Automaty a gramatiky

Garant předmětu:

Přednášející:

Cvičící:

Předmět zajišťuje:

katedra teoretické informatiky

Anotace:

Studenti získají základní teoretické a implementační znalosti o konstrukci, použití a vzájemných transformací konečných automatů, regulárních výrazů a regulárních gramatik, o překladových konečných automatech a o konstrukci a použití zásobníkových automatů. Znají hierarchii formálních jazyků a rozumějí vztahům mezi formálními jazyky a automaty. Znalosti z teorie automatů umějí aplikovat pro řešení praktických problémů z oblasti vyhledávání v textu, kompresi dat, jednoduchých překladů a návrhu číslicových obvodů.

Požadavky:

Předpokládá se schopnost aktivního algoritmického řešení základních typů úloh a znalost základů C++.

Osnova přednášek:

1. Motivace pro studium formálních jazyků. Základní pojmy (jazyk, abeceda, gramatika, automat), Chomského hierarchie.

2. Deterministické a nedeterministické konečné automaty (DKA a NKA), NKA s epsilon přechody.

3. Operace s automaty (převod na NKA bez epsilon přechodů, na DKA, minimalizace), průnik, sjednocení.

4. Programová realizace DKA a NKA, obvodová realizace.

5. Rozšíření o překlad, Mealey, Moore, převody.

6. Operace s regulárními gramatikami, převody na KA.

7. Regulární výrazy, převody mezi regulárními výrazy, konečnými automaty a regulárními gramatikami, Kleenova věta.

8. Principy využití regulárních výrazů v UNIXu (grep, egrep, perl, PHP, ...).

9. Konečný automat jako lexikální analyzátor, lex/flex generátory.

10. Vlastnosti regulárních jazyků (pumping lemma, Nerodova věta).

11. Jazyky bezkontextové, zasobníkový automat.

12. Analýza bezkontextových jazyků (nedeterministická versus deterministická).

13. Jazyky kontextové a neomezené, Turingův stroj. Třídy P, NP, NPC, NPH.

Osnova cvičení:

1. Ukázky formálních jazyků. Intuitivní návrh gramatik pro jazyky zadané množinově. Odhad umístění jazyka v Chomského hierarchii.

2. Intuitivní návrh konečných automatů (DKA, NKA, s epsilon-přechody) pro zadaný jazyk.

3. Převody a kompozice KA.

4. Implementace KA.

5. Návrh KA s výstupní funkcí a jeho implementace.

6. Převody gramatik na KA a zpět.

7. Návrh, úpravy a převody regulárních výrazů.

8. Využití regulárních výrazů pro řešení úloh ze zpracování textu (např. sh, grep, sed, perl).

9. Návrh a implementace lexikálního analyzátoru.

10. Klasifikace jazyků.

11. Příklady bezkontextových jazyků, návrh zásobníkových automatů.

12. Ukázky deterministické analýzy bezkontextových jazyků (např. LL, yacc, bison).

13. Příklady kontextových a neomezených jazyků, návrh gramatik a Turingových strojů.

Cíle studia:

Předmět si klade za cíl seznámit studenty s konečnými automaty, regulárními výrazy, gramatikami a překladovými konečnými automaty s důrazem na praktické využití. Dále pak seznámí studenta s třídou bezkontextových jazyků, základním použitím zásobníkových automatů a s hierarchií jazyků pro jeho snazší orientaci v problematice. Znalosti získané v tomto předmětu naleznou uplatnění při návrhu algoritmů pro vyhledávání vzorků, kompresi dat, překlad, jednoduchou syntaktickou analýzu a při návrhu číslicových obvodů.

Studijní materiály:

1. Aho, A. V., Lam, M. S., Sethi, R., Ullman, J. D. „Compilers: Principles, Techniques, and Tools“ (2nd Edition). Addison Wesley, 2007. ISBN 0321486811.

2. Kozen, D. C. „Automata and Computability“. Springer, 1997. ISBN 0387949070.

3. Melichar, B., Holub, J., Mužátko, P. „Languages and Translations“. Praha: Publishing House of CTU, 1997. ISBN 80-01-01692-7.

Poznámka:

Informace o předmětu a výukové materiály naleznete na https://courses.fit.cvut.cz/BI-AAG/

Další informace:

https://courses.fit.cvut.cz/BI-AAG/

Pro tento předmět se rozvrh nepřipravuje

Předmět je součástí následujících studijních plánů:

• Bc. program Informatika, pro fázi studia bez oboru, 2015-2020 (povinný předmět programu)
• Bc. obor Bezpečnost a informační technologie, 2015-2020 (povinný předmět programu)
• Bc. obor Teoretická informatika, 2015-2020 (povinný předmět programu)
• Bc. obor Počítačové inženýrství, 2015-2020 (povinný předmět programu)
• Bc. obor Informační systémy a management, 2015-2020 (povinný předmět programu)
• Bc. obor Webové a softwarové inženýrství, zaměření Softwarové inženýrství, 2015-2020 (povinný předmět programu)
• Bc. obor Webové a softwarové inženýrství, zaměření Webové inženýrství, 2015-2020 (povinný předmět programu)
• Bc. obor Webové a softwarové inženýrství, zaměření Počítačová grafika, 2015-2020 (povinný předmět programu)
• Bc. obor Znalostní inženýrství, 2018-2020 (povinný předmět programu)