О методе построения отношения неотличимости помеченных графов

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :Труды Института прикладной математики и механики НАН Украины
Дата:2008
Автор: Сапунов, С.В.
Формат: Стаття
Мова:Російська
Опубліковано: Інститут прикладної математики і механіки НАН України 2008
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/19997
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:О методе построения отношения неотличимости помеченных графов / С.В. Сапунов // Труды Института прикладной математики и механики НАН Украины. — Донецьк: ІПММ НАН України, 2008. — Т. 16. — С. 179-189. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859481680826335232
author Сапунов, С.В.
author_facet Сапунов, С.В.
citation_txt О методе построения отношения неотличимости помеченных графов / С.В. Сапунов // Труды Института прикладной математики и механики НАН Украины. — Донецьк: ІПММ НАН України, 2008. — Т. 16. — С. 179-189. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Труды Института прикладной математики и механики НАН Украины
first_indexed 2025-11-24T15:07:11Z
format Article
fulltext ISSN 1683-4720 Труды ИПММ НАН Украины. 2008. Том 16 УДК 519.7 c©2008. С.В. Сапунов О МЕТОДЕ ПОСТРОЕНИЯ ОТНОШЕНИЯ НЕОТЛИЧИМОСТИ ПОМЕЧЕННЫХ ГРАФОВ Рассматривается задача различения вершин графов с помеченными вершинами (помеченных гра- фов) и самих таких графов путем сравнения языков в алфавите меток, связанных с вершинами. Для анализа языков вершин разработан метод графа пар, представляющий собой модификацию из- вестного в теории автоматов метода пар состояний. При помощи этого метода показано, что оценка длины слова, различающего две вершины помеченного орграфа в общем случае экспоненциальна. Далее, методом графа пар найдены конструктивные критерии нахождения помеченных графов в отношениях неотличимости и слабой неотличимости, индуцированных сравнением объединений и семейств языков их вершин. Введение. Основной проблемой теоретической кибернетики является проблема взаимодействия управляющей и управляемой систем (управляющего автомата и его операционной среды) [1, 2]. Взаимодействие таких систем зачастую представляется как процесс перемещения автомата по помеченному графу или лабиринту среды. Та- кое представление интенсивно развивается в работах В.Б. Кудрявцева и его школы [3]. Одной из центральных и актуальных как в теоретическом, так и в прикладном аспектах проблем, возникающих при исследованиях взаимодействия автоматов и графов, является проблема анализа или распознавания свойств графа при различ- ной априорной информации и при различных способах взаимодействия автомата и графа. Один из подходов к решению проблемы анализа графа операционной среды основывается на том, что операционная среда рассматривается как неориентирован- ный граф с помеченными вершинами. Такие графы возникли первоначально как блок-схемы и схемы программ, а в настоящее время находят применение в задачах навигации роботов [4]. В монографии Ю.В. Капитоновой и А.А. Летичевского [2] с вершинами таких графов естественным образом связаны языки в алфавите меток вершин и показано, что эти языки регулярны и не содержат пустого слова. В настоящей работе рассматривается проблема анализа ориентированных и неориентированных графов с помеченными вершинами. Объектом анализа графа выбран язык, ассоциированный с вершиной, то есть множество всех последователь- ностей меток, соответствующих путям, исходящим из этой вершины. Такое исследо- вание актуально с теоретической точки зрения и постоянно стимулируется приклад- ными задачами. Теоретическая актуальность определяется тем, что методы, анало- гичные методам теории автоматов эффективно распространяются на графовые си- стемы, не являющиеся конечными автоматами, но являющиеся в некотором смыс- ле автоматоподобными системами. Прикладная актуальность определяется связью проблем исследования таких графов с задачами навигации мобильных роботов. 1. Постановка задачи. Рассматривается задача различения вершин графов с помеченными вершинами (помеченных графов) и самих таких графов путем сравне- 179 С.В. Сапунов ния языков в алфавите меток, связанных с вершинами. По дугам графа от вершины к вершине блуждает автомат. Находясь в вершине, автомат считывает ее метку и метки смежных с ней вершин. Последовательности меток, связанные с траектори- ями блуждания автомата, образуют слова в алфавите меток. С каждой вершиной связывается ее язык, т.е. множество слов, связанных с траекториями, начинающи- мися в этой вершине. Будем говорить, что вершины отличимы, если их языки раз- личны. С каждым помеченным графом свяжем две характеристики – объединение языков всех его вершин и семейство этих языков. Будем говорить, что графы отли- чимы, если связанные с ними семейства языков вершин различны, и графы слабо отличимы, если связанные с ними объединения языков вершин различны. Как было указано выше, языки вершин регулярны. Сравнение регулярных язы- ков обычно проводится путем построения и детерминизации соответствующих ко- нечных автоматов и их анализа. Известно, что переход от недетерминированного автомата к детерминированному дает достижимую экспоненциальную оценку роста числа состояний (см., например, [5]). В данной работе предлагаются методы сравне- ния языков вершин помеченных графов и характеристик самих графов, основанные на анализе специального вида помеченных графов, построенных по исходным гра- фам. В [6] введено понятие графов, детерминированных по разметке окрестностей вершин, (D-графы) и показано, что верхняя оценка длин траекторий, различаю- щих вершины такого графа, линейна. В настоящей работе рассматривается задача различения вершин произвольного помеченного графа. 2. Основные определения.Конечным ориентированным графом с помеченны- ми вершинами (помеченным орграфом) назовем четверку G = (G,E (G) ,M, µG), где G – конечное множество вершин, |G| = n, E (G) ⊆ G×G – конечное множество ребер, M – конечное множество меток, |M | = m, µG : G → M – сюръективная функция разметки. Последовательность меток вершин w = µG (g1) . . . µG (gk), соответствую- щую некоторому пути g1 . . . gk в графе G, назовем словом длины k, порожденным вершиной g1. Обозначим через M+ множество всех непустых слов в алфавите M . Языком Lg вершины g назовем множество всех слов, порожденных этой вершиной. С каждым помеченным орграфом G свяжем две характеристики LG = ⋃ g∈G Lg (язык графа) и ΛG = {Lg}g∈G (семейство языков вершин графа). Введем частичную опе- рацию ? : G ×M+ → 2G соотношением: для любой вершины g ∈ G и любого слова w ∈ M+ через g ?w обозначим множество всех вершин h ∈ G таких, что существует путь из g в h, помеченный словом w. Для слов u,w ∈ M+ введем их композицию u◦w равную uw′, если u = u′x, w = xw′, x ∈ M , и не определено в противном случае. Множеством преемников Γ− вершины g орграфа G называется множество вер- шин, являющихся концами дуг, исходящих из g. Открытой окрестностью Og верши- ны g неорграфа G называется множество всех смежных с ней вершин. Через O(g) обозначим множество Og ∪ {g}. Помеченный орграф G назовем детерминированным орграфом или D-орграфом, если для любой вершины g ∈ G и любых вершин s, t ∈ Γ−g из s 6= t следует, что 180 О методе построения отношения неотличимости помеченных графов µ(s) 6= µ(t). В противном случае G назовем ND-орграфом. Простой D-орграф G, для которого выполняются следующие ограничения: (1) для любых вершин g, h ∈ G если (g, h) ∈ E(G), то (h, g) ∈ E(G); (2) для любой вершины g ∈ G и любых вершин s, t ∈ O(g) из s 6= t следует, что µ(s) 6= µ(t), назовем