Универсальная машина тьюринга кратко

Обновлено: 07.07.2024

Программирование нуждается в новых универсальных алгоритмических моделях, а аппаратные средства реализуют алгоритмы не только в другой форме, но и на базе другой алгоритмической модели — автоматной. Заимствование технологии из сферы разработки аппаратных средств ключевая идея автоматного программирования. Однако синтез цифровых устройств отличается от программирования. Но, заимствуя модель, с одной стороны, ее не желательно существенно изменять, а, с другой стороны, нельзя не учитывать уже существующую теорию и практику программирования.

Далее мы рассмотрим SWITCH-технологию проектирования автоматных программ, в которой с подобными процессами сталкиваешься сплошь и рядом. С одной стороны, она так изменила модель конечного автомата, что фактически вывела ее за рамки теории автоматов. А, с другой стороны, вводит в программирование понятия, которые с трудом воспринимаются программистами, а, порой, просто являются лишними, т.к. существуют более привычные аналоги из теории программ и практики программирования.

В лекции достижением автоматного программирования объявлено введение в него понятия автоматизированных объектов управления, заимствованное из теории автоматического управления (ТАУ). Но, напомним, что в ТАУ рассматривают не столько объекты, а системы, среди которых выделяют следующие [4]:

Исходя из этого, правильнее было бы говорить о системах автоматического управления (САУ). Теперь посмотрим на типовую функциональную схему САУ, показанную рис. 1. Если ленту машины Тьюринга считать объектом управления, то исполнительными устройствами (ИсУ) будут элементы МТ, реализующие изменение содержимого ленты и передвигающие головку, а измерительными устройствами (ИзУ) — элементы, читающие информацию с ленты.

Рис.1. Функциональная схема САУ

Но зачем обращаться к ТАУ, если есть более близкая к программированию практика проектирования вычислительных систем, в которой операционные устройства (ОУ), к которым, безусловно, относится и МТ, рассматриваются в виде комбинации операционного (ОА) и управляющего (УА) автоматов. И это ближе к тому, к чему мы в конечном итоге стремимся — обоснованию мощности автоматного программирования. На рис. 2 представлен скрин текста из монографии Майорова С.А., Новикова Г.И. Структура электронных вычислительных машин [5], в которой вопросы проектирования ОУ рассмотрены весьма детально.

Рис.2. Концепция управляющего и операционного автоматов

Но, если сравнивать теорию проектирования ЭВМ и теорию программ, то между ними прослеживается явная структурная аналогия. В теории программирования модель любой программы на структурном уровне можно представить, как схему программы S = (M, A, C), где M – множество элементов памяти, A – множество операторов, C – управление [10]. Следуя этому подходу, любую программу машины Тьюринга также можно определить как схему программы, в которой множество M представлено ячейками ленты, множество операторов – действиями МТ, связанными 1) с анализом ячеек, 2) изменением символов в ячейках ленты и 3) перемещением головки.

Из сказанного можно понять, что лента лишь условно может считаться объектом управления для МТ. Хотя бы потому, что устройство управления машины Тьюринга не имеет к ней прямого доступа, т.к. все операции с ячейками реализуют опосредован-но блоки ОА. Кроме того, как представляется, не очень привычно или, если не сказать, странно считать целью управления программы, как системы управления, объект, представляющий собой память (ленту).
Таким образом, для формального определения машины Тьюринга, а в ее контексте места для модели конечного автомата, достаточно понятий теории программ. Теперь, в отличие от весьма расплывчатого определения автоматных программ, данного в рамках SWITCH-технологии, можно сказать, что автоматной программой считается программа, имеющая управление в форме модели конечного автомата.

Можно также вспомнить, что машину Тьюринга уже давно принято считать авто-матом [6] или уж, в крайнем случае, его простым расширением [7]. Но необходимо понимать, что это за автомат, что это за расширение, и эквивалентны ли они моделям классических конечных автоматов. Попробуем это как раз и уточнить.

2. Тьюрингово программирование в среде автоматного программирования

На рис. 3 показан автомат для МТ функции инкремента из монографии [8]. По форме это явно не программа для МТ, но уже и не классический конечный автомат. На рис. 4 приведен граф классического структурного конечного автомата (СКА) и его реализация в среде ВКПа (среда визуально-компонентного автоматного программирования на языке С++ в рамках библиотеки Qt и среды Qt Creator), реализующего тот же самый алгоритм блока управления (БУ) МТ.

Рис.3. Увеличение числа на единицу с помощью машины Тьюринга

Рис.4 Модель программы инкремента для МТ в форме СКА

Можно видеть, что структурный автомат имеет четыре входных и пять выходных каналов. Каждый из этих каналов связан с одноименной ему программной функцией – предикатом или действием. Здесь предикаты – функции без параметров, возвращающие булевское значение в зависимости от значения обозреваемой ими ячейки ленты, а действия – функции без параметров, выполняющие то или иной действие по изменению ячейки ленты и передвижению головки машины Тьюринга.

