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双自动机传导

Bimachine transduction · Bimachine · 双机转导

以左、右两个确定自动机提供前缀与后缀状态,并由二者共同决定局部输出的有理函数表示。

条目类型
模型

形式陈述

一个 bimachine 由左自动机 L、右自动机 R 和输出函数组成。两者都是确定有限自动机式的有限控制,但 L 从左向右读,R 从右向左读。对 w=a1an,令

0=iL,i=δL(i1,ai),rn=iR,ri1=δR(ri,ai).

于是输出可写为

λ(r0)ω(0,a1,r1)ω(n1,an,rn)ρ(n),

其中 ω 产生位置输出,λ,ρ 分别给初始与终止输出;这些函数未定义时输入不在定义域。右状态 ri 只概括位置 i 之后的后缀,不包含当前字符 ai

经典 Schützenberger–Eilenberg 表示定理断言:bimachine 所实现的偏函数恰是函数型有理传导。等价限定在一向 NFT 的 rational functions;不是所有 regular functions,也不是任意多值有理关系。

直觉

顺序转导器在位置 i 只知道左侧历史,bimachine 额外拿到一个有限的右侧摘要。它并未在运行时猜测未来:右自动机先从末端计算每个后缀状态,左自动机再正向输出;也可离线预计算右状态数组后一次正扫。

右摘要只能表达正则性质,例如“后面是否还有 b”“到末尾的长度模 3 是多少”。它不能保存整个后缀或给出无界计数。有限右状态足以把 NFT 中由未来验证的非确定选择变成确定局部输出。

初始输出依赖 r0,因此可以根据整个输入所属的有限右同余类先写固定前缀;终态输出依赖 n。删掉两端函数会缩小具体语法,虽然常能借端标记重新编码。比较文献时必须说明端标记或端输出采用哪一种。

例子与边界

定义函数:每个 a 若其右侧还出现 b 就改写成 x,否则保留为 a;其他字符原样输出。右自动机只有状态 N(后缀无 b)和 B(后缀有 b),从右向左读到 b 后进入并保持 B

输入 aaba 的右侧摘要依位置为

位置字符aaba其后缀含 b?BBNN

因此四个局部输出依次为 xxba,结果 xxba。左自动机在这个例子中可只有一个状态;λρ 都输出 ε

同一函数可由 NFT 在读开头的 a 时猜测未来有无 b,再由后缀验证;bimachine 把猜测换成确定右状态。它通常不是 subsequential:对输入族 ananb,前 n 个输出分别应为 anxn,正向确定机在看到末字符前没有可安全写出的非空公共前缀。

在至少含两个符号的字母表上,bimachine 不能实现无界反转。右自动机虽从右读,却只把有限状态交给输出函数,并不把读到的后缀逐字保存;每个位置的输出仍按原位置从左到右连接。单字母表上的反转退化为恒等函数;把“有一台反向自动机”误解为“可以倒序吐出全部输入”,才会把 rational 与 regular functions 混为一谈。

推论与应用

每个 rational function 都有确定 bimachine 表示,即使没有等价 subsequential 转导器。这把“语义唯一”与“可在线单向确定输出”彻底分开:前者保证 bimachine 存在,后者还要满足孪生性质。

Bimachine 也支持规范化与最小化研究。左、右自动机分别对应输入前缀和后缀的有限同余;不同表示可以在两侧之间交换状态复杂度,因此一般不存在像最小 DFA 那样只按一个状态数排序的朴素唯一最小机,需固定一侧同余或采用规范构造。

在带正则 lookahead 的重写、词形消歧和逻辑刻画中,bimachine 是有用中介:NFT 给紧凑关系式描述,bimachine 给确定执行,代数同余则给可判定性质。若转换含反转或跨位置重排,应转向 regular function 模型,而不是继续扩大右自动机。

参考资料
  • Samuel Eilenberg, Automata, Languages, and Machines, Vol. A, Academic Press, 1974, §11.7, Theorem 7.1.
  • Marcel-Paul Schützenberger, “Sur une variante des fonctions séquentielles,” Theoretical Computer Science 4(1), 1977, pp. 47–57.
  • Christophe Reutenauer and Marcel-Paul Schützenberger, “Minimization of Rational Word Functions,” SIAM Journal on Computing 20(4), 1991, pp. 669–685.
  • Emmanuel Filiot, Olivier Gauwin, and Nathan Lhote, “Logical and Algebraic Characterizations of Rational Transductions,” Logical Methods in Computer Science 15(4), 2019, §§2–4.
关系图谱4 个相邻概念 · 3 类关系

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