МАШИНА ПОСТА

Абстрактные (т.е. существующие не реально, а лишь в воображении) машины Поста и Тьюринга, предназначенные для доказательств различных утверждений о свойствах программ для них, были предложены независимо друг от друга (и практически одновременно) в 1936 г. американским математиком Эмилем Постом и английским математиком Алланом Тьюрингом. Эти машины представляют собой универсальных исполнителей, являющихся полностью детерминированными, позволяющих «вводить» начальные данные, и после выполнения программ «читать» результат. Машина Поста менее популярна, хотя она значительно проще машины Тьюринга. С ее помощью можно вести обучение первым навыкам составления программ для ЭВМ.

Абстрактная машина Поста представляет собой бесконечную ленту, разделенную на одинаковые клетки, каждая из которых может быть либо пустой, либо заполненной меткой «V», и головки, которая может перемещаться вдоль ленты на одну клетку вправо или влево, наносить в клетку ленты метку, если этой метки там ранее не было, стирать метку, если она была, или проверять наличие в клетке метки. Информация о заполненных метками клетках ленты характеризует состояние ленты, которое может меняться в процессе работы машины. В каждый момент времени головка («-») находится над одной из клеток ленты и, как говорят, обозревает ее. Информация о местоположения головки вместе с состоянием ленты характеризует состояние машины Поста, рис. 1.16.

Рис. 1.16. Абстрактная машина Поста

Команда машины Поста имеет следующую структуру:

где п — порядковый номер команды, K-действие, выполняемое головкой, т — номер следующей команды, подлежащей выполнению.

Существует всего шесть команд машины Поста, рис. 1.17:

Рис. 1.17. Команды машины Поста

Ситуации, в которых головка должна наносить метку там, где она уже имеется, или, наоборот, стирать метку там, где ее нет, являются аварийными (недопустимыми).

Программой для машины Поста будем называть непустой список команд, такой что 1) на п-м месте команда с номером n; 2) номер т каждой команды совпадает с номером какой-либо команды списка.

С точки зрения свойств алгоритмов, изучаемых с помощью машины Поста, наибольший интерес представляют причины останова машины при выполнении программы:

1) останов по команде «стоп»; такой останов называется результативным и указывает на корректность алгоритма (программы);

2) останов при выполнении недопустимой команды; в этом случае останов называется безрезультативным;

3) машина не останавливается никогда; в этом и в предыдущем случае мы имеем дело с некорректным алгоритмом (программой).

Будем понимать под начальным состояние головки против пустой клетки левее самой левой метки на ленте.

Рассмотрим реализацию некоторых типичных элементов программ машины Поста.

1. Пусть задано исходное состояние головки и требуется на пустой ленте написать две метки: одну в секцию под головкой, вторую справа от нее. Это можно сделать по следующей программе (справа от команды показан результат ее выполнения):

Рис. 1.18. Пример элемента программы машины Поста

2. Покажем, как можно воспользоваться командой условного перехода для организации циклического процесса. Пусть на ленте имеется запись из нескольких меток подряд и головка находится над самой крайней меткой справа. Требуется перевести головку влево до первой пустой позиции.

Программа будет иметь следующий вид:

Команда условного перехода является одним из основных средств организации циклических процессов, например, для нахождения первой метки справа (или слева) от головки, расположенной над пустой клеткой; нахождение слева (или справа) от головки пустой клетки, если она расположена над меткой и т.д.

3. Остановимся на представлении чисел на ленте машины Поста и выполнении операций над ними.

Число k представляется на ленте машины Поста идущими подряд k + 1 метками (одна метка означает число «О»). Между двумя числами делается интервал как минимум из одной пустой секции на ленте. Например, запись чисел 3 и 5 на ленте машины Поста будет выглядеть так:

Обратим внимание, что используемая в машине Поста система записи чисел является непозиционной.

Составим программу для прибавления к произвольному числу единицы. Предположим, что на ленте записано только одно число и головка находится над одной из клеток, в которой находится метка, принадлежащая этому числу:

Для решения задачи можно переместить головку влево (или вправо) до первой пустой клетки, а затем нанести метку.

Программа, добавляющая к числу метку слева, имеет вид:

Программа, добавляющая к числу метку справа, имеет вид:

(отличие только в направлении движения головки в первой команде. Проверьте работоспособность этих программ на каких-либо частных примерах).

Предположим, что головка расположена на расстоянии нескольких клеток слева от числа, к которому нужно прибавить единицу. В этом случае программа усложняется. Появится «блок поиска числа» — две команды, приводящие головку в состояние, рассмотренное в предыдущем примере:

Ниже — полные тексты программ, добавляющие единицу слева и справа, соответственно:

В первом случае не нужно перемещать головку к крайней левой метке числа

4. Приведем программу для сложения целых неотрицательных чисел а и и на машине Поста, когда головка находится над числом а, а число b находится правее числа а на некоторое число клеток. Эта программа реализует следующий алгоритм: первое число постепенно придвигается ко второму до их слияния, а потом стирается одна метка (иначе результат оказался бы на единицу больше правильного).

