Formale Sprachen Formale Sprachen sind Mengen von Wörtern (entspricht in natürlichen Sprachen den Sätzen), die ihrerseits aus Zeichen/Symbolen (in natürlichen Sprachen Wörtern) aufgebaut sind. Was in der Menge ist, ist ein grammatisch korrektes Wort, alles andere nicht. Für strukturierte formale Sprachen lassen sich endliche Mengen von Regeln/Grammatiken angeben, die diese beschreiben. Sprachmodell Formale Sprachen dienen als Modell für natürliche Sprachen. Wir gehen davon aus, daÿ alle natürlichen Sprachen durch endlich viele Regeln beschreibbar sind, da wir sie ansonsten nicht sprechen / verstehen könnten. Welche Modellannahmen werden hier implizit gemacht? Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 6
12 Mengen Georg Cantor ( ) Eine Menge ist eine Zusammenfassung beliebiger Objekte, genannt Elemente, zu einer Gesamtheit, wobei keines der Objekte die Menge selbst sein darf. Zwei Mengen sind gleich, g.d.w. sie die gleichen Elemente enthalten. Es gibt genau eine Menge, die keine Elemente enthält, die leere Menge. Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 7
13 Mengenbeschreibungen explizite Mengendarstellung {a 1, a 2,..., a n} ist die Menge, die genau die Elemente a 1, a 2,..., a n enthält. Beispiel: {2, 3, 4, 5, 6, 7} Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 8
14 Mengenbeschreibungen explizite Mengendarstellung {a 1, a 2,..., a n} ist die Menge, die genau die Elemente a 1, a 2,..., a n enthält. Beispiel: {2, 3, 4, 5, 6, 7} implizite Mengendarstellung {x A} ist die Menge, die genau die Objekte x enthält, auf die die Aussage A zutrit. Beispiel: {x x N und x < 8 und 1 < x }, {x x N und x ist eine gerade Zahl } Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 8
15 Mengenbeschreibungen explizite Mengendarstellung {a 1, a 2,..., a n} ist die Menge, die genau die Elemente a 1, a 2,..., a n enthält. Beispiel: {2, 3, 4, 5, 6, 7} implizite Mengendarstellung {x A} ist die Menge, die genau die Objekte x enthält, auf die die Aussage A zutrit. Beispiel: {x x N und x < 8 und 1 < x }, {x x N und x ist eine gerade Zahl } Notation x M: x ist ein Element der Menge M (2 {1, 2, 3}, 2 {1, 3, 5}) N M: die Menge N ist eine Teilmenge der Menge M ({2, 3} {1, 2, 3, 4}) Hinweise: Die leere Menge ist eine Teilmenge jeder Menge ( {1, 2, 3, 4}) N M: die Menge N ist eine echte Teilmenge der Menge M ({1, 2} {1, 2} aber {1, 2} {1, 2}) Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 8
16 Mengenoperationen Schnitt: A B Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 9
17 Mengenoperationen Schnitt: A B Vereinigung: A B Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 9
18 Mengenoperationen Schnitt: A B Dierenz: A \ B Vereinigung: A B Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 9
19 Mengenoperationen Schnitt: A B Dierenz: A \ B Vereinigung: A B Komplement (in U): C U (A) Wenn U feststeht, dann auch Ā Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 9
20 Potenzmenge Die Potenzmenge einer Menge M ist die Menge aller Teilmengen von M, also POT (M) = {N N M}. Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 10
21 Potenzmenge Die Potenzmenge einer Menge M ist die Menge aller Teilmengen von M, also POT (M) = {N N M}. Für endliche Mengen gilt: ist M eine n-elementige Menge, so ist POT (M) eine 2 n -elementige Menge. {1 2 3} {1 2 } {1 3} { 2 3} {1 } { 2 } { 3} { } Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 10
