Машина Тьюринга (англ. Turing machine) — модель абстрактного вычислителя, предложенная британским математиком Аланом Тьюрингом в 1936 году. Эта модель позволила Тьюрингу доказать два утверждения. Первое — проблема останова неразрешима, т.е. не существует такой машины Тьюринга, которая способна определить, что другая произвольная машина Тьюринга на её ленте зациклится или прекратит работу. Второе — не существует такой машины Тьюринга, которая способна определить, что другая произвольная машина Тьюринга на её ленте когда-нибудь напечатает заданный символ. В этом же году был высказан тезис Чёрча-Тьюринга, который терминах теории рекурсии формулируется как точное описание интуитивного понятия вычислимости классом общерекурсивных функций. В этой формулировке часто упоминается как просто тезис Чёрча. В терминах вычислимости по Тьюрингу тезис гласит, что для любой алгоритмически вычислимой функции существует вычисляющая её значения машина Тьюринга. В виду того, что классы частично вычислимых по Тьюрингу и частично рекурсивных функций совпадают, утверждение объединяют в единый тезис Чёрча — Тьюринга.
Неформально машина Тьюринга определяется как устройство, состоящее из двух частей:
При запуске машины Тьюринга на ленте написано входное слово, причём на первом символе этого слова находится головка, а слева и справа от него записаны пустые символы. Каждый шаг головка может перезаписать символ под лентой и сместиться на одну ячейку, если автомат приходит в допускающее или отвергающее состояние, то работа машины Тьюринга завершается.
Определение [ править ]
Определение машины [ править ]
Отметим, что существуют различные вариации данного выше определения (например, без отвергающего состояния или с множеством допускающих состояний), которые не влияют на вычислительные способности машины Тьюринга.
Определение процесса работы [ править ]
Особо следует рассмотреть случай переходов по пробельному символу:
Для машины Тьюринга, которая пишет символ [math]B[/math] на ленту также можно дать аналогичное формальное определение. Оно будет отличаться тем, что символы в строчках конфигурации могут содержать пробелы, и для того, чтобы эти строчки имекли конечную длину, нужно аккуратно учесть наличие пробелов при записи правил перехода.
Результат работы [ править ]
Примеры машин-распознавателей и машин-преобразователей будут даны ниже.
Примеры машин Тьюринга [ править ]
Прибавление единицы [ править ]
Для начала приведём пример машины-преобразователя, которая прибавляет единицу к числу, записанному на ленте в двоичной записи от младшего бита к старшему. Алгоритм следующий:
[math]0[/math]
[math]1[/math]
[math]B[/math]
[math]S[/math]
[math]\langle R, 1, \downarrow \rangle[/math]
[math]\langle S, 0, \rightarrow \rangle[/math]
[math]\langle R, B, \leftarrow \rangle[/math]
[math]R[/math]
[math]\langle R, 0, \leftarrow \rangle[/math]
[math]\langle R, 1, \leftarrow \rangle[/math]
[math]\langle Y, B, \rightarrow \rangle[/math]
Проверка того, является ли слово палиндромом [ править ]
[math]0[/math]
[math]1[/math]
[math]B[/math]
[math]S[/math]
[math]\langle F_0, B, \rightarrow \rangle[/math]
[math]\langle F_1, B, \rightarrow \rangle[/math]
[math]\langle Y, B, \downarrow \rangle[/math]
[math]F_0[/math]
[math]\langle F_0, 0, \rightarrow \rangle[/math]
[math]\langle F_0, 1, \rightarrow \rangle[/math]
[math]\langle B_0, B, \leftarrow \rangle[/math]
[math]F_1[/math]
[math]\langle F_1, 0, \rightarrow \rangle[/math]
[math]\langle F_1, 1, \rightarrow \rangle[/math]
[math]\langle B_1, B, \leftarrow \rangle[/math]
[math]B_0[/math]
[math]\langle R, B, \leftarrow \rangle[/math]
[math]\langle N, 1, \downarrow \rangle[/math]
[math]\langle Y, B, \downarrow \rangle[/math]
[math]B_1[/math]
[math]\langle N, 0, \downarrow \rangle[/math]
[math]\langle R, B, \leftarrow \rangle[/math]
[math]\langle Y, B, \downarrow \rangle[/math]
[math]R[/math]
[math]\langle R, 0, \leftarrow \rangle[/math]
[math]\langle R, 1, \leftarrow \rangle[/math]
[math]\langle S, B, \rightarrow \rangle[/math]
Варианты машины Тьюринга [ править ]
В этом разделе приведены различные варианты машин Тьюринга, которые не отличаются от обычных машин Тьюринга по вычислительной мощности.
