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Beweis (2): Semi-entscheidbar → rekursiv aufz¨ ahlbar

Angenommen,L ist semi-entscheidbar und wird von der TMM erkannt.

Wir konstruieren einen Aufz¨ahlerA f¨urL.

In derk-ten Runde (mitk=1,2,3, . . .)

simuliert der Aufz¨ahler je k Schritte vonM auf jedem der W¨orter w1, . . . ,wk.

Immer wenn die Simulation eines der Worte akzeptiert, druckt der Aufz¨ahler dieses Wort aus.

Korrektheit:

Der Aufz¨ahlerAdruckt offensichtlich nur W¨orter ausLaus. Aber druckt er auch wirklich alle W¨orter ausL aus?

Es seiwi ein Wort in der SpracheL. Dann wirdwi von der TMM nach einer endlichen Anzahl ti von Schritten akzeptiert.

Deshalb wirdwi in jeder Runde k mitk ≥max{i,ti} vom Aufz¨ahler A ausgedruckt.

Beweis (2): Semi-entscheidbar → rekursiv aufz¨ ahlbar

Angenommen,L ist semi-entscheidbar und wird von der TMM erkannt.

Wir konstruieren einen Aufz¨ahlerA f¨urL.

In derk-ten Runde (mitk=1,2,3, . . .)

simuliert der Aufz¨ahler je k Schritte vonM auf jedem der W¨orter w1, . . . ,wk.

Immer wenn die Simulation eines der Worte akzeptiert, druckt der Aufz¨ahler dieses Wort aus.

Korrektheit:

Der Aufz¨ahlerAdruckt offensichtlich nur W¨orter ausLaus.

Aber druckt er auch wirklich alle W¨orter ausL aus?

Es seiwi ein Wort in der SpracheL. Dann wirdwi von der TMM

w1

w2

w3

w4

w5

w6

w7

.. . .. . .. .

Anzahl der Schritte, die TMM aufwi ben¨otig:−→

w1

w2

w3

w4

w5

w6

w7

.. . .. . .. .

Anzahl der Schritte, die TMM aufwi ben¨otig:−→

w1

w2

w3

w4

w5

w6

w7

.. . .. . .. .

Anzahl der Schritte, die TMM aufwi ben¨otig:−→

w1

w2

w3

w4

w5

w6

w7

.. . .. . .. .

Anzahl der Schritte, die TMM aufwi ben¨otig:−→

w1

w2

w3

w4

w5

w6

w7

.. . .. . .. .

Anzahl der Schritte, die TMM aufwi ben¨otig:−→

w1

w2

w3

w4

w5

w6

w7

.. . .. . .. .

Anzahl der Schritte, die TMM aufwi ben¨otig:−→

w1

w2

w3

w4

w5

w6

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.. . .. . .. .

Anzahl der Schritte, die TMM aufwi ben¨otig:−→

w1

w2

w3

w4

w5

w6

w7

.. . .. . .. .

Anzahl der Schritte, die TMM aufwi ben¨otig:−→

w1

w2

w3

w4

w5

w6

w7

.. . .. . .. .

Anzahl der Schritte, die TMM aufwi ben¨otig:−→

w1

w2

w3

w4

w5

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w7

.. . .. . .. .

Anzahl der Schritte, die TMM aufwi ben¨otig:−→

Abschlusseigenschaften

Durchschnitt (1)

Satz

(a) Wenn die beiden SprachenL1undL2entscheidbar sind, so ist auch die SpracheL1∩L2 entscheidbar.

(b) Wenn die beiden SprachenL1undL2rekursiv aufz¨ahlbar sind, so ist auch die SpracheL1∩L2 rekursiv aufz¨ahlbar.

Durchschnitt (2): Beweis von Teil (a)

Es seienM1 undM2zwei TMen, dieL1respektiveL2entscheiden.

Eine TMM, die L1∩L2entscheidet:

Bei Eingabew simuliertM zun¨achst das Verhalten vonM1 aufw und dann das Verhalten vonM2 aufw.

FallsM1 undM2 beide das Wortw akzeptieren, so akzeptiert auch M; andernfalls verwirftM.

Korrektheit:

Fallsw ∈L1∩L2, so wirdw akzeptiert.

Durchschnitt (3): Beweis von Teil (b)

Es seien nunM1 undM2 zwei TMen, dieL1 respektiveL2 erkennen.

Wir verwenden die gleiche Konstruktion f¨urM wie in (a).

Eine TMM, die L1∩L2erkennt:

Bei Eingabew simuliertM zun¨achst das Verhalten vonM1 aufw und dann das Verhalten vonM2 aufw.

FallsM1 undM2 beide akzeptieren, so akzeptiert auchM.

Korrektheit:

Fallsw ∈L1∩L2, so wirdw vonM akzeptiert.

Vereinigung (1)

Satz

(a) Wenn die beiden SprachenL1undL2entscheidbar sind, so ist auch die SpracheL1∪L2 entscheidbar.

(b) Wenn die beiden SprachenL1undL2rekursiv aufz¨ahlbar sind, so ist auch die SpracheL1∪L2 rekursiv aufz¨ahlbar.

