확률 적 튜링 머신이 정지 문제를 해결할 수 있습니까?


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무한한 비트 스트림이 제공되는 컴퓨터는 하나가없는 컴퓨터보다 강력합니다. 문제는 : 정지 문제를 해결하기에 충분히 강력합니까?

즉, 확률 론적 컴퓨터가 결정 론적 프로그램의 중단 여부를 결정할 수 있는가?

결정 론적 컴퓨터로는 할 수없는 일을하는 확률 론적 컴퓨터의 예 : 기가 바이트보다 큰 Kolmogorov 복잡성을 갖는 문자열을 출력하는 작은 프로그램 (길이 킬로바이트 미만)을 고려하십시오. 콜 모고 로프의 복잡성문자열의 길이는 해당 문자열을 생성하는 가장 짧은 결정 론적 프로그램의 길이입니다. 따라서 정의에 따라 결정 론적 프로그램은 복잡성이 자체 길이보다 큰 문자열을 생성 할 수 없습니다. 그러나, 실제로 임의의 비트의 무한한 스트림이 주어진 경우, 작은 프로그램은 단순히 100 억 개의 임의 비트를 반향하여 Kolmogorov 복잡도가 높을 것으로 기대하여 99.99999 ... %의 성공률을 달성 할 수 있습니다. . 따라서 우수한 콜로 모고 로프 복잡성의 문자열을 생성하는 것은 확률 론적 프로그램의 가능한 지평 내에 있지만 결정 론적 프로그램에는 전혀 불가능합니다.

즉, 진정으로 무작위 비트를 사용하여 정지 문제에서 쇠톱을 사용할 수 있는지 궁금합니다. 예를 들어, 알고리즘은 주어진 결정 론적 프로그램이 정지한다는 것을 증명 / 반증 할만큼 충분히 알 때까지 이론을 무작위로 생성하고이를 증명 / 불법 / 폐기 할 수 있습니다.


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@downvoter : 코멘트없이 다운 투표를받지 않아야합니다.
— Dave Clarke

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결정 론적 TM이 모든 경우를 열거하지 못하게하는 이유는 무엇입니까? 여기서 추측을 확인하는 것은 문제를 추측하는 것이 아니라 문제입니다. 확률 로만 원하는 결과를 생성하면 실제로 더 강력하다고 말할 수는 없습니다 . p<1
— Raphael

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"결정 론적 프로그램은 복잡성이 자체 길이보다 큰 문자열을 생성 할 수 없습니다." 다른 결정 론적 기계가 동일한 출력을 출력하는 것으로 충분합니다. 결정 론적 TM은 확률 론적 TM뿐만 아니라 비결정론 적 TM (임의의 수의 교대)를 시뮬레이션 할 수 있습니다.
— Kaveh

어제 나는 Kaveh et al을보고 말하려고했는데 이것은이 사이트에 대한 너무 기본적인 질문이었다 (NTM에 대한 동일한 질문은 모든 첫 번째 이론 과정에서 기본적인 결과이다). "probabilistic TM"을 공식화하기 위해 많은 노력을 기울 였다는 점을 감안할 때, 나는 기쁘지 않다.
— Raphael

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: 그리고 내 이전 관련 TCS의 질문에 명확히 답을 참조 cstheory.stackexchange.com/questions/1263/...
— 조셉 러키

답변:


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편집 : 방금 내가 쓴 것들 중 일부가 완전히 말도 안된다는 것을 깨달았습니다. 죄송합니다. 이제 증명을 변경하고보다 정확한 확률 론적 기계를 정의했습니다.

나는 확률 적 튜링 기계에 대한 당신의 정의를 올바르게 얻었는지 모르겠습니다 : 그것은 무한한 압축 할 수없는 문자열이 쓰여지는 추가 테이프가있는 기계이며 그 외에도 결정 론적 기계처럼 작동합니까? 압축 불가능한 문자열을 수정하면 우리가 얻는 클래스는 흥미로워 보이지 않습니다.