Многодорожечная машина Тьюринга [ править ]
Машина Тьюринга с полубесконечной лентой [ править ]
Заменив у машины Тьюринга бесконечную в обе стороны ленту на бесконечную в одну сторону, мы не теряем в вычислительной мощности. По произвольной машине Тьюринга строится двухдорожечная машина с полубесконечной лентой.
Существует алгоритм, по которому для любой машины Тьюринга может быть построена эквивалентная машина Тьюринга с объявленным свойством. Сначала занумеруем ячейки рабочей ленты машины Тьюринга с бесконечной лентой следующим образом:
Затем перенумеруем ячейки, и запишем символ [math]c \in \Pi \setminus \Sigma, B[/math] в начало ленты, который будет означать границу рабочей зоны:
Начальное состояние новой машины Тьюринга устанавливается в одной или другой зоне в зависимости от того, в какой части исходной ленты располагалась головка считывания-записи в исходной конфигурации.
[math]\triangleleft[/math]
Многоленточная машина Тьюринга [ править ]
Многоленточная машина с [math]n[/math] дорожками эмулируется многодорожечной машиной с [math]2n[/math] дорожками следующим образом: каждая нечётная дорожка соответствует ленте исходной машины, а на каждой чётной дорожке отмечены специальным символом [math]*[/math] позиция головки на ленте выше (считаем, что ленты нумеруются сверху вниз).
Каждый шаг исходной машины эмулируется конечной последовательностью шагов построенной машины следующим образом: исходно головка находится в позиции самой левой отметки и идёт вправо до самой правой отметки, запоминая прочитанные около символов [math]*[/math] символы в состоянии. Пройдя до самой правой отметки, головка возвращается влево, совершая необходимые действия (переписывая символы около отметок и передвигая сами отметки). После такого прохода головка переходит в следующее состояние, завершая эмуляцию шага.
Аланом Тьюрингом было сформулировано следующее утверждение:
Утверждение (Тезис Чёрча-Тьюринга):
Иными словами, тезис говорит о том, что любой алгоритм можно запрограммировать на машине Тьюринга.
Универсальная машина Тьюринга [ править ]
Существует машина Тьюринга, которая принимает на вход закодированное описание произвольной машины и входную строку и эмулирует работу закодированной машины на заданном входном слове. Иными словами, универсальный язык перечислим с помощью машины Тьюринга. Ссылки на явные конструкции универсальных машин Тьюринга приведены ниже.
Для того, чтобы представить простейшую машину Тьюринга, взглянем на её художественную реализацию:
Это бесконечная лента, не имеющая ни начала, ни конца, поделённая на ячейки. Для работы с ней мы используем некое управляющее устройство (автомат), для визуализации выбрана каретка. В каждый момент времени она имеет состояние qj и считывает содержимое ячейки ai. О том, что происходит в остальной части ленты, каретка не знает, соответственно оперировать она может только текущими данными. Всего возможно три типа действий, зависящий от этой композиции:
Что-то похожее реализовано в электронных таблицах: там тоже условно неограниченное поле, вы можете изменить значение ячейки, изменить действие или перейти на другую ячейку.
Создадим таблицу для реализации алгоритма Тьюринга:
Символами _Л, _П, _Н обозначим направление движения автомата – соответственно сдвиг «влево», «вправо» или неподвижное положение.
Пусть наша лента выглядит так:
Начальное положение – крайняя правая ячейка, остановка – в пустой клетке. Догадались как она будет выглядеть после завершения алгоритма?
На указанном примере всё выглядит довольно просто. Можете поиграть с увеличением алфавита, преобразованием состояний, помещением начальной позиции не в крайнюю позиции, условиями выхода из цикла и т.д. Фактически, практически любую задачу преобразования можно решить с помощью машины Тьюринга.
