Глава 3 эквивалентность и минимизация автоматов

3.1. Введение

В предыдущих главах было подчеркнуто, что в конечных автоматах не нужно ни наблюдать, ни интересоваться физической природой состояний. Единственная функция состояний заключается в том, чтобы участвовать в определении зависимостей между входами и выходами автомата. Следовательно, любое множество состояний, выполняющих эту функцию, является приемлемым независимо от того, выражают эти состояния какой-либо интуитивный смысл или нет. Эта свобода выбора множества состояний весьма выгодна, поскольку она позволяет заменять одно множество другим, что может оказаться удобным для многих целей. В частности, она позволяет найти оптимальное или минимальное, в том или другом смысле, множество состояний. При всех таких рассмотрениях понятие «эквивалентности» играет главную роль. Как станет видно из дальнейшего, это понятие не только является фундаментальным для более точного и краткого определения конечных автоматов, но проливает новый свет на всю проблему анализа конечных автоматов (так же как и синтеза)¹⁷.

3.2. Эквивалентность состояний

В дальнейшем будем применять обозначение М|σ краткой записи высказывания: «автомат М в состоянии σ».

Определение 3.1. Говорят, что состояние σ_i автомата М₁ и состояние σ_j автомата М₂ эквивалентны, если М₁| σ_i и М₂| σ_j - под воздействием любой входной последовательности выдают одинаковые выходные последовательности. Если σ_i и σ_j не эквивалентны, то говорят, что они различимы. Обозначения М₁ и М₂ могут относиться к одному и тому же автомату.

Таким образом, σ_i и σ_j эквивалентны тогда и только тогда, когда, наблюдая внешние выходы, нельзя отличить автомат M₁ находящийся в начальном состоянии σ_i, от автомата М₂, находящегося в начальной состоянии σ_j¹⁸. Состояния σ_i и σ_j различимы тогда и только тогда, когда имеется хотя бы одна входная последовательность, подача которой как на М₁| σ_i так и на М₂| σ_j дает на выходах различные последовательности.

Эквивалентность σ_i и σ_j обозначается равенством σ_i = σ_j, а различимость σ_i и σ_j — неравенством σ_i ≠σ_j. Пользуясь определением 3.1, можно легко показать, что эквивалентные состояния обладают свойством рефлексивности (σ_i = σ_j), свойством симметричности (если σ_i = σ_j; то σ_j = σ_i) и свойством транзитивности (если σ_i = σ_j и σ_j = σ_k, то σ_i = σ_k). Следовательно, эквивалентность состояний может рассматриваться как обычное соотношение эквивалентности, которое применимо к множествам состояний любой мощности. Различимость состояний не обладает свойствами рефлексивности и транзитивности и, следовательно, может относиться только к парам состояний.

В некоторых случаях эквивалентность или различимость двух состояний одного и того же автомата могут быть установлены исследованием таблицы переходов данного автомата, Некоторые из этих случаев описываются с помощью следующих трех лемм.

Лемма 3.1. Пусть σ_i и σ_j —состояния автомата М. Если строки σ_i и σ_j в подтаблице z_v автомата М различаются, то σ_i ≠σ_j.

Доказательство. Очевидно, существует по крайней мере один входной символ, при приложении которого к М|σ_i и к M|σ_j, на выходе М получаются различные выходные символы. Следовательно, по определению 3.1 σ_i ≠ σ_j.

Лемма 3.2. Пусть σ_i и σ_j — состояния автомата М. Если строки σ_i и σ_j в полной таблице переходов автомата М одинаковы, то σ_i = σ_j.

Доказательство. При приложении к М|σ_i и к M|σ_j любого входного символа выходные символы и следующие состояния в обоих случаях будут одинаковы. Поскольку М|σ_i и M|σ_j переходят в одно и то же состояние, их реакции на все подпоследовательности входных сигналов должны совпадать. Следовательно, по определению 3.1 σ_i = σ_j.

Лемма 3.3. Пусть σ_i и σ_j —состояния автомата М. Если строки σ_i и σ_j полной таблицы переходов автомата М становятся одинаковыми при замене каждого обозначения σ_i и σ_j (или наоборот), то σ_i = σ_j.

