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定义Definition

可识别语言

Turing-recognizable language · Recursively enumerable language

存在图灵机对语言内输入接受、对语言外输入可拒绝或不停机的语言。

形式陈述 ​

形式语言 L⊆Σ∗ 称为图灵可识别语言,若存在图灵机 M 满足:当 w∈L 时,M 最终接受;当 w∉L 时,M 可以拒绝,也可以永不停机。若对所有输入都停机,则 M 是判定器,L 可判定。等价地,可识别语言可以由枚举器列出;并且

L 可判定⟺L 与 L― 都可识别.

这里补集相对于同一个 Σ∗。反向构造交替推进两个识别器,只在某一侧接受时返回相应答案;某侧拒绝可以把该侧停住,却不能因此停止推进另一侧。每个字恰好属于一边,保证必有一侧最终接受。

直觉

识别器提供单边可靠性:对“是”实例必须最终给出接受证据,非成员却可能被拒绝,也可能一直搜索、永远运行。因而“接受”是可有限验证的事件,“尚未接受”不是结论。这个不对称恰好容纳无界搜索——只要见证存在,按系统方式枚举总会找到;不存在见证时没有统一的停止时刻。判定器则必须在有限时间内同时解决正反两面。

上轨的成员必在有限步接受;下轨的非成员可以拒绝,也可以无限运行。
例子与边界

接受问题 ATM={⟨M,w⟩:M 接受 w} 可识别:直接模拟 M;它不可判定,其补语言也不可识别。一个有限语言当然可判定,因而可识别。可识别不等于“随机试验最终大概率发现”,定义要求每个成员输入确定地在有限步内被接受。

语言 NONEMPTYTM={⟨M⟩:L(M)≠∅} 可识别。先按长度再按字典序列出 w0,w1,…;第 s 轮把前 s+1 个输入各自从头模拟 s 步,发现接受便接受机器编码。若某个 wj 在 t 步接受,轮次 s≥max(j,t) 就一定找到它,每轮又都是有限工作。重复模拟虽然低效,却清楚证明所有有限成功运行都会被覆盖。

不能先把 M(w0) 跑完再处理 w1:第一项可能永远循环,遮住后面的见证。若语言为空,各轮仍可继续而永远不接受;Rice 定理说明不存在统一判定器把这种无限等待普遍转换成否定答案。

识别器若在非成员上始终明确拒绝,它就已经是判定器。概率上偶尔接受错误实例的过程也不是这里的识别器,因为定义要求语言恰好等于被接受输入集合,而非高概率近似。

推论与应用

可识别性刻画半判定过程、定理枚举和存在性搜索,建立递归可枚举集合、部分可计算函数定义域与图灵机接受语言之间的对应;在Chomsky 层级中,它正是最一般的 Type 0 语言层。枚举器与识别器等价:可交错模拟所有输入并输出被接受者,也可等待枚举器打印当前输入。若 L 与补语言都可识别,则并行运行两台机器得到判定器;这把余可识别语言与可判定性精确连接起来。

Martin-Löf 随机性把这种枚举机制用于描述无限比特序列的异常:程序统一列出带层号的有限前缀,每层所覆盖的概率受给定预算限制。关键是同一台程序描述整列检验;仅仅让每一层各自存在一个枚举器,会丢失所需的统一有效性。

余可识别性把保证接受的一侧换成补集。两类在可判定语言处重合,但彼此都不包含:停机集可识别而不余可识别,其补集恰好相反。单边证据的方向不同,不能由同样允许发散就把两种定义混为一谈。

参考资料
  • Scott Aaronson, 6.045J Lecture 7: Decidability, MIT OpenCourseWare, 2011,识别、判定与通用模拟。

  • Michael Sipser, Introduction to the Theory of Computation, 3rd ed., Cengage, 2013,Chs. 3–4, Turing-recognizable and decidable languages。

  • Alan M. Turing, “On Computable Numbers, with an Application to the Entscheidungsproblem,” Proceedings of the London Mathematical Society, 1936,Full paper, computable sequences and machine enumeration。

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