сильно детерминированным или SD-графом. Сравнение языков вершин приводит к следующим отношениям на множестве вершин помеченного графа. Будем говорить, что вершина h ∈ G покрывает вершину g ∈ G и писать (g, h) ∈ κ, если Lg ⊆ Lh. Отношение κ рефлексивно, транзитивно, но в общем случае не антисимметрично и, таким образом, является предпорядком. Обозначим через κk отношение k-покрытия: (g, h) ∈ κ, если Lk g ⊆ Lk h, где Lk g и Lk h обозначают подъязыки соответствующих языков, состоящие из слов, длина которых не превос- ходит некоторого натурального k. Будем говорить, что вершины g, h ∈ G неотличимы и писать (g, h) ∈ ε, ес- ли Lg = Lh. Отношение ε рефлексивно, симметрично и транзитивно, т.е. являет- ся эквивалентностью. Ясно, что ε = κ ∩ κ−1. Обозначим через εk отношение k- неотличимости: (g, h) ∈ εk, если Lk g = Lk h. Пример на рис. 1 показывает, что покрытие одной вершины другой и неотличи- мость вершин в общем случае не влекут за собой соответствующие отношения меж- ду их одинаково помеченными вершинами-преемниками. Действительно, вершины g1 и g8 неотличимы (а, следовательно, (g1, g8) ∈ κ), но любая пара их преемников отличима и не сравнима по κ. Этим отношение ε отличается от соответствующего отношения эквивалентности состояний детерминированных автоматов. a a bb b b f fd deec c 1 2 3 9 8 10 4 5 6 7 1211 13 14 Рис. 1. Через ε̃i обозначим последовательность отношений ε1, ε2, ... . Она монотонно убывает, то есть ε1 ⊇ ε2 ⊇ . . . ⊇ εi ⊇ . . . ⊇ ε. Говорят, что ε̃i стабилизируется на k-ом шаге, если из εk = εk+1 всегда следует εk = ε. Пример на рисунке 2 показывает, что равенство εk = εk+1 не всегда влечет стабилизацию ε̃, поскольку ε2 = ε3, но ε3 6= ε4. Действительно, обозначим через πk разбиение множества вершин на классы εk-эквивалентности. Тогда, π1 = {{1, 12} , {2, 3, 13, 14}, {4, 15}, {5, 17}, {6, 16}, {7, 18}, {8, 19}, {9, 20}, {10, 21}, {11, 22}}, π2 = {{1, 12} , {2}, {3}, {13}, {14}, {4, 15}, {5}, {17}, {6}, {16}, {7, 18}, {8, 19}, {9, 20}, {10, 21}, {11, 22}}, π3 = π2, π4 = {{1} , {12}, {2}, {3}, {13}, {14}, {4, 15}, {5}, {17}, {6}, {16}, {7, 18}, {8, 19}, {9, 20}, {10, 21}, {11, 22}}. 181 С.В. Сапунов a a bb b b f fd deec c j jh hi ig g 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 Рис. 2. Этим свойством отношение k-неотличимости вершин помеченного графа отли- чаются от аналогичного отношения на состояниях конечного, детерминированного автомата [7]. Заметим, что пример на рис. 2 показывает также, что в общем случае равенство κi = κi+1 не всегда влечет за собой стабилизацию монотонно убывающей последова- тельности κ1 ⊇ κ2 ⊇ . . . ⊇ κi ⊇ . . . ⊇ κ. Однако, далее будет показано, что начиная с некоторого k стабилизация всегда происходит. Пусть G = (G, E(G), M, µG) и H = (H, E(H), M, µH) — произвольные графы из K(M). Будем говорить, что граф G неотличим от графа H, если для любой вер- шины g ∈ G существует вершина h ∈ H такая, что Lg = Lh. Будем говорить, что графы G и H неотличимы и писать (G,H) ∈ ρ, если G неотличим от H и H неот- личим от G. Из определения неотличимости графов следует, что (G,H) ∈ ρ тогда и только тогда, когда ΛG = ΛH. Отношение ρ рефлексивно, симметрично, транзитив- но и, таким образом, является эквивалентностью. Будем говорить, что графы G и H слабо неотличимы и писать (G,H) ∈ τ , если LG = LH. Отношение τ рефлексивно, симметрично, транзитивно и, таким образом, также является эквивалентностью. 3. Граф пар. Каждому графу G = (G, E(G),M, µG) поставим в соответствие граф пар D(G) = (D, E(D),M, µD), построенный следующим образом. Сначала определим множество D1 по правилу: (S, Q) ∈ D1 точно тогда, когда S, Q ∈ 2G, S ∪Q 6= ∅ и |µG (S ∪Q)| = 1. При этом полагаем, что µD (S, Q) = µG (S ∪Q). Затем множество D1 пополним m экземплярами пар (∅,∅), при этом их метки попарно различны. Полученное семейство пар образует ”множество” вершин D графа пар. Из вершины (S, Q) с меткой x исходит дуга в вершину (S′, Q′) с меткой y точно тогда, когда S′ = S ? xy и Q′ = Q ? xy. Из правил построения графа D(G) следует, что: 1) множество меток его вершин равно M ; 2) µD является сюръективной функцией; 3) из каждой его вершины (S, Q) исходит ровно m дуг; 4) из любой его вершины вида (S, S) достижимы только вершины вида (S′, S′). Имеет место следующее простое, полезное в дальнейшем, утверждение, устанав- ливающее основные свойства графа пар. 182 О методе построения отношения неотличимости помеченных графов Утверждение 1. Пусть D(G) является графом пар произвольного помеченного графа G, тогда: 1) |D| = O ( 22n ) ; 2) если из вершины (S,Q) с меткой x исходят дуги в вершину (S′, Q′) с меткой y и в вершину (S′′, Q′′) с меткой z, то y 6= z; 3) для любой вершины (S,Q) ∈ D и любого слова w ∈ M+ существует не более чем один путь из этой вершины, помеченный этим словом; 4) если из вершины (S,Q) достижима вершина (S′, Q′) и S = ∅ (Q = ∅), то S′ = ∅ (Q′ = ∅). Доказательство. Покажем справедливость свойства 1. Обозначим через ni чис- ло вершин графа G с меткой xi ∈ M , где 1 6 i 6 m. Ясно, что n1 + . . . + nm = n. Из определения графа пар следует, что число вершин графа D(G) с меткой xi равно 22ni . Тогда |D| = 22n1 + . . . + 22ni 6 m22n = O ( 22n ) . Свойства 2 и 4 непосредственно следуют из определения. Покажем справедли- вость свойства 3. Пусть d(w) = 1, тогда, по определению операции ?, |(S, Q) ? w| 6 1. Пусть d(w) = 2, тогда из свойства 2 следует, что |(S,Q) ? w| 6 1. Таким образом, всякому слову w ∈ M+ длины 1 или 2 соответствует не более чем один путь из вершины (S, Q). Так как любое слово w ∈ M+ длины больше 2 можно единственным образом представить в виде композиции его двухбуквенных подслов, то тем самым доказана справедливость свойства 3. Утверждение доказано. ¤ С целью упрощения графа пар проведем дополнительные построения. Выделим в нем подмножество DI начальных вершин и подмножество DF финальных вер- шин. Множество всех слов (быть может пустое), каждое из которых соответствует некоторому пути из вершины (S, Q) ∈ DI в какую-либо вершину (S′, Q′) ∈ DF , назовем языком L(S,Q) вершины (S, Q). Через LD(G) обозначим объединение язы- ков ⋃ (S,Q)∈DI L(S,Q), а через ΛD(G) – семейство языков { L(S,Q) } (S,Q)∈DI . Настроенным графом пар назовем тройку (DT (G), DI , DF ), где DI , DF ⊆ D1 и DT (G) подграф графа D(G), порожденный всеми начальными вершинами, всеми финальными вер- шинами и всеми вершинами, через которые проходит хотя бы один путь из некото- рой начальной вершины в некоторую финальную. Из построения следует, что этот подграф содержит только вершины из D1. Заметим, что этот подграф аналогичен так называемому триму автомата [7]. Обозначим DT (G) = (DT , E (DT ) , µD,Mt), где MT ⊆ M . Рассмотрим некоторые настроенные графы пар. Если положить DI = DF = D1, то справедливо Утверждение 2. 1) LD(G) = LG ; 2) ΛG ⊆ ΛD(G). Доказательство. (1) Пусть g является произвольной вершиной графа G и сло- во w ∈ Lg. Из построения графа пар следует, что каждая его вершина, одна из компонент которой включает вершину g, порождает слово w, то есть LG ⊆ LD(G). Покажем, что выполняется обратное включение. Пусть w ∈ LD(G), тогда w ∈ L(S,Q) для некоторой вершины (S,Q) ∈ D1. Тогда, так как S 6= ∅ или Q 6= ∅, то 183 С.