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定义Definition

奇偶自动机

Parity automaton · Deterministic parity automaton

用无限重复的最小优先级决定接受,明确确定/非确定量词、有限前缀和min-even约定。

形式陈述 ​

奇偶自动机保留有限自动机的有限控制图,但输入是一条无限字母序列。设

A=(Q,Σ,δ,Q0,Ω),Ω:Q→{0,…,d}.

Q与字母表Σ有限,δ(q,a)⊆Q,Q₀为初态集。输入 w=a0a1⋯ 上的运行是 ρ=q0q1⋯,满足 q0∈Q0 及 qi+1∈δ(qi,ai)。本单元统一使用min-even:运行接受,当且仅当无限出现的最小优先级为偶数,即

min{Ω(q):q∈Inf(ρ)}≡0(mod2).

有限Q保证每条无限运行至少有一个状态无限出现,所以最小值有定义。死路上的有限运行不接受;不存在后继不意味着它满足某个空的奇偶条件。

非确定自动机接受w,要求存在一条接受运行。确定完整自动机则只有一个初态,且每个(q,a)恰有一个后继,每个字对应唯一无限运行。这两种模式的量词不能混用。

直觉

较小的优先级有更强的长期裁决权,但必须无限出现才有资格裁决。一次访问优先级0不会永久赦免后面永不兑现的义务;同样,有限次访问优先级1也不必导致拒绝。

两优先级已经包含熟悉的特例。对Büchi接受集F,给F优先级0、其他状态1,便要求F无限出现。若希望坏状态B最终不再出现,则给B优先级1、其余状态2:坏状态无限出现时1胜出,只有有限次时最终由2接受。

多个优先级允许交叠的“除非更强事件反复发生,否则仍应满足下一层”条件。它不是把所有偶数状态简单并成一个Büchi集合;奇数与偶数的相对次序参与语义。

min-even:循环优先级0和1由0接受;循环1和2由1拒绝;有限1之后永远2仍接受。
例子与边界

三优先级的完整小自动机 ​

令Σ={a,b,c},状态qₐ、qᵦ、q𝚌分别表示刚读过哪一个字母,初态qᵦ。无论当前在哪,读a转qₐ,读b转qᵦ,读c转q𝚌。优先级为

Ω(qa)=0,Ω(qb)=2,Ω(qc)=1.

它接受的性质是:“a无限出现,或者最终永远只有b。”若a无限出现,0决定接受;若a仅有限出现,就需要c也仅有限出现,才能让2成为长期最小值。

输入 无限出现的状态优先级 最小值 结论
(ac)ω 0 接受
(bc)ω 1 拒绝
c100bω 2 接受
a100cω 1 拒绝

状态数有限不表示完整输入最终周期;这里只挑最终周期字,让判定能用一个有限周期核算。

min-even与max-even的翻译 ​

一些文献检查无限出现的最大优先级。不能直接拿同一组数字换“min”为“max”:循环{1,2}在min-even下拒绝,在max-even下接受。

若想等价变换,选一个不小于全部旧优先级的偶数D,令 Ω′(q)=D−Ω(q)。最大旧优先级对应最小新优先级,且减去偶数保持奇偶性。因此max-even(Ω)与min-even(Ω′)等价。若D为奇数,胜负反而会被翻转。

运行取补不总是语言取补 ​

对确定完整自动机,把每个优先级加1,唯一运行的最小无限优先级奇偶翻转,得到语言补集。完整性重要:原机若在某个字上无运行,加1以后仍无运行,就不会接受这个本应在补集里的字。

非确定模式下,加1只交换每条运行的接受与拒绝。原来是“存在接受运行”,补集应是“所有运行都拒绝”;改号后却变成“存在原来的拒绝运行”。一个字同时有一条好运行和一条坏运行时,两台非确定自动机都可能接受它。

推论与应用

确定与非确定奇偶自动机都能表示全部ω-正则语言,但转换可能增加状态。能够确定地跟踪输入,是后续控制器综合把环境选择与机器状态对应起来的重要接口,不意味着每个非确定Büchi图直接重新染色就能完成确定化。

奇偶条件只由Inf状态集决定。Rabin/Streett条件把长期要求组织成集合对,Muller条件直接列允许的Inf集合;它们的表达能力和实际状态/接受条件大小需要分别比较。

给定最终周期输入uvω(其中 v≠ε),在确定自动机上应跟踪“自动机状态、周期内位置”的有限积,直到整个积状态重复,再检查重复段的优先级。仅看输入周期v第一次经过的状态可能仍处在自动机的暂态,不能跳过这一步。

参考资料
关系图谱14 个相邻概念 · 3 类关系

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