Данный СКА имеет то же множество состояний, что и автомат на рис.3. При этом кроме собственно автоматного отображения, представленного СКА, он реализует еще два отображения – отображение множества предикатов (x1, …, xM) на множество одноименных входных каналов автомата, и множество выходных каналов автомата на множество одноименных действий – y1, …, yN. Например, предикат x3 вернет значение true (значение 1 для одноименного входного сигнала), если в текущей ячейке будет символ 1, а действие y4, которое будет запущено, когда одноименный выходной сигнал автомата примет значение 1, будет соответствовать перемещение головки влево (L) и т.д. и т.п.

2.1. Объектная реализация МТ на языке С++

Рассмотрим объектную программную реализацию машины Тьюринга на языке C++ в среде ВКПа, реализующую любую программу для МТ, в том числе и программу вычисления инкремента.

С этой целью создан базовый класс, представляющий любую машину Тьюринга, который и наследуют программные объекты, реализующие ту или иную программу МТ. Данный базовый представлен на листинге 1, а программа, реализующая задачу инкремента, на листинге 2.

Листинг 1. Программная реализация базового класса МТ

Листинг 2. Программа инкремента для машины Тьюринга

2.2. Примеры программ для МТ с реализацией на С++

Рис. 5. Функция переходов машины Тьюринга, распознающая язык

Рис. 6. Граф СКА машины Тьюринга, распознающей язык

Блок управления МТ в форме СКА имеет 6 входных и 7 выходных каналов. Про-грамма акцептора включает также соответствующее им число предикатов и действий, которые представлены на рисунке справа от графа автомата. Реализация программы на С++ в среде ВКПа представлена на листинге 3.

Листинг 3. Программа для машины Тьюринга, распознающей язык

На листинге 3 действие y18 представляет вариант программы для МТ в соответствии с подходом SWITCH-технологии. В рамках реализации автоматного программирования среды ВКПа в этом случае вместо автомата на рис. 6 необходимо будет реализовать автомат с одним состоянием, который выдает в цикле сигнал y18. Ему соответствует закомментированная строка таблицы переходов на листинге 3. Для работы автомата по типу SWICH необходимо снять комментарий с данной строки, а остальные строки закомментировать.

Программа для МТ, находящая наибольший общий делитель (НОД) двух чисел, показана на рис. 7. Эквивалентный ей граф СКА представлен на рис. 8. Заметим, что и здесь не используются команда перезаписи символов. Реализация на С++ представлен листингом 4.

Рис. 7. Граф переходов машины Тьюринга, вычисляющей НОД двух чисел, и несколько ее конфигураций при обработке пары чисел

Рис. 8. Граф СКА, эквивалентный графу на рис. 7

Листинг 4. Программа для машины Тьюринга нахождения НОД двух чисел

В заключение еще одна программа для МТ от разработчиков SWITH-технологии, рассмотренная в статье [11], где приведена задача распознавание скобок в двух варианта. Один в форме автомата Мили, второй – смешанный автомат (соответственно на рис. 9 и рис. 11). Соответствующие им структурные автоматы приведены на рис. 10 и рис. 12. Реализацию программы на С++ демонстрирует листинг 5.

Рис. 9. Распознавание скобок произвольной глубины. Граф переходов Мили

Рис. 10. Распознавание скобок произвольной глубины. Граф СКА Мили

Рис. 11. Распознавание скобок произвольной глубины. Граф переходов смешанного автомата

Рис. 12. Распознавание скобок произвольной глубины. Граф СКА переходов сме-шанного автомата

Листинг 5. Программа для машины Тьюринга распознавания вложенности скобок

3. Заключение

Подводя итог, можно сказать, что нет формальных отличий тьюрингового программирования от автоматного, т.к. машина Тьюринга – это абстрактная модель автоматных программ. Просто в последнем случае используется более широкий набор операторов и структур данных (памяти). Теперь можно уверенно ответить и на вопрос, чем отличается машина Поста, как модель обычных программ, от машины Тьюринга — модели автоматных программ. Моделью управления и лишь только ею, т.к. остальное – память и операторы могут быть одними и теми же.
Следовательно, обычное программирование отличается от программирования автоматного только одним – моделью управления. Таким образом, пока для реализации автоматов используются обычные операторы управления типа switch и им подобные нельзя, строго говоря, такое программирование считать автоматным. Это может быть имитация автоматов с утратой их определенных свойств и не более того.

Однако, на момент публикации упомянутых статей авторам SWITCH-технологии уже была известна критика в ее адрес. Это не было тайной, т.к. с ней можно было ознакомиться на сайте SoftCraft [14]. На нем же были созданы разделы, посвященные автоматному программированию вообще и SWITH-технологии и КА-технологии в частности. Позиции авторов обсуждались на форуме сайта (он был на тот момент открыт). Но все так и остались при своем мнении.