Vereinigung (2): Beweis von Teil (a)

Es seienM1 undM2zwei TMen, dieL1respektiveL2entscheiden.

Eine TMM, die L1∪L2entscheidet:

Bei Eingabew simuliertM zun¨achst das Verhalten vonM1 aufw und dann das Verhalten vonM2 aufw.

FallsM1 oderM2das Wortw akzeptiert, so akzeptiert auchM;

andernfalls verwirftM. Korrektheit:

Fallsw ∈L1∪L2, so wirdw vonM1 oder vonM2 und somit auch vonM akzeptiert.

Vereinigung (3): Beweis von Teil (b)

Es seien nunM1 undM2 zwei TMen, dieL1 respektiveL2 erkennen.

Eine TMM, die L1∪L2erkennt

Wir nehmen o.B.d.A. an, dassM ¨uber zwei B¨ander verf¨ugt.

Auf Band 1 wirdM1aufw simuliert.

Auf Band 2 wirdM2aufw simuliert.

Sobald ein Schritt gemacht wird, in dem M1oderM2 akzeptiert, akzeptiert auch die TMM.

Korrektheit:

Fallsw ∈L1∪L2, so wirdw vonM1 oder vonM2 und somit auch

Komplement (1)

Lemma

Wenn sowohl die SpracheL⊆Σals auch ihr KomplementL:= Σ\L rekursiv aufz¨ahlbar sind, so istLentscheidbar.

Beweis:

Es seien M undM zwei TMen, dieLrespektiveLerkennen. F¨ur ein Eingabewort w simuliert die neue TM M0 das Verhalten von M aufw und das Verhalten vonM aufw parallel auf zwei B¨andern. Wenn M akzeptiert, so akzeptiertM0.

WennM akzeptiert, so verwirft M0.

Da entweder w ∈Loderw 6∈L gilt, tritt eines der beiden obigen Ereignisse (M akzeptiert;M akzeptiert) nach endlicher Zeit ein. Damit ist die Terminierung von M0 sichergestellt.

Komplement (1)

Lemma

Wenn sowohl die SpracheL⊆Σals auch ihr KomplementL:= Σ\L rekursiv aufz¨ahlbar sind, so istLentscheidbar.

Beweis:

Es seien M undM zwei TMen, dieLrespektiveLerkennen.

F¨ur ein Eingabewortw simuliert die neue TMM0das Verhalten von M aufw und das Verhalten vonM aufw parallel auf zwei B¨andern.

Wenn M akzeptiert, so akzeptiertM0. WennM akzeptiert, so verwirft M0.

Da entweder w ∈Loderw 6∈L gilt, tritt eines der beiden obigen Ereignisse (M akzeptiert;M akzeptiert) nach endlicher Zeit ein. Damit ist die Terminierung von M0 sichergestellt.

Komplement (1)

Lemma

Wenn sowohl die SpracheL⊆Σals auch ihr KomplementL:= Σ\L rekursiv aufz¨ahlbar sind, so istLentscheidbar.

Beweis:

Es seien M undM zwei TMen, dieLrespektiveLerkennen.

F¨ur ein Eingabewortw simuliert die neue TMM0das Verhalten von M aufw und das Verhalten vonM aufw parallel auf zwei B¨andern.

Wenn M akzeptiert, so akzeptiertM0. WennM akzeptiert, so verwirft M0.

Da entwederw ∈Loderw 6∈L gilt, tritt eines der beiden obigen

Komplement (2)

Satz 1

Wenn die SpracheL entscheidbar ist, so ist auch ihr KomplementL entscheidbar.

Beweis: Wir k¨onnen das Akzeptanzverhalten einer TMM, dieL entscheidet, invertieren.

Satz 2

Wenn die SpracheLrekursiv aufz¨ahlbar ist, so ist ihr KomplementLnicht notwendigerweise rekursiv aufz¨ahlbar.

Beispiel:

Das HalteproblemH ist rekursiv aufz¨ahlbar.

FallsH ebenfalls rekursiv aufz¨ahlbar, so w¨areH entscheidbar. Daher ist H nicht rekursiv aufz¨ahlbar.

Komplement (2)

Satz 1

Wenn die SpracheL entscheidbar ist, so ist auch ihr KomplementL entscheidbar.

Beweis: Wir k¨onnen das Akzeptanzverhalten einer TMM, dieL entscheidet, invertieren.

Satz 2

Wenn die SpracheLrekursiv aufz¨ahlbar ist, so ist ihr KomplementLnicht notwendigerweise rekursiv aufz¨ahlbar.

Beispiel:

Das HalteproblemH ist rekursiv aufz¨ahlbar.

FallsH ebenfalls rekursiv aufz¨ahlbar, so w¨areH entscheidbar. Daher ist H nicht rekursiv aufz¨ahlbar.

Komplement (2)

Satz 1

Wenn die SpracheL entscheidbar ist, so ist auch ihr KomplementL entscheidbar.

Beweis: Wir k¨onnen das Akzeptanzverhalten einer TMM, dieL entscheidet, invertieren.

Satz 2

Wenn die SpracheLrekursiv aufz¨ahlbar ist, so ist ihr KomplementLnicht notwendigerweise rekursiv aufz¨ahlbar.

Beispiel: