11. Операции над языками

Несмотря на то, что формальные языки представляют собой множество цепочек вида L(G) = { V*}, использование теоретико-множественных операций ограничено. Так для класса КС-языков можно применять операции объединения, но недопустимо использовать операции пересечения и дополнения. Если дан язык L(G) = { V*}, то дополнением языка L(G) будет множество цепочек, не принадлежащих V*. Это могут быть любые цепочки любых символов. Следовательно, это множество не определено. Если даны два языка L₁ и L₂, то операцию их пересечения можно записать так: (L₁L₂) = (L₁L₂). Но множество цепочек языков L₁ и L₂ не определено. Следовательно, невозможно реализовать операцию пересечения двух языков L₁ и L₂. Поэтому говорят, что класс КС-языков замкнут для операции объединения и не замкнут для операций пересечения и дополнения . Были выделены дополнительные операции умножения, деления, подстановки, итерации, расширившие возможности формирования новых цепочек и новых языков.

Операция умножения. Если даны цепочки _,_ V* одного языка L(G) V*, то бинарная операция умножения ставит в соответствие каждой паре цепочек _ и_ новую цепочку __полученную в результате приписывания справа к цепочке _ цепочки _

Операцию умножения чаще называют конкатенацией или операцией соединения.

Любую цепочку любого языка можно рассматривать как конкатенацию ее подцепочек и, в частности, как конкатенацию составляющих ее символов.

Можно также говорить о конкатенации языков L₁ и L₂. При этом формируется новый язык:

L = L₁ L₂ = { ₁₂₁ L₁V₁*₂L₂V₂*} . V₁* V₂* . ( 28 )

Если L₁ = L₂ = L, то операцию конкатенации можно записать как обычную мультипликативную операцию, т.е.

LL = L₂, LLL = L₃ и т.д. ( 29 )

Для пустой цепочки  выполняется соотношение

  = , для любого  V*. ( 30 )

Операция конкатенации - ассоциативна, т.е.

( ₁₂)₃ = ₁(₂₃) = ₁₂₃ . ( 31 )

Можно отметить, что алгебра с одной ассоциативной бинарной операцией - умножением называется полугруппой.

Операция деления. Пусть ₁=₁₂L₁V₁* и ₂=₂L₂V₂*,

Если для цепочек двух языков L₁ и L₂ существуют одинаковые "хвосты", то в результате выполнения операции деления будут выделены цепочки, являющиеся "головами" для цепочек языка L1, т.е.

L = L₁/L₂ = { ₁ | ₁₂L₁V₁*, ₂L₂V₂* } . ( 32 )

Пусть ₂=₂₁L₁V₁* и ₂=₂L₂V₂*,

Если для цепочек двух языков L₁ и L₂ существуют одинаковые "головы", то в результате выполнения операции деления будут выделены цепочки, являющиеся "хвостами" для цепочек языка L1,т.е.

L=L₁/L₂={₁ | ₂₁L₁V₁*, ₂L₂V₂* } . ( 33 )

Операция подстановки. Пусть даны язык L с грамматикой

G=V_T; V_N;J; P и язык L₁ с грамматикой G₁=V_T1;V_N1;J₁;P₁. Среди множества терминальных символов языка L выделен символ "a", определяющий возможность перехода к языку L1, т.е. "a" V_T и ("a" L₁)Тогда при появлении символа "a" в цепочке  L оказывается возможным выполнить подстановку цепочки ₁ L₁. Так формируется новый язык :

L* = L ( "a" L₁). ( 34 )

Если дано множество языков L₁, L₂, ...L_n и язык L, у которого среди множества терминальных символов выделены символы "a₁","a₂",..."a_n", то для цепочки LV* , содержащей символ "a_i", возможен переход к языку L_i путем замены символа "a_i" цепочкой _iL_iV_i*. Так формируется язык L*=L("a_i"L_i). Обобщением этой операции на множество языков является подстановка нескольких языков в язык L , при которой вместо каждого вхождения символа "a_i" подставляется некоторая цепочка соответствующего языка, т.е.

L* = ( "a₁"L₁, "a₂"L₂, ... "a_n"L_n ). ( 35 )

Операции над языками L_i и L, где i = 1, 2,...n, порождающие цепочки нового языка * L* путем замены символов "a_i" языка L цепочками соответствующего языка _i L_i и подстановки их в цепочки  L V* называют также суперпозицией, а оператор суперпозиции записывают так:

S(L; "a₁"; "a₂"; ... "a₂"| L₁,L₂,...L_n ). ( 36 )

Главное достоинство операции подстановки заключается в том, что она имеет тот же характер,что и правила КС-грамматики. Следовательно, подстановка цепочек КС-языка в другой КС-язык может быть представлена как подстановка КС-грамматики в другую КС-грамматику, дающая снова КС-грамматику. Отсюда следует, что класс КС- языков замкнут относительно операций подстановки и конкатенации.

Операция итерации. Объединение множества языков L_i, каждый из которых порожден языком L путем многократного умножения, называют итерацией языка, т.е.

L* = L₀  L₁ L₂ ...  L_n=_i=0ⁿVⁱ , где L₀ = {  }. ( 37 )

Если i = 1,2,...n, то итерацию называют усеченной, т.е.

L* = L1 L2 ...  Ln=_i=1ⁿVⁱ ( 38 )