우리는 여러 가지 방법으로 확률 적 튜링 머신을 정의 할 수 있다고 생각합니다. 나는 아주 자연스러운 것 같은 정의를 사용합니다 (그리고있는 내 증거가 작동을)의 그런 확률 기계를 정의 할 수 있습니다 : 그것은 어떤 무한 문자열이 기록되어있는 추가 테이프를 가져, 우리는이 기계가 언어를 결정 말할 를위한 경우를 모든 은 확률이 중단되고 수락 됩니다. 확률이 추가 임의 문자열을 인수 할 때 마다 는 중단되고 확률 거부됩니다 .x ∈ L > 1Lx∈L x∉L>1>12x∉L>12

이제 결정 론적 기계의 정지 문제를 해결 하는 확률 론적 기계 가 존재 하면 결정 론적 기계 의 정지 문제를 해결 하는 결정 론적 기계 H 를 구축하는 데 사용할 수 있음을 알 수 있습니다. 존재할 수 없습니다.PH

그러한 가 존재 한다고 가정하십시오 . 우리는 결정적 기계 구조체 수 M 입력으로서 확률 기계 얻어 R을 일부 입력과 X를 어느PMRx

  • 이 x를 허용하는 경우에만 (즉, R이 중단하고 무작위 문자열의 절반 이상 에서 x 를 허용하는 경우) 중지 합니다.RxRx
  • 이 x를 거부하는 경우에만 중단하고 거부합니다 (즉, R이 무작위 문자열의 절반 이상에서 x 를 중단하고 거부 함 ).RxRx
  • 그렇지 않으면 루프

기본적으로, 것 모두 내가 ∈ 1 , 2 , . . . 시뮬레이션 R 입력에 X 및 각 문자열에서의 0 , 1 I 의 스트링의 접두사로서 R 의 임의의 테이프. 지금:Mi∈1,2,...Rx0,1iR

  • 경우 용 임의의 테이프에서i비트보다 많은비트를 읽으려고하지 않고길이가 2 인 접두사iR정지 및 허용M이정지>12i RiM
  • 경우 용 임의의 테이프에서i비트보다 많은비트를 읽으려고하지 않고길이가 2 인 접두사iR정지 및 거부,M정지 및 거부>12i RiM
  • 그렇지 않으면 은 i : = i + 1로 시뮬레이션을 실행합니다 .Mi:=i+1

만약 우리가 이 확률 p > 1 인 x 를 받아들이면 (거부)Rx , 그런 다음 일부i의경우>1을 수락 (거부)합니다p>12i임의 테이프에서i비트이상을 읽으려고하지 않고 임의 문자열의 길이i의 2 개의 접두사. 그것은 기술적이지만 매우 쉽습니다-만약 우리가 다르게 가정한다면 받아 들일 (거부) 확률은p>1에접근합니다>12ii 로난일부 따라서 무한대나는것이 될 것이다P>1p>12ii .p>12

이제 우리는 결정 론적 기계 정의 하여 정지 문제를 해결한다 (즉, 주어진 결정 론적 기계 N 이 주어진 단어 x를 받아들이 는지 결정 ) a H ( N , x ) = M ( P ( N , x ) ) . 참고 M ( P ( N , x는 ) ) 우리의 확률 기계에 의해 언어를 결정하는 것은 이러한 방식으로 정의 되었기 때문에 항상 정지하고, 그 두 가지 중 하나가 항상 발생 :HNxH(N,x)=M(P(N,x))M(P(N,x))

  • 기계가 무작위 문자열을 반 이상 중단하고 수용합니다.
  • 기계는 임의의 문자열을 반 이상 중단하고 거부합니다.

내 "그냥 열거"의견을 작성해 주셔서 감사합니다! ;) 두 가지 기술적 의견 : 글 머리 기호 1에서 ? 결국, 당신은 S ( Q ) 를 의미 합니까? >2i−1S(Q)
— Raphael

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P를 항상 정지시킬 필요가 없다면, 결정 론적 Turing 기계가 정지하는 경우에만 허용 하는 결정 론적 Turing 기계 P 를 구성하는 것은 사소한 것 입니다.
— Tsuyoshi Ito

당신의 가정은 무엇입니까? 궁극적으로 정지가 보장되지 않으면 확률 적 튜링 기계를 무효화 할 수 없습니다.
— Tsuyoshi Ito

정지 확률은 추가 문자열 AND 입력 단어 또는 무엇입니까?
— M. Alaggan

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@Mohammad ALAGGAN : 아니요, 해당 부분이 기록 된대로 정확합니다. 추가 문자열 (코인 플립의 결과를 지정) 만 인수 할 가능성이 있습니다. 입력 문자열에 대한 확률 분포를 가정하지 않기 때문에 입력 문자열에 대한 확률이 잘 정의되지 않았습니다. 입력 문자열에 대한 확률 분포가 정의되어 있어도 입력 문자열에 대한 정답 확률이 높다는 것은 알고리즘이 대부분의 입력에 대해 정확하다는 것만 의미하며 이는 알고리즘의 일반적인 요구 사항과 다릅니다.
— Tsuyoshi Ito

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확률 알고리즘이 의미하는 바에 따라 일부 술어가 결정됩니다.