22 Alphabete und Wörter Denition Alphabet Σ: nichtleere endliche Menge von Symbolen / Zeichen. Wort: eine endliche Kette/Folge x 1... x n von Symbolen/Zeichen eines Alphabets (n 0). Das Wort, das aus null Zeichen besteht heiÿt leeres Wort und wird mit ɛ bezeichnet. Die Menge aller Wörter über einem Alphabet Σ bezeichnen wir mit Σ. Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 11
23 Alphabete und Wörter Denition Alphabet Σ: nichtleere endliche Menge von Symbolen / Zeichen. Wort: eine endliche Kette/Folge x 1... x n von Symbolen/Zeichen eines Alphabets (n 0). Das Wort, das aus null Zeichen besteht heiÿt leeres Wort und wird mit ɛ bezeichnet. Die Menge aller Wörter über einem Alphabet Σ bezeichnen wir mit Σ. Σ + = Σ \ {ɛ} ist die Menge der nichtleeren Wörter. Länge eines Wortes w : Gesamtzahl der Zeichen eines Wortes w ( abbaca = 6, ɛ = 0) Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 11
24 Leersymbol, leeres Wort und leere Menge Vorsicht Verwechslungsgefahr! Das Leersymbol ist ein Zeichen des Alphabets, also auch ein Wort der Länge 1. Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 12
25 Leersymbol, leeres Wort und leere Menge Vorsicht Verwechslungsgefahr! Das Leersymbol ist ein Zeichen des Alphabets, also auch ein Wort der Länge 1. Das leere Wort ɛ ist ein Wort der Länge 0. Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 12
26 Leersymbol, leeres Wort und leere Menge Vorsicht Verwechslungsgefahr! Das Leersymbol ist ein Zeichen des Alphabets, also auch ein Wort der Länge 1. Das leere Wort ɛ ist ein Wort der Länge 0. Die leere Menge ist eine Menge. Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 12
27 Übung: Alphabete und Wörter Sei Σ = {a, b, c} ein Alphabet: Gib ein Wort der Länge 4 über Σ an. Welche der folgenden Ausdrücke sind Wörter über Σ und welche Länge haben sie: `aa', `caab', `da' Was ist der Unterschied zwischen Σ, Σ + und Σ? Wieviele Elemente haben Σ und Σ +? Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 13
28 Operationen auf Wörtern Denition Verkettung / Konkatenation Die Konkatenation / Verkettung zweier Wörter u = a 1 a 2... a n und v = b 1 b 2... b m mit n, m 0 ist u v = a 1... a n b 1... b m Häug schreiben wir uv statt u v. Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 14
29 Operationen auf Wörtern Denition Verkettung / Konkatenation Die Konkatenation / Verkettung zweier Wörter u = a 1 a 2... a n und v = b 1 b 2... b m mit n, m 0 ist u v = a 1... a n b 1... b m Häug schreiben wir uv statt u v. w ɛ = ɛ w = w Neutrales Element u (v w) = (u v) w Assoziativität Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 14
30 Operationen auf Wörtern Exponenten w n : w wird n-mal mit sich selbst verkettet. w 0 = ɛ : w wird `0-mal' mit sich selbst verkettet. Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 15
31 Operationen auf Wörtern Exponenten w n : w wird n-mal mit sich selbst verkettet. w 0 = ɛ : w wird `0-mal' mit sich selbst verkettet. Umkehrung Die Umkehrung eines Wortes w wird mit w R bezeichnet. (abcd) R = dcba. Ein Wort w, für das w = w R gilt, heiÿt Palindrom. (madam, reliefpfeiler, otto, anna,... ) Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 15
32 Übung: Operationen auf Wörtern Seien w = aabc und v = bcc Wörter, berechne: w v ((w R v) R ) 2 w (v R w 3 ) 0 Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 16
33 Formale Sprache Denition Eine formale Sprache L ist eine Menge von Wörtern über einem Alphabet Σ, also L Σ. Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 17