Итоги на текущий момент таковы. Критика, высказанная в отношении SWITH-технологии когда-то давно, актуальна и на текущий момент. Она же относится и к пакету Stateflow. В SWITH-технологии как не было, так и нет четкого определения автоматного программирования, не изменился подход к реализации автоматов, сама модель не является классической, нет модели параллельных вычислений и т.д. и т.п. Без устранения этих проблем подобное автоматное программирование в лучшем случае претендует на достаточно ограниченную роль.

Причины отмеченных выше проблем довольно ясны: игнорируется теория программ, забыта теория автоматов, хотя о самих автоматах и об их замечательных свойствах сказано много хороших и правильных слов. Но по факту это другие автоматы. Автор убежден в сомнительности непродуманных попыток создавать оригинальные модели. Речь о синхронных, реактивных и других моделях. Они могут быть удобны при решении узкого класса задач и не более того. Но серьезнее то, что они выпадают из теории автоматов, не имея при этом собственной теории. А модель вне теории беспомощна, а потому фактически бессмысленна.

Машина Тьюринга — это абстрактный исполнитель или абстрактная вычислительная машина.

Введение

Машина Тьюринга является одним из наиболее выдающихся научных изобретений двадцатого века. Она представляла несложную и удобную абстрактную модель вычислительного процесса, которая представлена в обобщённом формате и позволяет реализовать практически все компьютерные задачи. Простое описание и выполненный математический анализ позволяют считать её фундаментом теоретической информатики.

Эта научная работа послужила стимулом к более углублённому изучению цифрового исчисления и компьютерных устройств, в том числе осознание мысли, что есть проблематика в сфере вычислений, которую нельзя решить на обычных электронных вычислительных машинах пользователей

Машина Тьюринга

Машина Тьюринга была вычислительным модулем, который состоит из сканера для чтения и записи информации с бумажной ленты, пропускаемой через него. Лента поделена на квадратики, несущие один знак, а именно нуль или единицу. Механизм предназначен для ввода и вывода информации и одновременно служит рабочей памятью для сохранения итогов промежуточных вычислительных шагов. Машина имеет в своём составе два компонента:

Лента без ограничений, то есть бесконечная в обоих направлениях лента, разделённая на комплект ячеек.
Автоматический модуль, то есть головка сканера, которая считывает и записывает информацию под управлением программы. Она способна располагаться в любой момент времени лишь в одном из многих состояний.

Готовые работы на аналогичную тему

Машина осуществляет связь двух конечных рядов информационных данных, а именно алфавит знаков на входе $A = (a_0, a_1, …, a_m)$ и алфавит состояний $Q = (q_0, q_1, . q_p)$. Пассивным считается состояние $q_0$. Предполагается, что машина прекращает выполнение операций, когда считывает именно его. Исходным состоянием является состояние $q_1$, и устройство запускается в работу, когда считывает это стартовое состояние. Слово на ленте, которое является входной информацией, расположено последовательно по одной букве в позиции. При этом, впереди него и за ним расположены нулевые квадраты.

Принцип работы машины Тьюринга

Машина Тьюринга принципиально отличается от компьютерных модулей, у неё в качестве запоминающего устройства выступает бесконечная лента, а у цифровых устройств память представляет полосу заданной длины. Любой тип заданий может решить лишь одна сформированная машина Тьюринга. Задания другого класса могут быть решены написанием другого алгоритма. Устройство управления находится в определённом состоянии и способно перемещаться в обе стороны вдоль ленты. Оно может записывать в ячейки и считывать из них алфавитные символы. При перемещении определяется пустой компонент, заполняющий места, которые не содержать входных данных. Алгоритм машины Тьюринга формирует условия перемещений управляющего механизма. Он может задать головке, выполняющей запись и чтение данных, следующие команды:

Записать в текущую ячейку нужный знак.
Выполнить смену текущего состояния.
Переместиться в заданную сторону вдоль ленты.

Машина Тьюринга подобно другим системам, предназначенным для вычислений, обладает определёнными особенностями, которые похожи на свойства алгоритмов:

Свойство дискретности. Цифровое устройство выполняет переход к очередному этапу n+1 лишь после полного завершения предыдущего. Каждый завершенный шаг определяет, каким будет следующий.
Свойство понятности. Машина осуществляет лишь одну операцию для выбранной ячейки. Она записывает алфавитный символ и выполняет одно перемещение в указанную сторону.
Свойство детерминированности. Всем позициям в машине сопоставляется только один вариант осуществления задаваемой схемы, и на всех шагах операции и их очерёдность осуществления строго определены.
Свойство результативности. Окончательный итог на каждом шаге вычисляет машина Тьюринга. Программа работает согласно заданному алгоритму и за не бесконечное количество выполненных этапов доходит до состояния $q_0$.
Свойство массовости. Каждой машине сопоставлен набор допустимых слов, которые входят в алфавит.

