Priv.-Doz. Dr.rer.nat.habil. Karl-Heinz Niggl Technische Universität Ilmenau Fakultät IA, Institut für Theoretische Informatik Fachgebiet Komplexitätstheorie und Effiziente Algorithmen J Induktive Definitionen Unter Induktive Definitionen subsumiert man in der egel drei Aspekte einer für die Informatik grundlegenden, konstruktiven Methode zur Definition von Mengen, Operationen darauf und eine Methode zum Nachweis von Eigenschaften der induktiv definierten Objekte oder Operationen darauf. Dementsprechend gliedert sich dieses Dokument in die folgenden drei Abschnitte: Induktive Definitionen: Konstruktive Methode zur Definition einer Menge M von Objekten aus Basisobjekten mittels (Erzeugungs-) egeln Induktion über den Aufbau: Methode für den Beweis einer Aussage x M : E(x) für eine Eigenschaft E(x) von Objekten x aus einer induktiv definierten Menge M ekursion über den Aufbau: Konstruktive Methode zur Definition einer Funktion (Operation) auf einer induktiv definierten Menge M Betrachten wir zunächst als Beispiel die Menge BB der Binärbäume. Diese definiert man ( naiv ) induktiv wie folgt: (B) ist ein Binärbaum. () Sind T 1, T 2 (schon erzeugte) Binärbäume, so auch T 1 ; ; T 2 mit Wurzel. (A) Nur die mittels (B) und () erzeugbaren Objekte sind Binärbäume. Diese Definition folgt dem Prinzip eines Baukastens: Ein Baukasten besteht aus einer Basismenge B von Bauklötzchen und einem Satz von egeln, aus denen Baukastenobjekte b gebaut werden können, d.h. b ist (Basis) entweder ein gegebenes Bauklötzchen (aus B) (Baukastenschritt) oder das Ergebnis der Anwendung einer Baukastenregel (aus ) auf bereits erzeugte Baukastenobjekte a 1,..., a n. Man sagt nun, die Menge der Baukastenobjekte sei induktiv definiert. Im folgenden wollen wir die Prinzipien induktive Definition, Induktion über den Aufbau und ekursion über den Aufbau allgemein einführen und studieren. Dabei werden wir i.w. das soeben skizzierte Baukastenprinzip mathematisch modellieren.
Induktive Definitionen 2 1 Induktive Definitionen Intuitiv ist die Menge der Baukastenobjekte vollständig durch die zugrundeliegende Basismenge B von Bauklötzchen und eine Menge von egeln, durch deren Anwendung wir aus bereits gebauten Objekten neue Objekte bauen können, bestimmt. Für die Menge der Baukastenobjekte bietet sich daher die Schreibweise I (B) an. Aber wie ist I (B) als Menge mathematisch präzise definiert? Mathematisch modellieren wir die Menge der egeln als eine elation Seq(A) A wobei A eine geeignet gewählte Grundmenge ist, die alle zu bauenden Objekte enthält, i.a. jedoch viel mehr. Insbesondere gilt also B A. Die Elemente ((a 1,..., a n ), b) lesen wir als b ist aus a 1,..., a n gebaut. Damit definieren wir I (B) durch I (B) := {C B C A, C ist -abgeschlossen} wobei C A -abgeschlossen ist, falls für alle ((a 1,..., a l ), b) gilt: a 1,..., a l C = b C Die Menge I (B) wird auch als der induktive Abschluß von B unter bezeichnet. Eine Menge M heißt nun induktiv definiert, falls M = I (B) für eine geeignete elation und Basismenge B gilt sowie für eine implizit gegebene Grundmenge A. Beispiel. Die Menge BB hat die Darstellung I (B) mit A := {,,, ; }, B := { } und := {((a 1, a 2 ), a 1 ; ; a 2 ) a 1, a 2 A}. In der Tat wird unsere Intuition durch die obige mengentheoretische Formalisierung des Baukastenmodells korrekt wiedergegeben, denn es gilt der folgende Satz. Satz 1.1 (Intuition). Die Menge I (B) ist die kleinste Teilmenge von A, die B enthält und -abgeschlossen ist, d.h. (a) B I (B), (b) I (B) C für alle -abgeschlossenen Mengen C mit B C A, (c) I (B) ist -abgeschlossen. Beweis. (a), (b) folgen direkt aus der Definition von I (B). Für den Beweis von (c) sei ((a 1,..., a l ), b) beliebig mit a 1,..., a l I (B). Wir müssen b I (B) zeigen. Nach Definition von I (B) genügt es zu zeigen: Es gilt b C für alle -abgeschlossenen Mengen C mit B C A. Sei also C eine beliebige -abgeschlossene Menge mit B C A. Wegen a 1,..., a l I (B) und (b) gilt dann auch a 1,..., a l C. Also folgt b C aus der -Abgeschlossenheit von C.
Induktive Definitionen 3 Warum ist diese Methode nun konstruktiv? Dies liegt daran, dass man sich eine Menge I (B) in Schichten I i (B) schrittweise von unter erzeugt vorstellen kann, wobei die i-te Schicht I i (B) wie folgt definiert ist: I 0 I i+1 (B) := B (B) := Ii (B) {b A ((a 1,..., a l ), b) für gewisse a 1,..., a l I i (B)} = Menge der Objekte, die aus B nach maximal i+1 Anwendungen von egeln aus gebaut werden können. Satz 1.2 (Schichtendarstellung). Sei M := I (B) eine induktiv definierte Menge mit Grundmenge A. Dann gilt: (a) B I 0 (B) und Ii (b) M = i N Ii (B) (B) Ii+1 (B) für alle i N Beweis. Teil (a) folgt direkt aus der Definition der Schichten I i (B). Für den Beweis von (b) folgt zunächst die Inklusion aus folgender Aussage: ( ) i N: I i (B) M Wir beweisen ( ) durch vollständige Induktion nach i, wobei der Induktionsanfang i = 0 trivialerweise gilt. Für den Induktionsschritt i i + 1 sei b I i+1 (B) beliebig. Wir müssen b M zeigen und betrachten dazu eine beliebige -abgeschlossene Menge C mit B C A. Nach I.V. können wir o.e. b / I i (B) annehmen und somit gilt: ((a 1,..., a l ), b) für gewisse a 1,..., a l I i (B) Nach I.V. gilt nun a 1,..., a l M C. Also folgt b C aus der -Abgeschlossenheit von C. Damit ist ( ) bewiesen. Für die umgekehrte Inklusion genügt es nach Satz?? zu zeigen, dass die Menge C := i N I i (B) B enthält und -abgeschlossen ist. Es gilt B = I 0 (B) C. Sei daher ((a 1,..., a l ), b) beliebig mit a 1,..., a l C. Wir müssen b C zeigen. Wegen a 1,..., a l C gibt es i 1,..., i l mit a i I i j (B) für j = 1,..., l. Nach Teil (a) gilt dann a 1,..., a l I m (B) für m := max{i 1,..., i l }. Also folgt b I m+1 (B) C nach Definition der Schichten. 2 Induktion über den Aufbau Sei nun M = I (B) eine induktiv definierte Menge und sei E(a) eine Eigenschaft, die für Elemente a A entweder wahr oder falsch ist. Will man nun die Aussage Für alle b M gilt E(b)
Induktive Definitionen 4 zeigen, so bietet sich eine Induktion über den Aufbau von M an, d.h. man zeigt die folgenden zwei Aussagen: Induktionsanfang (I.A.) Es gilt E(a) für alle a B. Induktionsschritt (I.S.) Für alle ((a 1,..., a l ), b) mit a 1,..., a l M gilt: E(a 1 )... E(a l ) = E(b) Die Annahme E(a 1 )... E(a l ) wird als Induktionsvoraussetzung (I.V.) (bzgl. b) bezeichnet. Die natürlichen Zahlen kann man sich induktiv aus 0 und Successor S erzeugt denken, d.h. N = I ({0}) mit A := {0, S} und := {((a), Sa) a A}. Vollständige Induktion ist also nichts anderes als Induktion über den Aufbau von N. Tatsächlich folgt die gewünschte Aussage Für alle b M gilt E(b) aus (I.A.) und (I.S.). Satz 2.1 (Korrektheit). Sei M = I (B) eine induktiv definierte Menge mit Grundmenge A und E eine Eigenschaft, die für Elemente a A stets wahr oder falsch ist. Ferner gelte (I.A.) und (I.S.) für E. Dann gilt auch E(b) für alle b M. Beweis. Nach Satz?? genügt es zu zeigen, dass die folgende Menge Φ := {b M E(b)} B enthält und -abgeschlossen ist. Denn dann gilt M Φ und das bedeutet gerade E(b) für alle b M. Offenbar gilt B Φ nach (I.A.). Für aus a 1,..., a l Φ zusammengebaute Objekte b folgt b Φ aus (I.S). Als einfaches Beispiel für das Ineinandergreifen von induktiv definierten Mengen und Induktion über den Aufbau kann man mittels Induktion über den Aufbau von BB die folgende offenkundige Eigenschaft von Binärbäumen zeigen: Für alle T BB gilt: T = T. 3 ekursion über den Aufbau Auf induktiv definierten Mengen M := I (B) möchte man i.a. wieder Operationen ausführen, die Elemente aus M in Elemente aus einer Menge N überführen, wobei M =N nicht ausgeschlossen ist. Beispiel. Man möchte jedem Binärbaum T seine Tiefe d(t ) zuordnen, d.h. die maximale Anzahl der Kanten längs eines Weges von der Wurzel zu einem Blatt von T. Da BB induktiv definiert ist, bleibt einem nichts anderes übrig, als d(t ) über den induktiven Aufbau von T BB zu definieren, d.h. man definiert d(t ) für die Basiselemente T, und für zusammengebaute Binärbaume T := T 1 ; ; T 2 bestimmt man d(t ) unter Verwendung