Зачем это программисту
Машина Тьюринга позволяет размять мозги и взглянуть на решение задачи иначе. В конечном счёте, с той же целью следует познакомиться с:
Но машина Тьюринга – базовая теория алгоритмов, которая помогает думать не столько о средствах языка, сколько о различных путях решения задачи. Для профессионального роста – это необходимый навык.
Полнота по Тьюрингу
Ещё один важный вопрос, связанный с именем известного математика. На форумах и в статьях вы неоднократно могли видеть выражение «полный\не полный язык программирования по Тьюрингу». Ответ на вопрос «что это означает?» возвращает нас к описанной выше теории. Как уже было сказано, машина Тьюринга позволяет выполнить любое преобразование, соответственно, вы можете реализовать на ней абсолютно любой алгоритм или функцию. То же самое относится и к языкам. Если с его помощью вы можете реализовать любой заданный алгоритм – он тьюринг-полный. Если в дело вступают ограничения синтаксиса или любые физические – не полный.
Тест по Тьюрингу
Последний раздел никак не связан с машиной. Тест Тьюринга – игра, в ходе которой человек с помощью текстовых сообщений взаимодействует одновременно с машиной и другим человеком, не видя их. Задача машины – ввести участника в заблуждение.
Такой тест на долгие годы предопределил развитие ИИ – программы вроде Элизы или PARRY строились именно на копировании человеческого поведения машиной. Уже позднее, когда стало понятно, что путь тупиковый, вектор развития был сдвинут в сторону изучения механизмов интеллекта. Однако до сих пор тема «способна ли мыслить машина» лежит в основе многих тестов, романов и кинофильмов.
Алан Тьюринг остался в истории не только человеком, совершившим важное открытие во время Второй мировой войны, но и подаривший миру несколько фундаментальных теорий, которыми пользуется человечество до сих пор.
Если вы не учились профессии программиста в вузе или не ходили в специальную школу, то, возможно «Машина Тьюринга» для вас просто дешифратор из курса истории или фильма «Игра в имитацию». В действительности всё немного сложнее, любому уважающему себя программисту необходимо знать и понимать, что это такое.
Что такое машина Тьюринга
Для того, чтобы представить простейшую машину Тьюринга, взглянем на её художественную реализацию:
Это бесконечная лента, не имеющая ни начала, ни конца, поделённая на ячейки. Для работы с ней мы используем некое управляющее устройство (автомат), для визуализации выбрана каретка. В каждый момент времени она имеет состояние qj и считывает содержимое ячейки ai. О том, что происходит в остальной части ленты, каретка не знает, соответственно оперировать она может только текущими данными. Всего возможно три типа действий, зависящий от этой композиции:
Что-то похожее реализовано в электронных таблицах: там тоже условно неограниченное поле, вы можете изменить значение ячейки, изменить действие или перейти на другую ячейку.
Создадим таблицу для реализации алгоритма Тьюринга:
Символами _Л, _П, _Н обозначим направление движения автомата – соответственно сдвиг «влево», «вправо» или неподвижное положение.
Пусть наша лента выглядит так:
Начальное положение – крайняя правая ячейка, остановка – в пустой клетке. Догадались как она будет выглядеть после завершения алгоритма?
На указанном примере всё выглядит довольно просто. Можете поиграть с увеличением алфавита, преобразованием состояний, помещением начальной позиции не в крайнюю позиции, условиями выхода из цикла и т.д. Фактически, практически любую задачу преобразования можно решить с помощью машины Тьюринга.
Зачем это программисту
Машина Тьюринга позволяет размять мозги и взглянуть на решение задачи иначе. В конечном счёте, с той же целью следует познакомиться с:
Но машина Тьюринга – базовая теория алгоритмов, которая помогает думать не столько о средствах языка, сколько о различных путях решения задачи. Для профессионального роста – это необходимый навык.
Полнота по Тьюрингу
Ещё один важный вопрос, связанный с именем известного математика. На форумах и в статьях вы неоднократно могли видеть выражение «полный\не полный язык программирования по Тьюрингу». Ответ на вопрос «что это означает?» возвращает нас к описанной выше теории. Как уже было сказано, машина Тьюринга позволяет выполнить любое преобразование, соответственно, вы можете реализовать на ней абсолютно любой алгоритм или функцию. То же самое относится и к языкам. Если с его помощью вы можете реализовать любой заданный алгоритм – он тьюринг-полный. Если в дело вступают ограничения синтаксиса или любые физические – не полный.
Тест по Тьюрингу
Последний раздел никак не связан с машиной. Тест Тьюринга – игра, в ходе которой человек с помощью текстовых сообщений взаимодействует одновременно с машиной и другим человеком, не видя их. Задача машины – ввести участника в заблуждение.
Такой тест на долгие годы предопределил развитие ИИ – программы вроде Элизы или PARRY строились именно на копировании человеческого поведения машиной. Уже позднее, когда стало понятно, что путь тупиковый, вектор развития был сдвинут в сторону изучения механизмов интеллекта. Однако до сих пор тема «способна ли мыслить машина» лежит в основе многих тестов, романов и кинофильмов.
Алан Тьюринг остался в истории не только человеком, совершившим важное открытие во время Второй мировой войны, но и подаривший миру несколько фундаментальных теорий, которыми пользуется человечество до сих пор.
Машина Тьюринга — это абстрактный исполнитель или абстрактная вычислительная машина.
Введение
Машина Тьюринга является одним из наиболее выдающихся научных изобретений двадцатого века. Она представляла несложную и удобную абстрактную модель вычислительного процесса, которая представлена в обобщённом формате и позволяет реализовать практически все компьютерные задачи. Простое описание и выполненный математический анализ позволяют считать её фундаментом теоретической информатики.
Эта научная работа послужила стимулом к более углублённому изучению цифрового исчисления и компьютерных устройств, в том числе осознание мысли, что есть проблематика в сфере вычислений, которую нельзя решить на обычных электронных вычислительных машинах пользователей
Машина Тьюринга
Алан Тьюринг хотел выполнить описание самой простой модели механического модуля, который обладал бы такими же базовыми возможностями, как и компьютер. Первое описание такой машины Тьюринг опубликовал в 1936-ом году в работе с названием «О вычислимых числах в приложении к проблеме разрешения», появившейся в работах Лондонского математического сообщества.
Машина Тьюринга была вычислительным модулем, который состоит из сканера для чтения и записи информации с бумажной ленты, пропускаемой через него. Лента поделена на квадратики, несущие один знак, а именно нуль или единицу. Механизм предназначен для ввода и вывода информации и одновременно служит рабочей памятью для сохранения итогов промежуточных вычислительных шагов. Машина имеет в своём составе два компонента:
Готовые работы на аналогичную тему
Принцип работы машины Тьюринга
Машина Тьюринга принципиально отличается от компьютерных модулей, у неё в качестве запоминающего устройства выступает бесконечная лента, а у цифровых устройств память представляет полосу заданной длины. Любой тип заданий может решить лишь одна сформированная машина Тьюринга. Задания другого класса могут быть решены написанием другого алгоритма. Устройство управления находится в определённом состоянии и способно перемещаться в обе стороны вдоль ленты. Оно может записывать в ячейки и считывать из них алфавитные символы. При перемещении определяется пустой компонент, заполняющий места, которые не содержать входных данных. Алгоритм машины Тьюринга формирует условия перемещений управляющего механизма. Он может задать головке, выполняющей запись и чтение данных, следующие команды:
Машина Тьюринга подобно другим системам, предназначенным для вычислений, обладает определёнными особенностями, которые похожи на свойства алгоритмов:
Функции машины Тьюринга
Рисунок 1. Функции машины Тьюринга. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Программа для машины Тьюринга
Программа для машины Тьюринга формируется как таблицы, в которых в первой строчке и столбце находятся знаки внешнего алфавита и набор допустимых внутренних состояний автомата, то есть внутренний алфавит. Данные в таблице, по сути, это команды, которые должна исполнять машина Тьюринга. Разрешение задачи выполняется по следующим правилам. Символ, принятый сканером из ячейки, над которой он располагается в текущий момент, и определённое внутреннее состояние сканера автомата определяют, какую команду требуется исполнить. А именно, это команда, расположенная в таблице, и находящаяся в точке пересечения знаков внутреннего и внешнего алфавита.
Машина Тьюринга: описание и примеры машин Тьюринга
Что это и кто создал
Алан Тьюринг стремился описать наиболее примитивную модель механического устройства, которая имела бы те же основные возможности, что и компьютер. Тьюринг впервые описал машину в 1936 году в статье «О вычислимых числах с приложением к проблеме разрешимости», которая появилась в Трудах Лондонского математического общества.