Функции машины Тьюринга

Рисунок 1. Функции машины Тьюринга. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Программа для машины Тьюринга

Программа для машины Тьюринга формируется как таблицы, в которых в первой строчке и столбце находятся знаки внешнего алфавита и набор допустимых внутренних состояний автомата, то есть внутренний алфавит. Данные в таблице, по сути, это команды, которые должна исполнять машина Тьюринга. Разрешение задачи выполняется по следующим правилам. Символ, принятый сканером из ячейки, над которой он располагается в текущий момент, и определённое внутреннее состояние сканера автомата определяют, какую команду требуется исполнить. А именно, это команда, расположенная в таблице, и находящаяся в точке пересечения знаков внутреннего и внешнего алфавита.

Машина Тьюринга (англ. Turing machine) — модель абстрактного вычислителя, предложенная британским математиком Аланом Тьюрингом в 1936 году. Эта модель позволила Тьюрингу доказать два утверждения. Первое — проблема останова неразрешима, т.е. не существует такой машины Тьюринга, которая способна определить, что другая произвольная машина Тьюринга на её ленте зациклится или прекратит работу. Второе — не существует такой машины Тьюринга, которая способна определить, что другая произвольная машина Тьюринга на её ленте когда-нибудь напечатает заданный символ. В этом же году был высказан тезис Чёрча-Тьюринга, который терминах теории рекурсии формулируется как точное описание интуитивного понятия вычислимости классом общерекурсивных функций. В этой формулировке часто упоминается как просто тезис Чёрча. В терминах вычислимости по Тьюрингу тезис гласит, что для любой алгоритмически вычислимой функции существует вычисляющая её значения машина Тьюринга. В виду того, что классы частично вычислимых по Тьюрингу и частично рекурсивных функций совпадают, утверждение объединяют в единый тезис Чёрча — Тьюринга.

Неформально машина Тьюринга определяется как устройство, состоящее из двух частей:

бесконечной одномерной ленты, разделённой на ячейки,
головки, которая представляет собой детерминированный конечный автомат.

При запуске машины Тьюринга на ленте написано входное слово, причём на первом символе этого слова находится головка, а слева и справа от него записаны пустые символы. Каждый шаг головка может перезаписать символ под лентой и сместиться на одну ячейку, если автомат приходит в допускающее или отвергающее состояние, то работа машины Тьюринга завершается.

Отметим, что существуют различные вариации данного выше определения (например, без отвергающего состояния или с множеством допускающих состояний), которые не влияют на вычислительные способности машины Тьюринга.

Кроме формального определения самой машины требуется также формально описать процесс её работы. В определении для простоты будем предполагать, что головка в процессе работы не записывает на ленту символ [math]B[/math] . Это не ограничивает вычислительной мощности машин Тьюринга, поскольку для каждой машины можно сопоставить аналогичную ей, но не пищущую [math]B[/math] на ленту.

В данной записи головка находится над ячейкой, на которой написана первая буква [math]v[/math] (или [math]B[/math] , если [math]v = \varepsilon[/math] ).

В дальнейшем используются следующие обозначения: [math]x, y, z \in \Pi[/math] , [math]w, v \in \Pi^*[/math]

если [math]\delta(q, x) = \langle p, y, \leftarrow \rangle[/math] , то [math]\langle wz, q, xv \rangle \vdash \langle w, p, zyv \rangle[/math] ,
если [math]\delta(q, x) = \langle p, y, \rightarrow \rangle[/math] , то [math]\langle w, q, xv \rangle \vdash \langle wy, p, v \rangle[/math] ,
если [math]\delta(q, x) = \langle p, y, \downarrow \rangle[/math] , то [math]\langle w, q, xv \rangle \vdash \langle w, p, yv \rangle[/math] .

Особо следует рассмотреть случай переходов по пробельному символу:

Очевидно, что определённое отношение является функциональным: для каждой конфигурации [math]C[/math] существует не более одной конфигурации [math]C'[/math] , для которой [math]C \vdash C'[/math] .

Для машины Тьюринга, которая пишет символ [math]B[/math] на ленту также можно дать аналогичное формальное определение. Оно будет отличаться тем, что символы в строчках конфигурации могут содержать пробелы, и для того, чтобы эти строчки имекли конечную длину, нужно аккуратно учесть наличие пробелов при записи правил перехода.

Машину Тьюринга можно рассматривать как распознаватель слов формального языка. Пусть [math]M[/math] — машина Тьюринга, распознаваемый ей язык определяется как [math]\mathcal L(M) = \< x \in \Sigma^* \mid \exists y, z \in \Pi^*: \langle \varepsilon, S, x \rangle \vdash^* \langle y, Y, z \rangle \>[/math] .

