Probar que el conjunto de poderes de 2 sobre el alfabeto ternario no es regular.


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Es simple ver que los poderes de 2 sobre el alfabeto {0,1} son regulares porque 10 es una expresión regular para ello.

Pero los poderes de 2 representados en ternario parecen no ser regulares. El bombeo de clases de lema o residuos es difícil de aplicar, ya que parece haber muy poco patrón entre las cadenas. ¿Cómo lo resuelvo?

En general, para qué potencias de k representan en la base r , ¿es regular el conjunto?


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Una observación fácil es que si k y r son potencias del mismo número entero, el conjunto es regular. Supongo que lo contrario también es válido, pero no tengo una prueba.
Tsuyoshi Ito

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Creo que este es un ejercicio en el libro de Sipser.
Zeyu

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Parece tarea
Warren Schudy

Respuestas:


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Aquí hay una solución alternativa (con explicación detallada) usando el Teorema de Myhill-Nerode. Usaré la base y 2 para la lectura, pero la prueba generaliza para las bases arbitrarias r , k que no son potencias del mismo número entero.32r,k

(1) Muestre que, dada cualquier cadena ternaria , existe otra cadena y tal que x y es una potencia de 2 .xyxy2

Prueba: Dada cualquier (dejando que n sea ​​el número que representa), k y c { 0 , ... , 3 k - 1 } , existe y tal que x y representa 3 k n + c . De hecho, esto caracteriza todos los números que x y puede representar. Por lo tanto, encontrar el mínimo y tal que x y sea ​​una potencia de 2 depende de encontrar el número entero más pequeño kxnkc{0,,3k1}yxy3kn+cxyyxy2kde modo que tengamos una potencia de en el intervalo [ 3 k n , 3 k ( n + 1 ) - 1 ] . Tomando log base 2 , necesitamos encontrar k tal que tengamos un número entero en el intervalo [ k log 3 + log x , k log 3 + log ( x + 1 ) ] (dejando caer el - 12[3kn,3k(n+1)1]2k[klog3+logx,klog3+log(x+1)]1aquí es dudoso, pero simplifica los cálculos que no dependen de él). Tenga en cuenta que cambiar solo afecta a la porción k log 3 , por lo que podemos encontrar una k que nos acerque arbitrariamente a algún número entero.kklog3k

(2) Dada algo de y el mínimo y correspondiente , demuestre que existe una cadena x 'tal que el mínimo y correspondiente ' debe ser mayor que y . Repetir esto nos da infinitamente muchas clases de cadenas de equivalencia.xyyy

Esquema de prueba: Dado que , dada una x y sus correspondientes y y k siempre podemos encontrar algunos x = 2 m x donde log ( 2 m x + 1 ) - log ( 2 m x ) es lo suficientemente pequeño como para no contener ningún número entero en [ k log 3 + m + log x ,log2mx=m+logxxykx=2mxlog(2mx+1)log(2mx) . Tenga en cuenta que estamos usando implícitamente el hecho de que k log 3 + log x nunca puede ser un número entero.[klog3+m+logx,klog3+log(2mx+1)]klog3+logx


10

En general, para qué potencias de representan en la base r , ¿es regular el conjunto?kr

Su pregunta es un subcampo del Teorema de Cobham (Alan Cobham, Sobre la dependencia básica de conjuntos de números reconocibles por autómatas finitos, Theory of Computing Systems 3 (2): 186--192, 1969, doi: 10.1007 / BF01746527 ):

Deje que sea un conjunto de números enteros no negativos y dejar que m y n son enteros positivos multiplicativa independientes. Entonces S es reconocible por autómatas finitos en tanto m ary y n notación ary si y sólo si es en última instancia periódicaSmnSmn

Aquí, por multiplicativamente independiente, uno significa que no existe un valor distinto de cero y q tal que m p = n q . Cobham cita a Büchi para su caso específico de poderes de algunos k en la base r , que es reconocible solo si k y r son dependientes multiplicativamente .pqmp=nqkrkr

Si está interesado en este resultado, hay una encuesta bastante agradable de Véronique Bruyère, Georges Hansel, Christian Michaux y Roger Villemaire (Lógica y conjuntos de enteros reconocibles por , Boletín de la Sociedad Matemática Belga 1 (2), 1994, PDF ), que también muestra la relación con la aritmética de Presburger.p


5

El lema de bombeo implica que hay una secuencia como para algunos b , c , d , de modo que cada x n es una potencia de k . Entonces log k ( x n ) = d n log k ( r ) + c o n s t +xn=c+b(rdn1)/(rd1)b,c,dxnk es siempre un número entero, por lo que log k ( r ) es racional.logk(xn)=dnlogk(r)+const+o(1)logk(r)

Aquí hay una explicación de esa fórmula para . El lema de bombeo da las cadenas u , v , w de modo que cada cadena x n = u v n w es una potencia de k . Interpretación de estas cadenas como números y la escritura d y e para las longitudes de v y w respectivamente, x n = u r d n + e + v r d ( n - 1 )xnu,v,wxn=uvnwkdevwes una potencia ded. Entonces x n - x n - 1 =(u r d -u+v) r d ( n - 1 ) + e . Escribirb=(u r d -uxn=urdn+e+vrd(n1)+e+vrd(n2)+e++vre+wdxnxn1=(urdu+v)rd(n1)+e y c = x 0 - b tenemos x n = c + b ( r d n - 1 ) / ( r d - 1 ) .b=(urdu+v)rec=x0bxn=c+b(rdn1)/(rd1)


(1) Creo que necesita un término como para tratar la parte del prefijo del bombeo. (2) No puedo entender por qué d n log k r + O ( 1 ) ser siempre un número entero implica que log k r es racional. Más precisamente, como está escrito, es falso porque puedes encontrar 0 ε n < 1 tal que d n log k r + ε n es un número entero. Creo que necesitas algo más específico que la notación O. erdndnlogkr+O(1)logkr0εn<1dnlogkr+εn
Tsuyoshi Ito

Si escribe el término general como digamos, entonces la diferencia de Se puede ver que dos términos tienen la forma b r d n . xrdn+e+yrd(n1)+e+yrd(n2)+e++yre+zbrdn
Colin McQuillan

Es constante + o (1), que no es lo mismo que O (1).
domotorp

@domotorp: Creo que el elemento (2) en mi comentario anterior se refería a una parte que fue editada en la ventana de 5 minutos, pero no estoy seguro. Tal vez podría leer mal la respuesta.
Tsuyoshi Ito

@ Colin: No estoy seguro de lo que reclamas con tu último comentario. Me parece que su argumento muestra que un término como es necesario. erdn
Tsuyoshi Ito

4

Sea L el conjunto de potencias de 2 codificadas en la base 3. La codificación de 4n en la base 3 termina con 1, mientras que la codificación de 24n en la base 3 termina con 2. Por lo tanto, L=LΣ1 es la codificación de todos los poderes de 4.

La codificación de un entero m>0 en la base 3 toma log3(m+1) dígitos. Como ni 4n ni 4n+1 son potencias de 3 para n>0 (dado que ninguno es divisible por 3), la codificación de 4n toma log34n+1 dígitos.

Deje N={log34n:n0} (esta es una secuencia Beatty ). Supongamos que L fuera regular. Entonces también lo sería L . Esto implica que el conjunto de longitudes de palabras en L es eventualmente periódico, por lo que N es eventualmente periódico. En particular, N tendría densidad racional asintótica. Sin embargo, N tiene densidad asintótica 1/log34 , lo cual es irracional.

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