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定义Definition

交替奇偶字自动机

Alternating parity word automaton

让正布尔转移组合存在选择与同时义务,以运行树的全部分支判断同一无限字,并解释对偶补集。

形式陈述 ​

交替奇偶字自动机将普通奇偶自动机的后继集合,改为状态上的正布尔公式:

A=(Q,Σ,q0,δ,Ω),δ:Q×Σ→B+(Q).

B⁺(Q)由状态原子、∧、∨、true、false组成,不使用对状态原子的否定。一次转移 q1∨(q2∧q3) 表示:可以选择只承担q₁的后续任务,或者同时承担q₂和q₃的任务。

固定输入字 w=a0a1⋯。运行不再是一条路径,而是一棵可能无限的有限分支前缀树:根标q₀,深度i的节点读同一个aᵢ;若节点标q,选择一个满足δ(q,aᵢ)的集合S⊆Q,为每个s∈S恰放一个标s的孩子,因此每个节点至多有|Q|个孩子。不同孩子都从同一个输入后缀aᵢ₊₁aᵢ₊₂…继续,输入本身没有分成多棵树。

运行树接受,要求每条无限分支都满足min-even。若选择空孩子集合,它必须使当前转移公式成立,因而是合法成功的有限叶;false没有任何满足集合,不能通过制造一条有限死路逃过检查。

自动机接受w,当且仅当存在一棵运行树,使它的每条无限分支都接受,所有有限叶也合法。外层存在与内层全称是交替语义的核心。

直觉

∨让机器选择一条足够的证明路线,∧要求几份证明同时成立。要验证“后缀既满足A又满足B”,可以直接分叉,分别检查两个目标;不必先把它们手工合并成一个积状态。

“同时”是逻辑义务,不要求两台物理处理器真的同时执行。运行树只是记录各份检查如何展开;同一深度所有副本仍读同一输入位置。有限树自动机则是在读取本来就分叉的有限数据,二者的树来自不同地方:这里输入仍是一条无限字,树来自运行中的逻辑义务;那里输入本身就是树,运行在各输入节点赋状态。

∨选择一个方案;∧产生两份同后缀义务。q2的偶环不能抵消q3的奇环。
例子与边界

存在一条好分支仍然失败 ​

字母表Σ={a,b},状态Q={q₀,q₁,q₂,q₃},优先级分别为2、1、0、1。完整转移为

δ(q0,a)=δ(q0,b)=q1∨(q2∧q3),δ(q1,a)=q1,δ(q1,b)=q2,δ(q2,a)=δ(q2,b)=q2,δ(q3,a)=δ(q3,b)=q3.

对 aω,根选q₁会永远留在优先级1,失败;根选q₂∧q₃时,q₂分支在0上成功,但q₃分支在1上失败。因此不存在接受运行树。找出一条q₂好分支,不足以证明输入被接受。

对 abaω,根消耗第一个a并选q₁;q₁读到第二个字母b后转q₂,随后永留0,得到接受运行树。注意下标:q₀的转移已经消耗第一个字母,q₁检查的是后缀,不可把它重新从第一个a读起。

true与false怎样处理 ​

若δ(q,a)=true,可选空后继,当前义务在此成功结束。若δ(q,a)=false,没有合法运行树能包含这一步。对δ(q,a)=q₁∧true,可以只产生q₁孩子;对q₁∨true,可以选择空孩子。

允许有限成功分支不改变无限分支的奇偶要求。若转移要求q₁,擅自不给孩子就不满足公式,即使“所有无限分支都接受”在空集上为真,这也不是合法运行。

对偶化同时翻转两种选择 ​

标准交替对偶构造把∧、∨互换,true、false互换,并将每个优先级加1。对偶自动机接受原语言的补集。逻辑层面,外层“存在一种安排使所有分支成功”被交换成“对每种安排,都能指出一个失败分支”;奇偶翻转使同一条无限路径的成功与失败互换。

这一定理的无限部分需要接受博弈的确定性,而不只是有限公式的德摩根律。在固定无限字的接受博弈中,存在方选择∨,对手选择∧的一条待检分支,读字位置持续前进;一般输入产生可能无限的博弈图。对最终周期字,位置可压缩成有限的前缀/周期积,再使用有限奇偶博弈理论。

在上面的 aω 例子中,对偶根转移为q₁∧(q₂∨q₃)。对偶q₁优先级2,可以一直成功;右侧选对偶q₃,优先级同为2,也成功,因此对偶接受。对 abaω,强制存在的q₁分支读b后进入对偶q₂,其优先级为1,故对偶拒绝。两个结果都与原判断相反。

推论与应用

仅有∨时,先按布尔恒等式简化公式,再把原子析取作为非确定后继集合。要使用只接受无限运行的普通奇偶自动机接口,true 转到一个新设的偶优先级吸收状态,false 则不给后继;这样有限成功叶与失败步骤都被正确保留。仅有∧时则要求所有指定后继都通过,形成全称模型;若它也统一采用无限运行,可把 true、false 分别接到偶、奇优先级吸收状态。Büchi的接受条件也可放进交替模型,但本页选择多优先级条件,以便对偶后仍留在同一类表示中。

交替便于按逻辑公式的∧/∨结构组合检查器,也常用作时序逻辑到自动机之间的紧凑中间层。它没有把“存在接受运行”变成实际控制器可随意调用的预言;控制器是否能在线选择输出,还要另外固定环境输入与行动时机。

显式展开运行树可能指数分叉甚至无限增长,不能从单步公式很短推出判定代价很低。算法常共享同层相同义务,或转成有限图上的博弈/非确定自动机;这种共享与去交替需要各自的正确性和规模分析。

参考资料
关系图谱9 个相邻概念 · 2 类关系

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