Также можно рассматривать машины Тьюринга как преобразователь входных данных в выходные. Машина [math]M[/math] задаёт вычислимую функцию [math]f[/math] , причём [math]f(x) = y \Leftrightarrow \exists z \in \Pi^* : \langle \varepsilon, S, x \rangle \vdash^* \langle z, Y, y \rangle[/math] . Переход автомата в состояние [math]N[/math] можно интерпретировать как аварийное завершение программы (например, при некорретном входе).

Примеры машин-распознавателей и машин-преобразователей будут даны ниже.

Для начала приведём пример машины-преобразователя, которая прибавляет единицу к числу, записанному на ленте в двоичной записи от младшего бита к старшему. Алгоритм следующий:

в стартовом состоянии головка идёт вправо от младшего бита к старшему, заменяя все единицы на нули,
встретив нуль или пробельный символ головка записывает единицу, после чего переходит в состояние [math]R[/math] ,
в состоянии [math]R[/math] головка идёт влево от старшего бита к младшему, не изменяя символы 0 и 1 на ленте,
встретив в состоянии [math]R[/math] пробельный символ, головка перемещается на один символ вправо и переходит в состояние [math]Y[/math] , завершая работу.

Формально: [math]\Sigma = \[/math] , [math]\Pi = \[/math] , [math]Q = \[/math] . Таблица функции [math]\delta[/math] приведена ниже:

[math]0[/math]	[math]1[/math]	[math]B[/math]
[math]S[/math]	[math]\langle R, 1, \downarrow \rangle[/math]	[math]\langle S, 0, \rightarrow \rangle[/math]	[math]\langle R, B, \leftarrow \rangle[/math]
[math]R[/math]	[math]\langle R, 0, \leftarrow \rangle[/math]	[math]\langle R, 1, \leftarrow \rangle[/math]	[math]\langle Y, B, \rightarrow \rangle[/math]

В качестве примера машины-распознавателя приведём машину, распознающую палиндромы над алфавитом [math]\[/math] . Алгоритм следующий:

если строка на ленте — пустая, то перейти в допускающее состояние
надо запомнить первый символ слова в состоянии автомата,
стереть его,

перейти в конец ленты:

если оставшаяся строка на ленте — пустая, то перейти в допускающее состояние
если последний символ совпадает с запомненным, стереть его, перейти в начало ленты и повторить с первого шага
в случае несовпадения перейти в отвергающее состояние

Формально: [math]\Sigma = \[/math] , [math]\Pi = \[/math] , [math]Q = \[/math] . Таблица функции [math]\delta[/math] приведена ниже:

[math]0[/math]	[math]1[/math]	[math]B[/math]
[math]S[/math]	[math]\langle F_0, B, \rightarrow \rangle[/math]	[math]\langle F_1, B, \rightarrow \rangle[/math]	[math]\langle Y, B, \downarrow \rangle[/math]
[math]F_0[/math]	[math]\langle F_0, 0, \rightarrow \rangle[/math]	[math]\langle F_0, 1, \rightarrow \rangle[/math]	[math]\langle B_0, B, \leftarrow \rangle[/math]
[math]F_1[/math]	[math]\langle F_1, 0, \rightarrow \rangle[/math]	[math]\langle F_1, 1, \rightarrow \rangle[/math]	[math]\langle B_1, B, \leftarrow \rangle[/math]
[math]B_0[/math]	[math]\langle R, B, \leftarrow \rangle[/math]	[math]\langle N, 1, \downarrow \rangle[/math]	[math]\langle Y, B, \downarrow \rangle[/math]
[math]B_1[/math]	[math]\langle N, 0, \downarrow \rangle[/math]	[math]\langle R, B, \leftarrow \rangle[/math]	[math]\langle Y, B, \downarrow \rangle[/math]
[math]R[/math]	[math]\langle R, 0, \leftarrow \rangle[/math]	[math]\langle R, 1, \leftarrow \rangle[/math]	[math]\langle S, B, \rightarrow \rangle[/math]

В этом разделе приведены различные варианты машин Тьюринга, которые не отличаются от обычных машин Тьюринга по вычислительной мощности.

Машиной Тьюринга с [math]n[/math] дорожками называется вычислитель, аналогичный машине Тьюринга, лишь с тем отличием, что лента состоит из [math]n[/math] дорожек, на каждой из которых записаны символы ленточного алфавита. У многодорожечной машины одна головка, которая за один шаг переходит в одном направлении на всех дорожках одновременно. Соответственно, функция перехода имеет тип [math]\delta : Q \times \Pi^n \to Q \times \Pi^n \times \<\leftarrow, \rightarrow, \downarrow\>[/math] . Многодорожечная машина Тьюринга тривиально эквивалентна обычной с ленточным алфавитом [math]\Pi' = \Pi^n[/math] .