В. Сапунов существует вершина g ∈ S ∪Q, для которой w ∈ Lg. Таким образом, LD(G) = LG . (2) Из утверждения 1 следует, что вершина ({g},∅) ∈ D порождает тот же язык, что и вершина g ∈ G. Таким образом, ΛG ⊆ ΛD(G). Покажем, что в общем случае ΛD(G) 6= ΛG . Рассмотрим граф G и фрагмент его граф пар D(G) на рисунке 3. Ни одна из вершин графа G не порождает множество слов {da, db, dc}, которое порождает вершина ( 4, 5, 6,∅ ) ∈ D. Утверждение доказано. ¤ 1 2 3 4 5 6 d d d a b ñ G 4,5,6, Æ4, Æ 5, Æ 6, Æ 1, Æ 4,6, Æ5,6, Æ 2, Æ 3, Æ 4,5, Æ d d dd d d d a b ñ D(G) Рис. 3. Если положить, что DI состоит из одной вершины ({g}, {h}), где Lg 6= Lh, а DF состоит из всех вершин (S,Q) ∈ D1, у которых S = ∅ или Q = ∅, то L({g},{h}) = Lg ⊕ Lh. Если положить, что DI состоит из одной вершины ({g}, {g}), а DF из всех вершин (S, S), то L({g},{g}) = Lg. Рассмотрим вырожденные случаи. Пусть в графе G m = n, то есть все вершины имеют попарно различные метки. Тогда в графе пар нет вершин (S, Q), где S 6= Q, S 6= ∅ и Q 6= ∅, то есть он содержит не более n2 + m вершин. Полагая DI = DF = {(g,∅) | g ∈ G}, получаем, что Lg⊕Lh = Lg∪Lh для всех h 6= g, h ∈ G. Пусть теперь в графе G ε1 = ε, то есть все одинаково помеченные вершины составляют класс неотличимости. Тогда, если (S, Q) ∈ D1, S 6= ∅ и Q 6= ∅, то S и Q включаются в некоторый класс неотличимости. Полагая, что DI = {(S, Q) |S 6= ∅ ∧Q 6= ∅} и DF = {(S′, Q′) |S′ = ∅ ∨Q′ = ∅}, получаем, что LD(G) = ∅ и настроенный граф пар не содержит вершин, не входящих в DI ∪DF . Проделанные рассуждения показывают, что настроенный соответствующим об- разом граф пар позволяет анализировать языки вершин помеченных графов и ис- следовать характеристики самих графов. 4. Сравнение вершин. Следующее утверждение дает конструктивный крите- рий покрытия одной вершины помеченного орграфа другой. Теорема 1. Пусть G является помеченным орграфом, тогда κ = κk для неко- торого k не превосходящего 22n. 184 О методе построения отношения неотличимости помеченных графов Доказательство. Расширим отношение κ на булеан 2G по правилу: (S,Q) ∈ κ∗, если LS ⊆ LQ, где S, Q ∈ 2G. Отношение κ∗ рефлексивно, симметрично и тран- зитивно, т.е. является эквивалентностью. Аналогично полагаем (S,Q) ∈ κ∗k, если Lk S ⊆ Lk Q. Из определения отношения κ∗k следует, что последовательность отношений κ̃∗i монотонно убывает, то есть κ∗1 ⊇ κ∗2 ⊇ . . . ⊇ κ∗i ⊇ . . . ⊇ κ∗. Покажем, что если для некоторого i последовательность κ̃∗i стабилизируется, то стабилизация сохраняется для всех k > i. Иными словами, нам надо показать, что из равенства κ∗i = κ∗i+1 следуют равенства κ∗i+1 = κ∗i+2 = . . . = κ∗. Пусть существуют множества вершин S, Q ∈ 2G такие, что (S,Q) ∈ κ∗i+1 и (S, Q) 6∈ κ∗i+2. Тогда существуют метки x, y ∈ M и слово w ∈ M∗ такие, что слово xyw ∈ LS − LQ и d(xyw) = i + 2. Пусть T = S ? xy и P = Q ? xy. Из (S, Q) ∈ κ∗i+1 и κ∗i = κ∗i+1 следует, что (T, P ) ∈ κ∗i+1. С другой стороны, слово yw ∈ LT − LP и d(yw) = i + 1, то есть (T, P ) 6∈ κ∗i+1. Полученное противоречие доказывает, что стабилизация последовательности κ̃∗i сохраняется. Покажем далее, что стабилизация последовательности κ̃∗i наступает при неко- тором i 6 22n, где n = |G|. Положим, что в настроенном графе пар (DT (G), DI , DF ) множество DI состоит из всех вершин вида ({g}, {h}), где g 6= h, а множество DF состоит из всех вершин (S, Q) ∈ D1, у которых S = ∅ или Q = ∅. Легко видеть, что всякое слово из LD(G) различает некоторую пару вершин графа G. Действительно, пусть слово w ∈ Lg − Lh, где g, h ∈ G, тогда по утверждению 1 существует единственный путь с меткой w из ({g}, {h}) ∈ DI . Так как w 6∈ Lh, то этот путь оканчивается в некоторой финальной вершине (S,∅). Так как |DT | = O ( 22n ) , то длина кратчайшего пути из начальной вершины в финальную также равна O ( 22n ) . Возможен один из следующих вариантов: 1) все достижимые из вершины ({g}, {h}) финальные вершины имеют вид (∅, T ), где T ∈ 2G, тогда ({g}, {h}) ∈ κ∗; 2) все достижимые из вершины ({g}, {h}) финальные вершины имеют вид (S,∅), где S ∈ 2G, тогда ({h}, {g}) ∈ κ∗; 3) среди достижимых из вершины ({g}, {h}) финальных вершин есть вершины вида (∅, T ) и вершины вида (S,∅), где S, T ∈ 2G, тогда {g} и {h} не сравнимы по κ∗; 4) из вершины ({g}, {h}) не достижима ни одна финальная вершина, тогда ({g}, {h}) ∈ κ∗ и ({h}, {g}) ∈ κ∗. Таким образом, ({g}, {h}) ∈ κ∗ тогда и только тогда, когда ({g}, {h}) ∈ κ∗k для k 6 22n. Очевидное соотношение (g, h) ∈ κ ⇔ ({g}, {h}) ∈ κ∗ доказывает теорему. ¤ Следствие. Пусть G является помеченным орграфом, тогда ε = εk для неко- торого k не превосходящего 22n. Эта теорема показывает, что для вычисления отношений покрытия и неотли- чимости на вершинах произвольного помеченного графа достаточно перебрать все слова длины 22n. Использованный при доказательстве теоремы метод анализа язы- ков вершин является модификацией известного в теории автоматов так называемого 185 С.В. Сапунов метода пар состояний (см., например, [9], стр. 39). Модификация состоит в перене- сении метода предназначенного для орграфов с отмеченными дугами на орграфы с отмеченными вершинами. Из результатов известной работы И. Штокмайера и А. Майера [10] следует, что, по-видимому, оценки из теоремы 1 не могут быть понижены. Построение отношений κ и ε может быть выполнено с использованием настро- енного графа пар (DT (G), DI , DF ) из теоремы 1. Для построения отношения κ до- статочно для каждой начальной вершины настроенного графа пар найти все до- стижимые из нее финальные вершины. Для построения отношения ε достаточно для каждой начальной вершины настроенного графа пар проверить достижима ли из нее какая-либо финальная вершина этого графа. Так как число начальных вер- шин не превосходит n2, то для таких построений достаточно (при использовании известных алгоритмов поиска на графе [11] O ( n224n ) шагов. Фактор-граф G/ε графа G по отношению ε назовем приведенным графом, а опе- рацию перехода от G к G/ε – приведением графа G. Алгоритм приведения произвольного помеченного орграфа G состоит из следу- ющих этапов: 1) построим методом графа пар эквивалентное разбиение множества вершин гра- фа G; 2) объединим все вершины из одного класса эквивалентности и представим объ- единенные вершины одной вершиной, помеченной общей меткой класса; 3) из каждой группы дуг, имеющих общее начало и конец, вычеркнем все, кроме одной. Полученный в результате граф будет графом G/ε. Поскольку сложность построения отношения ε методом графа пар как показа- но выше составляет O ( n224n ) , а объединение вершин и вычеркивание кратных дуг выполняется за константное время, то алгоритм приведения произвольного поме- ченного графа требует не более O ( n224n ) шагов. 5. Сравнение графов. Охарактеризуем отношение ρ, то есть найдем условия, при которых (G,H) ∈ ρ. Имеет место следующее очевидное утверждение. Утверждение 3. Графы G иH неотличимы тогда и только тогда, когда в каждом классе неотличимости ε графа G+H находятся как вершины графа G, так и вершины графа H. Для проверки неотличимости графов G и H воспользуемся настроенным гра- фом пар (DT (G + H) , DI , DF ), у которого множество DI состоит из всех вершин ({g}, {h}), где g, h ∈ G + H и g 6= h, а множество DF состоит из всех вершин (S, Q) ∈ D1, где S = ∅ или Q = ∅. Пусть N = |G| + |H|. Ясно, что |DI | = O ( N2 ) , а |DT | = O ( 24N ) . Определим сложность проверки неотличимости графов G и H. В подразделе 2.1 показано, что построение отношения ε на вершинах графа G +H требует не более O ( N2 · 24N ) . Проверка, находятся ли в каждом классе как вер- шин графа G, так и вершин графа H, требует не более N шагов. Таким образом, сложность проверки неотличимости графов G и H составляет O ( N2 · 24N ) . Охарактеризуем отношение τ , то есть найдем условия, при которых (G,H) ∈ τ . 