Induktive Definitionen 5 der bereits bestimmten Tiefen d(t 1 ), d(t 2 ) der Binärbäume T 1, T 2, aus denen T gebaut wurde. Man sagt dann, d ist rekursiv definiert durch: d( ) := 0 d( T 1 ; ; T 2 ) := 1 + max{d(t 1 ), d(t 2 )} Wir haben also eine Abbildung d: BB N definiert. Dies führt uns auf das folgende Prinzip der ekursion über den Aufbau von induktiv definierten Mengen M. Definition 3.1 (ekursion über den Aufbau). Sei M := I (B) eine induktiv definierte Menge mit Grundmenge A, so dass M durch B, frei erzeugt wird, d.h. ( ) b M : entweder gilt b B oder es gibt genau ein a Seq(M) mit ( a, b). Ferner seien G: A Y Z und H : Seq(A) A Y Seq(Z) Z schon definierte Funktionen, wobei Y, Z irgendwelche Mengen sind und Y Parametermenge heißt. Eine Funktion F : M Y Z (bzw. F : M Z ohne Parametermenge Y ) ist durch ekursion über den Aufbau von M aus G und H definiert, falls F die folgenden ekursionsgleichungen erfüllt (für beliebige y Y ): F (b, y) = G(b, y) für alle b B F (b, y) = H((a 1,..., a l ), b, y, (F (a 1, y),..., F (a l, y))) für alle a 1,..., a l, b M mit ((a 1,..., a l ), b) Bemerkung. Die Bedingung ( ) stellt sicher, dass jedes Element aus M\B auf genau eine Weise gebaut werden kann. Dies impliziert, dass jede Funktion, die obige ekursionsgleichungen erfüllt, wohldefiniert ist, d.h. ein Funktionswert F (b, y) für aus a 1,..., a l M gebaute Objekte b hängt nicht von der Wahl der a 1,..., a l ab. Ferner kann man beweisen, dass es genau eine Funktion gibt, die obige ekursionsgleichungen erfüllt. An dieser Stelle bricht auch das anschauliche Baukastenmodell zusammen, denn Baukastenobjekte (wie bei Märklin, Lego, usw.) sind i.a. nicht frei erzeugt. Bemerkung. Intuitiv kann man die obigen ekursionsgleichungen wie folgt lesen: Um eine Funktion F : M Y Z zu definieren, genügt es wie folgt vorzugehen: (B) Bestimme F (b, y) für beliebige b B, y Y. Dies leistet die Basisfunktion G. () Für beliebige aus a 1,..., a l M gebaute Objekte b und beliebige Parameter y Y, bestimme F (b, y) aus a 1,..., a l, b, y, F (a 1, y),..., F (a l, y) } {{ } Vorgängerwerte mittels bereits bekannter Operationen. Dies leistet die Schrittfunktion H. Bemerkung. Das Beispiel d: BB N verwendet keine Parametermenge Y. Ein Beispiel für eine ekursion über den Aufbau mit Parametermenge stellt die Definition des Wahrheitswertes einer aussagenlogischen Formel unter einer Belegung dar. Hier fungiert die Menge der Belegungen als Parametermenge Y.
Induktive Definitionen 6 Beispiel: Die Abbildung d: BB N wird durch ekursion über den Aufbau von BB aus G: A N und H : Seq(A) A Seq(N) N definiert, wobei A := {,,, ; } und G(b) := { 0 1+max{n1, n H((a 1,... a l ), b, (n 1,... n l )) := 2 } falls l =2 und b= a 1 ; ; a 2 0 sonst. Bemerkung. Der Ausweichwert 0 im sonst-fall deutet an, dass man sich in den Anwendungen des Schemas ekursion über den Aufbau bei der Definition von G und H darauf beschränken kann, dass man G nur auf B Y erklärt, und H nur auf Argumenten ((a 1,..., a l ), b, y, (z 1,..., z l )) mit a 1,..., a l, b M und ((a 1,..., a l ), b). Im Alltag der Informatik greifen die drei Prinzipien induktive Definition, Induktion über den Aufbau und ekursion über den Aufbau häufig ineinander. Operationen auf induktiv definierten Datentypen sollen ja bestimmte Spezifikationen erfüllen, und diese weist man mittels Induktion über den Aufbau nach. Als abschließendes Beispiel beweise man durch Induktion über den Aufbau von BB die folgende Aussage: Satz 3.2 (Knotenabschätzung). Für alle binären Bäume T gilt: #Knoten(T ) 2 d(t )+1 1