34 Formale Sprache Denition Eine formale Sprache L ist eine Menge von Wörtern über einem Alphabet Σ, also L Σ. Beispiele: Sprache L rom der gültigen römischen Zahldarstellungen über dem Alphabet Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 17
35 Formale Sprache Denition Eine formale Sprache L ist eine Menge von Wörtern über einem Alphabet Σ, also L Σ. Beispiele: Sprache L rom der gültigen römischen Zahldarstellungen über dem Alphabet Σ rom = {I, V, X, L, C, D, M}. Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 17
36 Formale Sprache Denition Eine formale Sprache L ist eine Menge von Wörtern über einem Alphabet Σ, also L Σ. Beispiele: Sprache L rom der gültigen römischen Zahldarstellungen über dem Alphabet Σ rom = {I, V, X, L, C, D, M}. Sprache L Mors der Buchstaben des lateinischen Alphabets dargestellt im Morsecode. Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 17
37 Formale Sprache Denition Eine formale Sprache L ist eine Menge von Wörtern über einem Alphabet Σ, also L Σ. Beispiele: Sprache L rom der gültigen römischen Zahldarstellungen über dem Alphabet Σ rom = {I, V, X, L, C, D, M}. Sprache L Mors der Buchstaben des lateinischen Alphabets dargestellt im Morsecode. L Mors = {,,..., } Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 17
38 Formale Sprache Denition Eine formale Sprache L ist eine Menge von Wörtern über einem Alphabet Σ, also L Σ. Beispiele: Sprache L rom der gültigen römischen Zahldarstellungen über dem Alphabet Σ rom = {I, V, X, L, C, D, M}. Sprache L Mors der Buchstaben des lateinischen Alphabets dargestellt im Morsecode. L Mors = {,,..., } Sprache L pal der Palindrome im deutschen Duden L pal = {Madam, reliefpfeiler,... } Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 17
39 Formale Sprache Denition Eine formale Sprache L ist eine Menge von Wörtern über einem Alphabet Σ, also L Σ. Beispiele: Sprache L rom der gültigen römischen Zahldarstellungen über dem Alphabet Σ rom = {I, V, X, L, C, D, M}. Sprache L Mors der Buchstaben des lateinischen Alphabets dargestellt im Morsecode. L Mors = {,,..., } Sprache L pal der Palindrome im deutschen Duden L pal = {Madam, reliefpfeiler,... } Leere Menge Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 17
40 Formale Sprache Denition Eine formale Sprache L ist eine Menge von Wörtern über einem Alphabet Σ, also L Σ. Beispiele: Sprache L rom der gültigen römischen Zahldarstellungen über dem Alphabet Σ rom = {I, V, X, L, C, D, M}. Sprache L Mors der Buchstaben des lateinischen Alphabets dargestellt im Morsecode. L Mors = {,,..., } Sprache L pal der Palindrome im deutschen Duden L pal = {Madam, reliefpfeiler,... } Leere Menge Menge der Wörter der Länge 13 über dem Alphabet {a, b, c} Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 17
41 Formale Sprache Denition Eine formale Sprache L ist eine Menge von Wörtern über einem Alphabet Σ, also L Σ. Beispiele: Sprache L rom der gültigen römischen Zahldarstellungen über dem Alphabet Σ rom = {I, V, X, L, C, D, M}. Sprache L Mors der Buchstaben des lateinischen Alphabets dargestellt im Morsecode. L Mors = {,,..., } Sprache L pal der Palindrome im deutschen Duden L pal = {Madam, reliefpfeiler,... } Leere Menge Menge der Wörter der Länge 13 über dem Alphabet {a, b, c} Sprache der syntaktisch wohlgeformten Java-Programme Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 17