В случае более сложных начальных условий, когда неизвестно, справа или слева от головки (и на какое число клеток) находится число, можно применить такой принцип поиска числа: двигая головку вправо и влево и отмечая метками степень удаления головки от исходного положения, найти число, а потом уже применить известную программу сложения. При этом проверяется, находится ли головка над одной из меток числа и если да, то задача решена. Иначе проверяется, пуста ли секция справа от головки и следующая за ней; если обе пусты, то делается возврат головки на один шаг и ставится метка, а затем такая же операция выполняется слева и по отмеченной дорожке головка возвращается вправо и т.д. до тех пор, пока головка не натолкнется на число, после чего можно применить ранее рассмотренные выше программы:

Машину Поста можно рассматривать как упрощенную модель ЭВМ. В самом деле, как ЭВМ, так и машина Поста имеют:

• неделимые носители информации (клетки — биты), которые могут быть заполненными или незаполненными;

• ограниченный набор элементарных действий — команд, каждая из которых

выполняется за один такт (шаг).

Обе машины работают на основе программы. Однако, в машине Поста информация располагается линейно и читается подряд, а в ЭВМ можно читать информацию по адресу; набор команд ЭВМ значительно шире и выразительнее, чем команды машины Поста и т.д.

Машина Поста (устройство, команды и принцип работы)

Содержимое разработки

Практически одновременно с Тьюрингом (тоже в 1936 году) и независимо от него, американский математик Эмиль Пост предлагает еще более простого исполнителя, названного позже машиной Поста. Обе машины «эквивалентны» и были созданы для уточнения понятия «алгоритм».

Эмиль Леон Пост — американский математик и логик. Один из основателей многозначной логики (1921); трудился в области математической логики: создал алгебру Поста, классы Поста функций алгебры логики; предложил абстрактную вычислительную машину — машину Поста.

Машина Поста – это абстрактная (несуществующая реально) вычислительная машина, созданная для уточнения (формализации) понятия алгоритма. Представляет собой универсальный исполнитель, позволяющий вводить начальные данные и читать результат выполнения программы.

В 1936 г. американский математик Эмиль Пост в статье описал систему, обладающую алгоритмической простотой и способную определять, является ли та или иная задача алгоритмически разрешимой. Если задача имеет алгоритмическое решение, то она представима в форме команд для машины Поста.

Структура машины Поста:

Машина Поста состоит из каретки (или считывающей и записывающей головки) и разбитой на ячейки бесконечной в обе стороны ленты (также как у машины Тьюринга). Каждая ячейка ленты может быть либо пустой — 0, либо помеченной меткой 1. За один шаг каретка может сдвинуться на одну позицию влево или вправо, считать, поставить или стереть символ в том месте, где она стоит.

Т.о., Пост сократил алфавит всего до двух цифр. Это допустимо, потому что любые данные можно перекодировать в двоичный код, сопоставив каждой букве исходного алфавита уникальную последовательность нулей и единиц.

Алгоритм работы машины Поста задается не в виде таблицы, а как программа для универсального исполнителя.

Программа состоит из конечного числа строк и использует всего 6 команд.

N. → J — сдвиг вправо

N. ← J — сдвиг влево

N. 1 J — запись метки

N. 0 J -удаление метки

N. ? J1, J0 — если в ячейке есть метка, то перейти к j1 строке программы, иначе перейти к j0 строке программы.

N. Stop — остановка

где N. — номер строки, J — строка на которую переходит управление далее.

Попытка стереть метку там, где ее нет, или поставить метку повторно считается ошибкой, и машина аварийно останавливается.

Для работы машины нужно задать программу и ее начальное состояние (т. е. состояние ленты и позицию каретки).

После запуска возможны варианты:

— работа может закончиться невыполнимой командой (стирание несуществующей метки или запись в помеченное поле);

— работа может закончиться командой Stop;

— работа никогда не закончится.

Все строки в программе нумеруются по порядку, это необходимо для работы команды ветвления (? n0,n1). С помощью этой команды можно также строить циклы, как с предусловием, так и с постусловием.

Пост предположил, что любой алгоритм может быть записан как программа для машины Поста.
В теории алгоритмов доказано, что машины Поста и Тьюринга одинаковы по своим возможностям. Это значит, что круг задач, который они решают, тоже одинаков.

Например, следующая программа перемещает каретку влево до первой отмеченной ячейки:
1. ←
2. ? 1,3
3. стоп

После команд «←”, «→”, «0” и «1” можно указать номер строки, на которую нужно перейти сразу после выполнения этой команды. Например, команда ← 3 означает «переместить каретку влево и перейти на строку 3”.

При работе с машиной Поста числа обычно записывают в унарной (единичной) системе счисления, в виде непрерывной цепочки меток нужной длины (вспомните счетные палочки в младшей школе).

1. Напишите программу для машины Поста, которая увеличивает (уменьшает) число в единичной системе счисления на единицу. Каретка расположена слева от числа.

2. Напишите программу для машины Поста, которая складывает два числа в единичной системе счисления. Каретка расположена над пробелом, разделяющим эти числа на ленте.

3. Что делают следующие программы для машины Поста:
а) 1 1 б) 1 ← в) 1 ? 2,3
2 → 2 ? 3,4 2 1 4
3 → 1 3 1 1 3 → 1
4 стоп 4 стоп

Пример работы машины Поста:

Задача: увеличить число 3 на единицу (изменить значение в памяти с 3 на 4).

Целое положительное число на ленте машины Поста представимо идущими подряд метками, которых на одну больше, чем кодируемое число. Это связано с тем, что одна метка обозначает ноль, а уже две – единицу, и т.д.

Допустим, точно известно, что каретка стоит где-то слева от меток и обозревает пустую ячейку. Тогда программа увеличения числа на единицу может выглядеть так:

1 → 2
2 ? 1;3
3 ← 4
4 V 5
5 Stop
А процесс выполнения может быть таким (см.рисунок):