186 О методе построения отношения неотличимости помеченных графов Для этого воспользуемся настроенным графом пар (DT (G + H) , DI , DF ), у которого множество DI состоит из всех вершин (G ? x, H ? x), для всех x ∈ M , а множество DF состоит из всех вершин (S, Q) ∈ D1, где S = ∅ или Q = ∅. Ясно, что при такой настройке |DI | = m, DT ⊆ D1 и |DT | = O ( 24N ) . Имеет место следующее утверждение. Утверждение 4. Графы G и H слабо неотличимы тогда и только тогда, когда в настроенном графе пар (DT (G + H) , DI , DF ) ни из одной начальной вершины не достижима ни одна финальная вершина. Доказательство. Действительно, пусть (G,H) 6∈ τ , то есть LG 6= LH. Тогда суще- ствует, по крайней мере, одно слово w = x1x2 . . . xk такое, что w ∈ LG⊕LH. По утвер- ждению 1 существует единственный путь с меткой w из вершины (G ? x1,H ? x1) ∈ D. Так как слово w не порождается одним из множеств G?x1 и H ?x1, то этот путь оканчивается в финальной вершине, достижимой из вершины (G ? x1,H ? x1) ∈ DI . Утверждение доказано. ¤ Оценим сложность проверки слабой неотличимости графов G и H. Пусть N = |G|+ |H|. Для проверки достижимости из некоторой начальной вершины графа пар хотя бы одной его финальной вершины достаточно (при использовании известных алгоритмов [10]) O ( 24N ) шагов. Тогда для проверки слабой неотличимости графов G и H достаточно O ( m24N ) шагов. Следующее утверждение устанавливает соотношение между ρ и τ . Теорема 2. 1) На множестве K(M) ρ ⊂ τ и обратное включение не выполня- ется. 2. На подмножестве всех связных SD-графов ρ = τ . Докажем вначале следующую Лемма 1. Пусть G является SD-графом, H ⊂ G и g ∈ G − H. ({g}, H) ∈ κ∗ тогда и только тогда, когда существует h ∈ H такая, что (g, h) ∈ κ. Доказательство. Очевидно, что из (g, h) ∈ κ следует, что ({g},H) ∈ κ∗. Пусть ({g}, H) ∈ κ∗ и для любой вершины h ∈ H выполняется (g, h) 6∈ κ. Пред- положим, что H ′ = {h1, . . . , hk} это наименьшее множество такое, что H ′ ⊆ H и ({g}, H ′) ∈ κ∗. Тогда существуют слова w1, ..., wk такие, что wi ∈ Lg − Lhi , где 1 6 i 6 k. Рассмотрим слово w = w1◦wrev 1 ◦. . .◦wi◦wrev i ◦. . .◦wk−1◦wrev k−1◦wk. Так как G является SD-графом, то для любой вершины q ∈ G и любого слова u ∈ Lg выпол- няется q ? (u ◦ urev) = q. Следовательно, w ∈ Lg. Пусть слова w1, ..., wi−1 ∈ Lhi , где 1 < i 6 k, тогда hi? ( w1 ◦ wrev 1 ◦ . . . ◦ wi−1 ◦ wrev i−1 ) = hi и w1◦wrev 1 ◦. . .◦wi−1◦wrev i−1 ∈ Lhi . Так как слово wi 6∈ Lhi , то слово w1 ◦wrev 1 ◦ . . . ◦wi−1 ◦wrev i−1 ◦wi 6∈ Lhi . Из сказанного следует, что слово w не порождается ни одной вершиной из H ′, то есть w ∈ Lg−LH′ и ({g},H ′) 6∈ κ∗. Лемма доказана. ¤ Доказательство. Прямое включение в части 1 непосредственно следует из опре- деления отношений. Пример на рис. 4 показывает, что τ ⊆ ρ не выполняется для произвольных ND- орграфов из K(M). Несложно убедиться, что LG = LH. Следовательно, (G,H) ∈ τ . 187 С.В. Сапунов С другой стороны, легко видеть, что ΛG 6= ΛH. Действительно, L4 = L8 ∪L9 ∪L10 и L8 ⊂ L4, L9 ⊂ L4, L10 ⊂ L4. Так как других вершин, кроме 4, с меткой d в графе G нет, то (G,H) 6∈ ρ. G H d ba c 2 3 4 d d d ba c 10 5 9 6 7 8 1 d d d d b a c 1, 6 2, 7 4, 5,9 3, 8 4, 9,10 4, 5,10 4, 5,9,10 D ( + )G H Рис. 4. Пример на рис. 5 показывает, что τ ⊆ ρ не выполняется для произвольных D- орграфов из K(M). Легко видеть, что LG = LH и, следовательно, (G,H) ∈ τ . С другой стороны, легко убедиться, что ΛG 6= ΛH, так как ни одна вершина графа G не порождает точно такой язык как вершина 7. dd a aa bb c c1 2 3 4 5 6 7 8 9 G H Рис. 5. Докажем вторую часть теоремы. Предположим, что существуют SD-графы G,H ∈ K(M) такие, что (G,H) ∈ τ и (G,H) 6∈ ρ, то есть LG = LH и ΛG 6= ΛH. Тогда существует, по крайней мере, одна вершина g ∈ G такая, что Lg ⊆ LH, то есть ({g},H) ∈ κ∗, но для любой вершины h ∈ H выполняется (g, h) 6∈ κ. Так как прямая сумма G+H SD-графов G и H также является SD-графом, то такое предположение противоречит лемме 1. Теорема доказана. ¤ Заключение. Таким образом, в работе предложен метод анализа языков вер- шин и графов – граф пар, являющийся модификацией известного в теории авто- матов графа пар состояний. С его помощью показано, что верхняя оценка длины 188 О методе построения отношения неотличимости помеченных графов слова, различающего две вершины помеченного графа в общем случае экспонен- циальна от числа вершин графа. Разработаны методы проверки неотличимости и слабой неотличимости помеченных графов с использованием графа пар. Эти ре- зультаты создают основу для разработки методов распознавания и идентификации помеченных графов. 