Доказательство. При приложении любого входного символа к М|σ_i и к M|σ_j выходные символы одинаковы в двух случаях: либо М|σ_i и M|σ_j переходят в одно и то же состояние, либо в состояния σ_i и σ_j (не обязательно соответственно). Если следующее состояние одно и то же, то реакции автомата на входные подпоследовательности будут совпадать. Если следующими состояниями являются σ_i и σ_j, то восстановится исходная ситуация, и приведенные выше соображения можно будет повторить, чтобы показать, что следующие выходные символы одинаковы в обоих случаях. Затем, по индукции, получим, что реакции при σ_i и σ_j на любую входную последовательность будут одинаковыми, откуда следует, что σ_i = σ_j

Пары строк, обладающие свойством, приведенным в лемме 3.1, называются явно различимыми, а состояния, стоящие в основном столбце в этих строках, — явно различимыми состояниями. Пары строк, обладающие свойствами,

указанными в леммах 3.2 и 3.3, называются явно эквивалентными, а состояния, стоящие в основном столбце в этих строках,—явно эквивалентными состояниями.

Таким образом, имеем:

Теорема 3.1. Если состояния σ_i и σ_j явно различимы, то σ_i ≠σ_j, а если состояния σ_i и σ_j, явно эквивалентны, то σ_i и σ_j.

Следует отметить, что утверждение, обратное теореме 3.1, несправедливо, т. е. не каждая пара различимых состояний является явно различимой и не каждая пара эквивалентных состояний явно эквивалентной. Используя определения, введенные в § 2.3, можно заключить, что в явно минимальном

автомате все пары состояний различимы, а в явно сократимом автомате имеется по крайней мере одна пара эквивалентных состояний.

Для иллюстрации лемм 3.1—3.3 рассмотрим автомат A6, представленный графом переходов, изображенным на рис. 3.1, и таблицей переходов 3.1. Из таблицы переходов видно, что строки 1 и 5 одинаковы, а строки 2 и 6 становятся одинаковыми, если каждую цифру 2 заменить на цифру 6 (или каждую цифру 6 заменить на цифру 2). Следовательно, состояния в парах {1,5} и {2, 6} являются эквивалентными. Рассмотрение подтаб-

лицы z_v показывает также, что ни одно состояние из множества {1, 4, 5, 8} не может быть эквивалентным какому-либо состоянию из множества {2, 3, 6, 7}.

3.3. k-эквивалентность

Для дальнейших обсуждений полезно ввести понятие «k-эквивалентности».

Определение 3.2. Состояние σ_i автомата М₁ и состояние σ_j, автомата М₂ называются k-эквивалентными, если при приложении к М|σ_i и к M|σ_j входной последовательности длины k они вырабатывают одинаковые выходные последовательности. Если σ_i и σ_j не являются k-эквивалентными, то они называются k-различимыми. Обозначения М₁ и М₂ могут относиться к одному и тому же автомату.

Таким образом, σ_i и σ_j являются k-эквивалентными тогда и только тогда, когда, прикладывая входные последовательности длины k и наблюдая сигналы на внешних выходах, невозможно отличить автомат М₁ в состоянии σ_i от автомата М₂ в состоянии σ_j. Состояния σ_i и σ_j являются k-различимыми тогда и только тогда, когда имеется хотя бы одна входная последовательность длины k, которая при приложении к М₁| σ_i и М₂| σ_j, вырабатывает разные выходные последовательности. Два k-различимых состояния, согласно определению, данному в § 3.2, являются явно различимыми. На основании определения 3.2 легко показать, что k-эквивалентные состояния обладают свойствами рефлексивности, симметричности и транзитивности. Следовательно, k-эквивалентность можно трактовать как обычное отношение эквивалентности, которое непосредственно применимо к множествам состояний любой мощности. С другой стороны, k-различимость не обладает свойствами рефлексивности и транзитивности, и, следовательно, это понятие применимо только к парам состояний.

Лемма 3.4. (а) Если два состояния являются k-эквивалентными, то они являются и i-эквивалентными для каждого i≤k. (б) Если два состояния являются k-различимыми, то они являются и l-различимыми для каждого l≥k.

Доказательство, (а) Пусть σ_i и σ_j являются k-эквивалентными, но различимыми при некоторой входной последовательности, скажем ε_i, длины l≤k. Тогда σ_i и σ_j должны быть различимы при входной последовательности ε_iε_k-i, где ε_k-i представляет собой любую входную последовательность длины k - l. Следовательно, σ_i и σ_j являются k-различимыми, что противоречит условию, (б) Пусть σ_i и σ_j выявляются k-различимыми, но l - эквивалентными для некоторого l - k. Однако, согласно (а), если σ_i и σ_j являются l - эквивалентными, они должны быть k-эквивалентными для каждого k≤l. Полученное противоречие доказывает справедливость утверждения (б).

Состояние, в которое переходит состояние σ_i, при подаче входной последовательности длины k называется k-м преемником σ_i, по отношению к этой последовательности. Нулевым преемником состояния является само состояние.

Теорема 3.2. Если состояния σ_i и σ_j являются k-эквивалентными и если их k-e преемники по отношению к любой входной последовательности длины k являются эквивалентными, то σ_i = σ_j.

Доказательство. Если σ_i и σ_j являются k-эквивалентными, то, согласно лемме 3.4, они вырабатывают одинаковые реакции при всех входных последовательностях длины k или менее. Если их k-e преемники по отношению к любой входной последовательности длины k являются эквивалентными, то они вырабатывают одинаковые реакции при всех входных последовательностях, которые следуют за первыми k символами. Следовательно, σ_i и σ_j вырабатывают одинаковые выходы при входных последовательностях любой длины, откуда следует, что σ_i = σ_j.

Теорема 3.3. Если состояния σ_i и σ_j являются эквивалентными, то их k-e преемники по отношению к любой входной последовательности длины k и для любого k являются эквивалентными.

Доказательство. Пусть σ´_i и σ´_j, являются k-ми преемниками состояний σ_i и σ_j соответственно по отношению к произвольной входной последовательности ε_k. Если σ´_i ≠σ´_j, то имеется последовательность, скажем ε_i для которой σ´_i и σ´_j, вырабатывают различные реакции. Следовательно, реакции для σ_i и σ_j на ε_kε_i должны быть разными; это противоречит допущению, что σ_i = σ_j.

Входную последовательность, подаваемую на М₁| σ_i и М₂| σ_j, можно сравнить с двумя путями, начинающимися состояниями σ_i и σ_j на графе переходов для автоматов М₁ и М₂ соответственно. Теорема 3.3 означает, что если два

начальных состояния на этих путях эквивалентны, то каждые два соответствующих состояния на этих путях (т. е. состояния, в которые переходят автоматы из начальных состояний после прохождения одного и того же числа дуг) являются также эквивалентными. Это положение иллюстрируется рис. 3.2, где показанные пути являются путями, которые проходят M₁ и М₂, при приложении некоторой входной последовательности к М₁| σ_i и к М₂| σ_j. Если σ_i и σ_j являются эквивалентными, то k-e преемники σi_k и σj_k должны быть эквивалентны для всех k.

Изложенные результаты могут быть использованы во многих случаях для установления эквивалентности состояний, когда эквивалентность других состояний уже установлена. Пусть, например, известно, что пары состояний {1, 5} и {3, 7} автомата Л6, изображенного на рис. 3.1, являются эквивалентными. Тогда пара {4, 8} должна быть также парой эквивалентных состояний вследствие того, что 4 и 8 являются 1-эквивалентными, а их первыми преемниками являются пары {1,5} и {3, 7}. Если известно, что состояния в паре {4, 8} эквивалентны, то состояния в парах {1,5}, {2, 6} и {3, 7} должны быть также эквивалентными, поскольку они образуют пары соответствующих состояний на путях, начинающихся состояниями 4 и 8.

3.4. k-эквивалентные разбиения

Для целей, которые станут ясными из следующих параграфов, представляет интерес деление или «разбиение» состояний автомата на классы по следующим правилам: (1) все состояния, принадлежащие к одному классу, должны быть k-эквивалентными; (2) все состояния, принадлежащие к разным классам, должны быть k-различимыми. Такое разбиение называется k-эквивалентным разбиением автомата и обозначается P_k. Классы P_k называются классами k-эквивалентности и обозначаются Σk₁, Σk₂, Σk₃ и т. д. Состояния, принадлежащие к одному и тому же классу, называются смежными состояниями; состояния, принадлежащие к разным классам, называются разобщенными состояниями.

Рис. 3.3 и таблица 3.2 представляют автомат А7, Для этого автомата 2-эквивалентное разбиение имеет вид

Легко проверить по графу переходов автомата А7, что смежные состояния в P₂ заданные выражениями (3.1), являются 2-эквивалентными, а разобщенные состояния являются 2-различимыми. Ни одно состояние автомата A7 не является 2-эквивалентным состоянию 9 (за исключением самого состояния 9), и, следовательно, состояние 9 образует класс, состоящий из одного состояния, — одноэлементный класс.

Ясно, что ни одно состояние не может принадлежать одновременно двум различным k-эквивалентным классам, поскольку это означало бы, что это состояние является k-различимым по отношению к самому себе. Следовательно, общее число состояний в Р_к равно общему числу состояний в автомате.

Лемма 3.5. k-эквивалентное разбиение автомата единственно.

Доказательство. Предположим, что разбиение Р_к, состоящее из Σk₁, Σk₂, ..., Σk_u, не является единственным. Тогда для этого же автомата должно быть другое k-эквивалентное разбиение, скажем Р´_k, состоящее из Σ´k₁, Σ´k₂, Σ´k₃. Пусть Σk_r ={σr₁, σr₂, ..., σr_d }. Поскольку состояния из Σk_r являются k-эквивалентными и поскольку не

имеется ни одного состояния вне Σk_r, являющегося эквивалентным какому-либо состоянию из Σk_r, то в Р_k, должен быть класс состояний, скажем Σ´k_r, состоящий из состояний σr₁, σr₂, ..., σr_d и не содержащий никаких других состояний. Предположив, что г принимает значения 1,2, . . ., u, получим, что каждому классу в P_k соответствует идентичный класс в Р´_k Поскольку общее число состояний в P_k должно быть таким же, как в Р_k, то P_k и Р´_k должны быть одинаковыми и, следовательно, P_k является единственным.

Лемма 3.6. Состояния, являющиеся разобщенными в Р_k, должны быть разобщенными в Р_k+1.

Доказательство. Согласно лемме 3.4 два состояния, являющиеся k-различимыми, являются и (k+1)-различимыми. Тогда - справедливость доказываемой леммы непосредственно вытекает из определения P_k и P_k+1.

Например, Р₃ автомата A7 не может содержать такие классы, как {1, 3, 6} и {2, 5, 9}, поскольку эти классы, как следует из (3.1), содержат состояния, которые в Р₂ являются разобщенными.

Лемма 3.7. Если автомат М имеет два различимых, но k-эквивалентных состояния, то он также должен иметь два состояния, которые являются k-эквивалентными, но (k+1)-различимыми.

Доказательство. Пусть σ_i и σ_j будут различимыми k-эквивалентными состояниями автомата М и пусть входная Последовательность ξh₁, ξh₂ ; ..., ξh_i будет наикратчайшей входной последовательностью, различающей состояния σ_i и σ_j. Это значит, что σ_i и σ_j вырабатывают различные выходные символы не раньше, чем будет приложен входной символ ξh_i.Поскольку σ_i = σ_j являются k-эквивалентными, то должно быть i > k. Пусть (i — k — 1)-ми преемниками σ_i = σ_j по отношению к входной последовательности ξh₁, ξh₂ ; ..., ξh_(i-k-1) будут σ´_i и σ´_j, соответственно; так как i > k, то i - k – 1≥0, и эти преемники всегда существуют. Тогда σ´_i и σ´_j могут быть различимы при входной последовательности ξh_i-k, ξh_i-k+1 ; ..., ξh_i , длина которой равна i — (i — k — 1)=k + 1. Эти два состояния не могут быть различимы с помощью никакой другой более короткой последовательности, так как это противоречило бы условию, что σ_i и σ_j являются k-эквивалентными. Следовательно, σ´_i и σ´_j, являются k-эквивалентными, но (k + 1)-различимыми. Лемма доказана. Рассмотренная ситуация иллюстрируется на рис. 3.4.

Предположим теперь, что смежные состояния в каждом классе эквивалентности разбиения P_k являются эквивалентными. Тогда ясно, что Р_к+u совпадает с Р_к для всех неотрицательных целых и. Если два смежных состояния в P_k являются различимыми, то они представляют собой два различимых состояния, которые являются k-эквивалентными. В этом случае, согласно лемме 3.7, автомат должен иметь два состояния, которые являются k-эквивалентными, но (k + 1)-различимыми. Следовательно, Р_к должно содержать два смежных состояния, которые становятся разобщенными в P_{k + i}. Таким образом, если смежные состояния в каком-нибудь классе из Р_k являются различимыми, то разбиение P_{k + i} должно отличаться от разбиения Р_k. Если Р_k отличается от Р_k, то, согласно лемме 3.6, должно существовать «собственное разделение» Р_k, которое должно получаться расщеплением одного или нескольких классов Рк на два или более подклассов. В заключение можно утверждать следующее.

Теорема 3.4. P_k+1 должно быть собственным разделением Р_k, если не во всех классах Р_k смежные состояния являются эквивалентными. В противном случае Р_k и P_k+1 совпадают.