Из чего состоит устройство
Каждая такая машина состоит из двух составляющих:
Как работает механизм
Машина Тьюринга имеет принципиальное отличие от вычислительных устройств – ее запоминающее приспособление имеет бесконечную ленту, тогда как у цифровых аппаратов такое устройство имеет полосу определенной длины. Каждый класс заданий решает только одна построенная машина Тьюринга. Задачи иного вида предполагают написание нового алгоритма.
Управляющее устройство, находясь в одном состоянии, может передвигаться в любую сторону по ленте. Оно записывает в ячейки и считывает с них символы конечного алфавита. В процессе перемещения выделяется пустой элемент, который заполняет позиции, не содержащие входные данные. Алгоритм для машины Тьюринга определяет правила перехода для управляющего устройства. Они задают головке записи-чтения такие параметры: запись в ячейку нового символа, переход в новое состояние, перемещение влево или вправо по ленте.
Свойства механизма
Машина Тьюринга, как и другие вычислительные системы, имеет присущие ей особенности, и они сходны со свойствами алгоритмов:
Функции машины Тьюринга
В решении алгоритмов часто требуется реализация функции. В зависимости от возможности написания цепочки для вычисления, функцию называют алгоритмически разрешимой или неразрешимой. В качестве множества натуральных или рациональных чисел, слов в конечном алфавите N для машины рассматривается последовательность множества В – слова в рамках двоичного кодового алфавита В=<0.1>. Также в результат вычисления учитывается «неопределенное» значение, которое возникает при «зависании» алгоритма. Для реализации функции важно наличие формального языка в конечном алфавите и решаемость задачи распознавания корректных описаний.
Программа для устройства
Составляющие для вычислений
Чтобы построить машину Тьюринга для решения одной определенной задачи, необходимо определить для нее следующие параметры.
Непрерывная цепочка букв-символов, записываемая на ленту, именуется словом.
Таблица переходов. Эта составляющая представляет собой алгоритм поведения каретки устройства в зависимости от того, каковы в данный момент состояние автомата и значение считываемого символа.
Алгоритм для автомата
Кареткой устройства Тьюринга во время работы управляет программа, которая во время каждого шага выполняет последовательность следующих действий:
Машина Тьюринга: примеры
Пример 1. Дана задача построить алгоритм, прибавляющий единицу к последней цифре заданного числа, расположенного на ленте. Входные данные – слово – цифры целого десятичного числа, записанные в последовательные ячейки на ленту. В первоначальный момент устройство располагается напротив самого правого символа – цифры числа.
Решение. В случае если последняя цифра равняется 9, то ее нужно заменить на 0 и затем прибавить единицу к предшествующему символу. Программа в этом случае для данного устройства Тьюринга может быть написана так:
a0
0
1
2
3
.
7
8
9
q1
1 H q0
1 H q0
2 H q0
3 H q0
4 H q0
.
8 H q0
9 H q0
0 λ q1
Здесь q1 — состояние изменения цифры, q0 — остановка. Если в q1 автомат фиксирует элемент из ряда 0..8, то он замещает ее на один из 1..9 соответственно и затем переключается в состояние q0, то есть устройство останавливается. В случае если же каретка фиксирует число 9, то замещает ее на 0, затем перемещается влево, останавливаясь в состоянии q1. Такое движение продолжается до того момента, пока устройство не зафиксирует цифру, меньшую 9. Если все символы оказались равными 9, они замещаются нулями, на месте старшего элемента запишется 0, каретка переместится влево и запишет 1 в пустую клетку. Следующим шагом будет переход в состояние q0 – остановка.
a0
(
)
q1
a0 H q0
( П q2
) П q1
q2
a0 H q0
( П q2
) λ q3
q3
a0 H q0
a0 П q3
a0 П q1
Состояние q1: если встречен символ “(”, то совершить сдвиг вправо и переход в положение q2; если определен “a0”, то остановка.
Состояние q2: проводится анализ скобки “(” на наличие парности, в случае совпадения должно получиться “)”. Если элемент парный, то сделать возврат каретки влево и перейти в q3.
Состояние q3: осуществить удаление сначала символа “(”, а затем “)” и перейти в q1.