1. Глушков В.М., Цейтлин Г.Е., Ющенко Е.Л. Алгебра. Языки. Программирование. – К.: Наукова думка, 1989. – 376с. 2. Капитонова Ю.В., Летичевский А.А. Математическая теория проектирования вычислитель- ных систем. – М.: Наука, 1988. – 296 с. 3. Килибарда Г., Кудрявцев В.Б., Ушчумлич Щ. Независимые системы автоматов в лабиринтах // Дискретная математика. – 2003. – Т.15, вып.2. – С.3-39. 4. Соколов С.М., Кондриков С.С., Богуславский А.А. Исследование графовых структур для ин- формационных систем мобильных роботов // Труды международной школы-семинара ”Адап- тивные роботы – 2004” (8–11 июня 2004 г.). – М.-С.Пб.: Международная лаборатория ”Сенсо- рика”, 2004. – С.58-60. 5. Кудрявцев В.Б., Алешин С.В., Подколзин А.С. Введение в теорию автоматов. – М.: Наука, 1985. – 320с. 6. Сапунов С.В. Эквивалентность помеченных графов // Труды ИПММ НАНУ. – 2002, – т.7 – С.162-167. 7. Мур Э.Ф. Умозрительные эксперименты с последовательностными машинами // Автоматы. – М.: ИЛ, 1956. – С.179-210. 8. Eilenberg S. Automata, Languages and Machines. V. A. – Academic Press, NY,1974. – 451p. 9. Грунский И.С. Анализ поведения конечных автоматов. – Луганск: Изд-во Луганск. гос. пед. ун-та, 2003. – 318с. 10. Stockmeyer I.J., Meyer A.R. Word problems requiring exponential time // Proceedings of the 5th annual ACM symposium on Theory of computing (Austin, Texas, United States, April 30 – May 02, 1973). — New York: ACM Press, 1973. – P.1-9. 11. Кормен Т., Лейзерсон Ч., Ривест Р. Алгоритмы: построение и анализ. – М.: МЦНМО, 2001. – 960с. Ин-т прикл. математики и механики НАН Украины, Донецк sapunov@iamm.ac.donetsk.ua Получено 20.04.08 189
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-19997
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1683-4720
language Russian
last_indexed 2025-11-24T15:07:11Z
publishDate 2008
publisher Інститут прикладної математики і механіки НАН України
record_format dspace
spelling Сапунов, С.В.
2011-05-19T19:29:41Z
2011-05-19T19:29:41Z
2008
О методе построения отношения неотличимости помеченных графов / С.В. Сапунов // Труды Института прикладной математики и механики НАН Украины. — Донецьк: ІПММ НАН України, 2008. — Т. 16. — С. 179-189. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.
1683-4720
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/19997
519.7
ru
Інститут прикладної математики і механіки НАН України
Труды Института прикладной математики и механики НАН Украины
О методе построения отношения неотличимости помеченных графов
Article
published earlier
spellingShingle О методе построения отношения неотличимости помеченных графов
Сапунов, С.В.
title О методе построения отношения неотличимости помеченных графов
title_full О методе построения отношения неотличимости помеченных графов
title_fullStr О методе построения отношения неотличимости помеченных графов
title_full_unstemmed О методе построения отношения неотличимости помеченных графов
title_short О методе построения отношения неотличимости помеченных графов
title_sort о методе построения отношения неотличимости помеченных графов
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/19997
work_keys_str_mv AT sapunovsv ometodepostroeniâotnošeniâneotličimostipomečennyhgrafov