42 Formale Sprache Denition Eine formale Sprache L ist eine Menge von Wörtern über einem Alphabet Σ, also L Σ. Beispiele: Sprache L rom der gültigen römischen Zahldarstellungen über dem Alphabet Σ rom = {I, V, X, L, C, D, M}. Sprache L Mors der Buchstaben des lateinischen Alphabets dargestellt im Morsecode. L Mors = {,,..., } Sprache L pal der Palindrome im deutschen Duden L pal = {Madam, reliefpfeiler,... } Leere Menge Menge der Wörter der Länge 13 über dem Alphabet {a, b, c} Sprache der syntaktisch wohlgeformten Java-Programme Deutsch? Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 17
43 Operationen auf Sprachen Seien L Σ und K Σ zwei Sprachen über dem Alphabet Σ, dann entstehen durch die Verknüpfung mit Mengenoperatoren neue Sprachen über Σ: K L, K L, K \ L Die Verkettung von Wörtern kann ausgedehnt werden auf die Verkettung von Sprachen: K L := {v w Σ v K, w L} Beispiel: Sei K = {abb, a} und L = {bbb, ab} K L = Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 18
44 Operationen auf Sprachen Seien L Σ und K Σ zwei Sprachen über dem Alphabet Σ, dann entstehen durch die Verknüpfung mit Mengenoperatoren neue Sprachen über Σ: K L, K L, K \ L Die Verkettung von Wörtern kann ausgedehnt werden auf die Verkettung von Sprachen: K L := {v w Σ v K, w L} Beispiel: Sei K = {abb, a} und L = {bbb, ab} K L = {abbbbb, abbab, abbb, aab} und L K = Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 18
45 Operationen auf Sprachen Seien L Σ und K Σ zwei Sprachen über dem Alphabet Σ, dann entstehen durch die Verknüpfung mit Mengenoperatoren neue Sprachen über Σ: K L, K L, K \ L Die Verkettung von Wörtern kann ausgedehnt werden auf die Verkettung von Sprachen: K L := {v w Σ v K, w L} Beispiel: Sei K = {abb, a} und L = {bbb, ab} K L = {abbbbb, abbab, abbb, aab} und L K = {bbbabb, bbba, ababb, aba} K = Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 18
46 Operationen auf Sprachen Seien L Σ und K Σ zwei Sprachen über dem Alphabet Σ, dann entstehen durch die Verknüpfung mit Mengenoperatoren neue Sprachen über Σ: K L, K L, K \ L Die Verkettung von Wörtern kann ausgedehnt werden auf die Verkettung von Sprachen: K L := {v w Σ v K, w L} Beispiel: Sei K = {abb, a} und L = {bbb, ab} K L = {abbbbb, abbab, abbb, aab} und L K = {bbbabb, bbba, ababb, aba} K = K {ɛ} = Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 18
47 Operationen auf Sprachen Seien L Σ und K Σ zwei Sprachen über dem Alphabet Σ, dann entstehen durch die Verknüpfung mit Mengenoperatoren neue Sprachen über Σ: K L, K L, K \ L Die Verkettung von Wörtern kann ausgedehnt werden auf die Verkettung von Sprachen: K L := {v w Σ v K, w L} Beispiel: Sei K = {abb, a} und L = {bbb, ab} K L = {abbbbb, abbab, abbb, aab} und L K = {bbbabb, bbba, ababb, aba} K = K {ɛ} = K K 2 = Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 18
48 Operationen auf Sprachen Seien L Σ und K Σ zwei Sprachen über dem Alphabet Σ, dann entstehen durch die Verknüpfung mit Mengenoperatoren neue Sprachen über Σ: K L, K L, K \ L Die Verkettung von Wörtern kann ausgedehnt werden auf die Verkettung von Sprachen: K L := {v w Σ v K, w L} Beispiel: Sei K = {abb, a} und L = {bbb, ab} K L = {abbbbb, abbab, abbb, aab} und L K = {bbbabb, bbba, ababb, aba} K = K {ɛ} = K K 2 = K K = {abbabb, abba, aabb, aa} Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 18
49 Hausaufgaben (Abgabe bis zum ; für den BN: 2 aus 5) Sei K = {aa, aaa, ba}, L = {bb, aa} 1 Geben sie die Sprachen K L, L K, {ɛ} L, {ɛ} und K an. 2 Geben sie die Sprache L 3 an. 3 Geben sie die Sprache K \ L an. 4 Geben sie eine implizite Mengendarstellung der Sprache K L an. 5 Wie unterscheiden sich die Sprachen L und L +? Wiebke Petersen Einführung CL (WiSe 09/10) 19
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