결정적 튜링 머신 M에 대해 간단한 확률 알고리즘 P가 있습니다 .

  • M이 중단 되면 P ( M )은 0이 아닌 확률로 받아들입니다 .
  • M 이 멈추지 않으면 P ( M )은 절대로 받아들이지 않으며
  • P ( M )은 M 마다 확률 1로 정지 합니다.

따라서, 확률 론적 알고리즘 ( P) 은 이러한 의미에서 결정 론적 튜링 머신의 정지 문제를 해결한다. (여기서 " M을 정지하는"수단 " M의 빈에 대한 입력은 정지.")

그러나 현명한 방법으로 요구 사항을 강화하면 더 이상 결정 론적 튜링 기계의 정지 문제를 해결할 수 없을 것입니다. 예를 들어

  • 당신이 필요한 경우 P ( M을 중단) 항상 대신 단순히 확률 1 , 분명하다 P는 결정 론적 알고리즘을 시뮬레이션 할 수 있습니다. "항상"과 "확률이 1 인"의 차이점에 대한 설명은 Wikipedia 를 참조하십시오 .
  • P ( M )을 중단하여 모든 M에 대해 1/2보다 큰 확률로 정답을 제공 하여 오차 범위를 엄격 하게 설정 하면 (즉, P ( M )이 중단되거나 중단되지 않는 경우에는 신경 쓰지 않습니다. 사건의 나머지 부분에서 잘못된 대답을)주고, 다음 P는 에 명시된 인수 사용하여 결정 알고리즘에 의해 시뮬레이션 할 수 있습니다 카롤리나 Sołtys의 답변을 .

따라서 확률 론적 알고리즘은 이러한 의미에서 결정 론적 튜링 머신의 정지 문제를 해결할 수 없습니다.


내 무지를 용서하지만``항상 ''중지와``확률 1 ''로 중지의 차이점은 무엇입니까?
— Rob Simmons

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@Rob : 어려운 점이라고 생각합니다. 결과가 머리가 될 때까지 동전을 반복적으로 던지는 단순한 확률 적 튜링 기계를 고려하십시오. 모든 동전 던지기로 인해 꼬리가 생기는 경우를 제외하고이 튜링 기계는 정지합니다. 따라서 확률 1로 중지되지만 항상 중지되는 것은 아닙니다.
— Ito Tsuyoshi

Wikipedia에서“항상”과“확률 1 포함”의 차이점에 대한 설명을 찾았 으며 동일한 링크를 답변에 추가했습니다.
— Ito Tsuyoshi

정지하지 않고 P (M)가 실패하도록 허용하면 결정적 시뮬레이션을 수행 할 수있는 방법을 모르겠습니다. 예를 들어, 길이 N 접두사 문자열 집합에 대해 결정 론적 시뮬레이션을 실행하고 일정 시간이 지나면 접두사 <50 % 미만이 중지되고 응답이 있다고 가정합니다. 나머지 접두사 문자열이 단순히 응답을 반환하는 데 더 많은 시간이 필요한지 또는 실패 조건의 일부로 무한 루프에 빠졌는지 어떻게 알 수 있습니까? 전자의 경우 계속 기다립니다. 후자 인 경우 현재 라운드를 종료하고 길이 N + 1의 모든 접두사에서 다시 실행합니다.
— Mike Battaglia

이 때문에 그러나 이것은 결정하는 것은 불가능 하다 앞뒤가 맞지 않는 문제! 우리는 튜링 머신이 해당 입력에서 멈추는 지 여부를 알 방법이 없습니다.
— Mike Battaglia

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PPP

이것이 라파엘의 의견의 의미라고 생각합니다.


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A⊆NA

de Leeuw, K., Moore, EF, Shannon, CE 및 Shapiro, N. 확률 론적 기계에 의한 계산, Automata study, pp. 183–212. 수학 연구의 연대기. 34. Princeton University Press, 1956 년 뉴저지 프린스턴

G. 자루, 프린스턴 대학 출판부, 1963 년

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