Заменив у машины Тьюринга бесконечную в обе стороны ленту на бесконечную в одну сторону, мы не теряем в вычислительной мощности. По произвольной машине Тьюринга строится двухдорожечная машина с полубесконечной лентой.

Для любой машины Тьюринга существует эквивалентная машина Тьюринга, работающая на полубесконечной ленте.

Существует алгоритм, по которому для любой машины Тьюринга может быть построена эквивалентная машина Тьюринга с объявленным свойством. Сначала занумеруем ячейки рабочей ленты машины Тьюринга с бесконечной лентой следующим образом:

Затем перенумеруем ячейки, и запишем символ [math]c \in \Pi \setminus \Sigma, B[/math] в начало ленты, который будет означать границу рабочей зоны:

Наконец, изменим машину Тьюринга, удвоив число её состояний, и изменим сдвиг головки так, чтобы в одной группе состояний работа машины была бы эквивалентна её работе в заштрихованной зоне, а в другой группе состояний машина работала бы так, как исходная машина работает в незаштрихованной зоне. Если при работе машины Тьюринга встретится символ [math]c[/math] , значит головка достигла границы рабочей зоны:

В отличие от многодорожечной машины Тьюринга, ленты не зависят друг от друга и головки во время одного шага могут перемещаться по-разному. То есть, функция перехода теперь имеет тип [math]\delta : Q \times \Pi^n \to Q \times \Pi^n \times \<\leftarrow, \rightarrow, \downarrow\>^n[/math] .

Многоленточная машина с [math]n[/math] дорожками эмулируется многодорожечной машиной с [math]2n[/math] дорожками следующим образом: каждая нечётная дорожка соответствует ленте исходной машины, а на каждой чётной дорожке отмечены специальным символом [math]*[/math] позиция головки на ленте выше (считаем, что ленты нумеруются сверху вниз).

Каждый шаг исходной машины эмулируется конечной последовательностью шагов построенной машины следующим образом: исходно головка находится в позиции самой левой отметки и идёт вправо до самой правой отметки, запоминая прочитанные около символов [math]*[/math] символы в состоянии. Пройдя до самой правой отметки, головка возвращается влево, совершая необходимые действия (переписывая символы около отметок и передвигая сами отметки). После такого прохода головка переходит в следующее состояние, завершая эмуляцию шага.

Аланом Тьюрингом было сформулировано следующее утверждение:

Иными словами, тезис говорит о том, что любой алгоритм можно запрограммировать на машине Тьюринга.

Существует машина Тьюринга, которая принимает на вход закодированное описание произвольной машины и входную строку и эмулирует работу закодированной машины на заданном входном слове. Иными словами, универсальный язык перечислим с помощью машины Тьюринга. Ссылки на явные конструкции универсальных машин Тьюринга приведены ниже.

Содержание

Введение

Про машину Тьюринга, пожалуй, должен знать любой школьник, мечтающий стать программистом. Ведь именно её считают основой основ теории алгоритмов. Конечно, это не инженерное устройство, не изобретение наподобие арифмометра, а что-то вроде демона Максвелла: изначально абстрактное порождение мысли очень умного человека, Алана Тьюринга, который, позаимствовав идею у Эмиля Поста, придумал её, как считается, в 1936 году. Несмотря на довольно сложное формальное определение, идея в принципе проста. Чтобы понять её, давайте прогуляемся по страницам Википедии.

Машина Тьюринга

Машина Тьюринга (МТ) — математическая абстракция, представляющая вычислительную машину общего вида. Была предложена Аланом Тьюрингом в 1936 году для формализации понятия алгоритма.

Машина Тьюринга является расширением модели конечного автомата и, согласно тезису Чёрча — Тьюринга, способна имитировать (при наличии соответствующей программы) любую машину, действие которой заключается в переходе от одного дискретного состояния к другому.

В состав Машины Тьюринга входит бесконечная в обе стороны лента, разделённая на ячейки, и управляющее устройство с конечным числом состояний.

Управляющее устройство может перемещаться влево и вправо по ленте, читать и записывать в ячейки символы некоторого конечного алфавита. Выделяется особый пустой символ, заполняющий все клетки ленты, кроме тех из них (конечного числа), на которых записаны входные данные.

В управляющем устройстве содержится таблица переходов, которая представляет алгоритм, реализуемый данной Машиной Тьюринга. Каждое правило из таблицы предписывает машине, в зависимости от текущего состояния и наблюдаемого в текущей клетке символа, записать в эту клетку новый символ, перейти в новое состояние и переместиться на одну клетку влево или вправо. Некоторые состояния Машины Тьюринга могут быть помечены как терминальные, и переход в любое из них означает конец работы, остановку алгоритма.

Машина Тьюринга называется детерминированной, если каждой комбинации состояния и ленточного символа в таблице соответствует не более одного правила, и недетерминированной в противном случае.

Итак, машина Тьюринга — математическая абстракция, умозрительное построение человеческого разума: в природе её нет. Или есть? Сразу приходит на ум, как работает живая клетка. Хотя бы два примера.

1. Для производства белков в клетке с помощью сложно устроенного фермента — РНК-полимеразы — считывается информация с ДНК, своего рода информационной ленты машины Тьюринга. Здесь, правда, не происходит перезапись ячеек самой ленты, но в остальном процесс весьма похож: РНК-полимераза садится на ДНК и двигается по ней в одном направлении, при этом она синтезирует нить РНК — нуклеиновой кислоты, сходной с ДНК. Готовая РНК, отсоединяясь от фермента, несёт информацию к клеточным органеллам, в которых производятся белки.

Молекулярный компьютер

Биомолекулярные вычисления или молекулярные компьютеры или даже ДНК- или РНК-вычисления — все эти термины появились на стыке таких различных наук как молекулярная генетика и вычислительная техника.

Биомолекулярные вычисления — это собирательное название для различных техник, так или иначе связанных с ДНК или РНК. При ДНК-вычислениях данные представляются не в форме нулей и единиц, а в виде молекулярной структуры, построенной на основе спирали ДНК. Роль программного обеспечения для чтения, копирования и управления данными выполняют особые ферменты.

Основой всей системы хранения биологической информации, а стало быть, и ДНК-компьютеров, является способность атомов водорода, входящих в азотистые соединения (аденин, тимин, цитозин и гуанин), при определенных условиях притягиваться друг к другу, образуя невалентно связанные пары. С другой стороны, эти вещества могут валентно связываться с сочетаниями молекулы сахара (дезоксирибозы) и фосфата, образуя так называемые нуклеотиды. Нуклеотиды, в свою очередь, легко образуют полимеры длиной в десятки миллионов оснований. В этих супермолекулах фосфат и дезоксирибоза играют роль поддерживающей структуры (они чередуются в цепочке), а азотистые соединения кодируют информацию.

Молекула получается направленной: начинается с фосфатной группы и заканчивается дезоксирибозой. Длинные цепочки ДНК называют нитями, короткие — олигонуклеотидами. Каждой молекуле ДНК соответствует еще одна ДНК — так называемое дополнение Ватсона — Крика. Она имеет противоположную направленность, нежели оригинальная молекула. В результате притяжения аденина к тимину и цитозина к гуанину получается знаменитая двойная спираль, обеспечивающая возможность удвоения ДНК при размножении клетки. Задача удвоения решается с помощью специального белка-энзимы — полимеразы. Синтез начинается только если с ДНК прикреплен кусочек ее дополнения, Данное свойство активно используется в молекулярной биологии и молекулярных вычислениях. По сути своей ДНК + полимераза — это реализация машины Тьюринга, состоящая из двух лент и программируемого пульта управления. Пульт считывает данные с одной ленты, обрабатывает их по некоторому алгоритму и записывает на другую ленту. Полимераза также последовательно считывает исходные данные с одной ленты (ДНК) и на их основе формирует ленту как бы с результатами вычислений (дополнение Ватсона — Крика).

Немножко фантастические перспективы только подогревают наше любопытство. Между тем, мы еще не всё выяснили относительно машины Тьюринга. Как вы помните, в статье из Википедии её назвали расширением конечного автомата. Что же это такое конечный автомат? На него, к счастью, даётся ссылка. Заходя по ней, узнаём, что:

Конечный автомат

Конечный автомат (в теории алгоритмов) — математическая абстракция, позволяющая описывать пути изменения состояния объекта в зависимости от его текущего состояния и входных данных, при условии что общее возможное количество состояний конечно. Конечный автомат является частным случаем абстрактного автомата. Конечный автомат может быть детерминированным или недетерминированным, в зависимости от того, имеется ли один или несколько вариантов его поведения на каком-то шаге.

Формально конечный автомат определяется как пятёрка

M = ( K , Σ , π , s , F )

Конечные автоматы широко используются на практике, например в синтаксических анализаторах, а также в других случаях когда количество состояний объекта и переходов между ними сравнительно невелико.

Итак, мы выяснили, что на конечном автомате цепочка определений не прерывается. Есть еще некий абстрактный автомат. Что же говорит по его поводу Википедия?

Абстрактный автомат

Абстра́ктный автома́т (в теории алгоритмов) — математическая абстракция, модель дискретного устройства, имеющего один вход, один выход и в каждый момент времени находящегося в одном состоянии из множества возможных. На вход этому устройству поступают символы одного языка, на выходе оно выдаёт символы (в общем случае) другого языка.

Формально абстрактный автомат определяется как пятёрка

A = ( S , X , Y , δ , λ )

Для уточнения свойств абстрактных автоматов введена классификация.

Абстрактные автоматы образуют фундаментальный класс дискретных моделей как самостоятельная модель, и как основная компонента машин Тьюринга, автоматов с магазинной памятью, конечных автоматов и других преобразователей информации.

Модель абстрактного автомата широко используется, как базовая, для построения дискретных моделей распознающих, порождающих и преобразующих последовательности символов.

Надеюсь, после этого объяснения вам стало немного яснее, что же такое машина Тьюринга?

Давайте вернёмся к истории этого термина.

Алан Тьюринг

Тьюринг, Алан Матисон (23 июня 1912 — 7 июня 1954) — английский математик, логик, криптограф, изобретатель Машины Тьюринга.

Тест Тьюринга

Ежегодно производится соревнование между разговаривающими программами, и наиболее человекоподобной, по мнению судей, присуждается приз Лебнера (Loebner). Есть дополнительный приз для программы, которая, по мнению судей, пройдёт тест Тьюринга. Этот приз ещё не присуждался.

Самый лучший результат в тесте Тьюринга показала программа A.L.I.C.E. выиграв тест 3 раза (в 2000, 2001 и 2004).

Ссылки

Возвращаемся опять к машине Тьюринга. В выдержке из статьи про Алана Тьюринга утверждается, что впервые понятие машины Тьюринга было предложено в составе т. н. тезиса Чёрча-Тьюринга:

Любая интуитивно вычислимая функция является частично вычислимой, или, эквивалентно, может быть вычислена с помощью некоторой машины Тьюринга.

Алан Тьюринг высказал предположение (известное как Тезис Чёрча-Тьюринга), что любой алгоритм в интуитивном смысле этого слова может быть представлен эквивалентной машиной Тьюринга. Уточнение представления о вычислимости на основе понятия машины Тьюринга (и других эквивалентных ей понятий) открыло возможности для строгого доказательства алгоритмической неразрешимости различных массовых проблем (то есть проблем о нахождении единого метода решения некоторого класса задач, условия которых могут варьироваться в известных пределах). Простейшим примером алгоритмически неразрешимой массовой проблемы является так называемая проблема применимости алгоритма (называемая также проблемой остановки). Она состоит в следующем: требуется найти общий метод, который позволял бы для произвольной машины Тьюринга (заданной посредством своей программы) и произвольного начального состояния ленты этой машины определить, завершится ли работа машины за конечное число шагов, или же будет продолжаться неограниченно долго.

Те́зис Чёрча—Тью́ринга

Те́зис Чёрча—Тью́ринга — фундаментальное утверждение для многих областей науки, таких, как теория вычислимости, информатика, теоретическая кибернетика и др. Это утверждение было высказано Алонзо Чёрчем и Аланом Тьюрингом в середине 1930-х годов.

В самой общей форме оно гласит, что любая интуитивно вычислимая функция является частично вычислимой, или, эквивалентно, может быть вычислена с помощью некоторой машины Тьюринга.

Физический тезис Чёрча—Тьюринга гласит: Любая функция, которая может быть вычислена физическим устройством, может быть вычислена машиной Тьюринга.

С этого перекрёстка можно двинуться в сторону, к примеру, теории вычислимости. А можно попытаться выяснить, кто такой этот загадочный Чёрч, вместе с которым Алан Тьюринг выдвинул свой тезис.

Универсальная машина Тьюринга

Универсальной машиной Тью́ринга называют машину Тьюринга, которая может заменить собой любую машину Тьюринга. Получив на вход программу и входные данные, она вычисляет ответ, который вычислила бы по входным данным машина Тьюринга, чья программа была дана на вход.

Формальное определение

Теорема об универсальной машине Тьюринга утверждает, что такая машина существует и моделирует другие машины с не более чем квадратичным замедлением (то есть если исходная машина произвела t шагов, то универсальная произведёт не более ct 2 ). Доказательство у этой теоремы конструктивное (такую машину несложно построить, надо только аккуратно её описать). Теорема была предложена и доказана Тьюрингом в 1936-37 г.

Недетерминированная машина Тьюринга

Таким образом, для каждого массива входных данных имеется не один, а несколько (в общем случае — экспоненциальное число) путей, по которым может развиваться вычисление.

Класс алгоритмов, выполняемых за полиномиальное время на недетерминированных машинах Тьюринга, называется классом NP.

Вероятностная машина Тьюринга

Обобщение детерминированной машины Тьюринга, в которой из любого состояния и значений на ленте машина может совершить один из нескольких (можно считать, без ограничения общности — двух) возможных переходов, а выбор осуществляется вероятностным образом (подбрасыванием монетки).

Вероятностная Машина Тьюринга похожа на недетерминированную машину Тьюринга, только вместо недетерминированного перехода машина выбирает один из вариантов с некоторой вероятностью.

Существует также альтернативное определение:

Класс алгоритмов, завершающихся за полиномиальное время на вероятностной машине Тьюринга и возвращающих ответ с ошибкой менее 1/3, называется классом BPP.

Читайте также: