Einführung in die Theoretische Informatik I/ Grundlagen der Theoretischen Informatik. SS 2007 Jun.-Prof. Dr. Bernhard Beckert Ulrich Koch

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1 Einführung in die Theoretische Informatik I/ Grundlagen der Theoretischen Informatik SS 2007 Jun.-Prof. Dr. Bernhard Beckert Ulrich Koch 3. Teilklausur Persönliche Daten bitte gut leserlich ausfüllen! Vorname:... Nachname:... Matrikelnummer:... Klausurergebnis bitte nicht ausfüllen! Aufgabe 1:... Aufgabe 2:... Aufgabe 3:... Aufgabe 4:... Aufgabe 5:... (12 Punkte) (5 Punkte) (2 Punkte) (6 Punkte) (5 Punkte) Gesamtergebnis:... Note:...

2 Theoretische Informatik I, Multiple Choice ( = 12 Punkte) Hinweis: Bei den folgenden Ankreuzaufgaben führen e Kreuze zu Punktabzug! Dabei werden insgesamt jedoch keinesfalls weniger als 0 Punkte für die jeweilige Teilaufgabe vergeben. (a) Sprachen und Grammatiken (3 Punkte) Entscheiden Sie durch Ankreuzen, ob die folgenden Aussagen oder sind. Zu jeder mehrdeutigen kontextfreien Grammatik gibt es eine äquivalente eindeutige kontextfreie Grammatik. Das Komplement jeder kontextfreien Sprache ist kontextfrei. Wenn L 1 und L 2 kontextfrei sind, dann ist auch L 1 L 2 kontextfrei. (b) Turing-Maschinen (3 Punkte) Entscheiden Sie durch Ankreuzen, ob die folgenden Aussagen oder sind. Zu jeder Sprache L, die von einem PDA akzeptiert wird, gibt es eine NTM, die L akzeptiert. Zu jeder Sprache L, die von einer DTM akzeptiert wird, gibt es einen PDA, der L akzeptiert. Eine universelle Turing-Maschine kann sich selbst simulieren.

3 Theoretische Informatik I, (c) Entscheidbarkeit (4 Punkte) Entscheiden Sie durch Ankreuzen, ob die folgenden Aussagen oder sind. Jede akzeptierbare Sprache ist entscheidbar. Jede entscheidbare Sprache ist rekursiv aufzählbar. Das Komplement einer entscheidbaren Sprache ist entscheidbar. Jede unendliche Sprache ist unentscheidbar. (d) Komplexität (2 Punkte) Entscheiden Sie durch Ankreuzen, ob die folgenden Aussagen oder sind. Es ist bekannt und einfach zu beweisen, dass PSPACE NP. Es ist bekannt und einfach zu beweisen, dass P PSPACE.

4 Theoretische Informatik I, CYK-Algorithmus (5 Punkte) Gegeben sei die kontextfreie Grammatik G = ({S, A, B, C, D, E}, {a, b}, R, S) mit folgenden Regeln in R: S A B C D E Hinweis: G ist bereits in Chomsky-Normalform. AD a a b CA a Parsen Sie das Wort aaba mit dem CYK-Algorithmus. Vervollständigen Sie dazu die folgende Tabelle. SE BC a a b a a S, A, C a C S, A, C b B a S D E S, A, C

5 Theoretische Informatik I, Pushdown-Automaten (2 Punkte) Gegeben sei der Pushdown-Automat (Kellerautomat) mit folgender Übergangsrelation: A = ({s 0, s 1 }, {a, b}, {X, Z 0 },, s 0, Z 0, ) = { ((s 0, a, Z 0 ), (s 0, XZ 0 )), ((s 0, a, X), (s 0, XX)), ((s 0, b, Z 0 ), (s 1, ε)), ((s 0, b, X), (s 1, ε)), ((s 1, b, Z 0 ), (s 1, ε)), ((s 1, b, X), (s 1, ε)) } Welche der folgenden Sprachen erkennt der Automat per leerem Keller? Kreuzen Sie die zutreffende Sprache an. (Nur eine Antwort ist!) {a n+1 b n n 0} {a n b n+1 n 0} {a n b n n 0} {a k b n k, n 0 k n} In den akzeptierten Wörtern kommt ein b mehr vor, weil das von Anfang an auf dem Stack liegende Z 0 beim Abbau des Stacks auch noch entfernt werden muss (es wird nicht gesondert behandelt).

6 Theoretische Informatik I, Turing-Maschinen (3+3 = 6 Punkte) Gegeben sei die determinierte Turing-Maschine M = ({s 0, s 1, s 2, s 3 }, {0, 1, #}, δ, s 0 ) deren Übergangsfunktion durch folgende Tabelle definiert ist (alle nicht aufgeführten Übergänge seien undefiniert): δ 0 1 # s 0 (s 1, L) s 1 (s 3, 1) (s 2, 0) (s 3, R) s 2 (s 1, L) s 3 (s 3, R) (s 3, R) (h, #) M berechnet die Funktion s : IN 0 IN 0 mit s(n) = (n + 1) mod 16, wobei Ein- und Ausgabe mit genau 4 Ziffern binär dargestellt sind. (a) Geben Sie die Rechnung von M für die Eingabe 0101 an. Vervollständigen Sie dazu folgende Auflistung der Konfigurationen: 0.: s 0, #0101# s 1, #0101# s 2, #0100# s 1, #0100# s 3, #0110# s 3, #0110# s 3, #0110# h, #0110# 1.:... 2.:... 3.:... 4.:... 5.:... 6.:... 7.:... (b) Ändern Sie M so ab, dass die entstehende DTM die Funktion berechnet. t : IN 0 IN 0 mit t(n) = (n + 2) mod 16 Vervollständigen Sie dazu folgende Tabelle: δ 0 1 # s 0 (s 4, L) s 1 (s 3, 1) (s 2, 0) (s 3, R) s 2 (s 1, L) s 3 (s 3, R) (s 3, R) (h, #) s 4 (s 1, L) (s 1, L) Mit Hilfe eines zusätzlichen Zustands s 4 macht man am Anfang einen zusätzlichen Schritt nach links. Alternativ könnte man auch eine Maschine bauen, die die ursprüngliche Maschine M zweimal ausführt.

7 Theoretische Informatik I, Entscheidbarkeit (1+2+2 = 5 Punkte) Sei T M die Menge aller Turing-Maschinen, und sei g : T M IN 0 eine bijektive Gödelisierungsfunktion für T M (also eine bijektive, berechenbare Abbildung zwischen T M und IN 0 ). Ferner sei die Sprache L definiert durch: L = {n die Turing-Maschine M T M, für die g(m) = n gilt, hält bei Eingabe n} (a) Ist die Sprache L entscheidbar? Nein. Denn dies ist das spezielle Halteproblem, das bekanntermaßen unentscheidbar ist. (b) Ist L aufzählbar (und also akzeptierbar)? Geben Sie eine kurze Begründung für Ihre Antwort (1 2 Sätze). Ja. Man kann alle Turing-Maschinen simultan mittels einer universellen TM ausführen und dann jeweils, wenn eine der Maschinen terminiert, in den Blinkzustand gehen und diese ausgeben. (c) Ist das Komplement L von L akzeptierbar? Geben Sie eine kurze Begründung für Ihre Antwort (1 2 Sätze). Nein. Wäre das Komplement L von L akzeptierbar und also aufzählbar, dann wäre sowohl L (siehe (b)) als auch L aufzählbar. Dann müsste L entscheidbar sein (Satz aus der Vorlesung), was im Widerspruch zu (a) stünde.