BuK/IIm18/Vorlesung6

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== Übungsaufgabe 1, VL S.14 ==
Eine TM soll überprüfen ob $w$ die Form $uu$ besitzt. Für $u$ gilt $a^ib^ic^i$, bei Korrektheit von w soll u auf dem Band hinterlassen werden.

'''Anmerkung:''' der Teil der TM, welcher das Wort $w$ auf die Form $uu$ prüft ist schon in den Vorlesungsfolien gegeben. Es geht primär darum u nach akzeptieren von $w$, auf dem Band zu hinterlassen. Hierzu kann man unterschiedlich vorgehen, im Folgenden werden die Lösungsideen vorgestellt.

<popup name="Lösungsideen">
    ''1.'' Die erste Idee besteht darin bei jeder iteration in der die TM $w$ auf die Form $uu$ prüft, die TM an der Stelle zu erweitern und das u entsprechend zu hinterlassen.
    ''2.'' Man könnte auch den Ansatz verfolgen wobei die TM erst $w$ akzeptiert, am Ende steht hier ein Wort auf dem Band, der Form xxxxxx auf dem Band. Hier könnte man die Hälfte des
    Wortes löschen und dann beginnen das verbleibende u von vorne und hinten zu füllen.
</popup>

Erweiterung der TM:
<popup name="Lösung durch Erweiterung">
    Die Turing-Maschine wird so erweitert, dass bei jedem Durchlauf des Wortes das vorherige Wort verdoppelt wird.
    [[Bild:S3fagawa_Verdopplungsmaschine.png]]
</popup>

Vorgehen
<popup name="Vorstellung des Lösungsweges">
    Um die Lösung der Turing-Maschine nachvollziehen zu können. Als erstes muss man nach dem abtasten von $w$ ein oder zwei Blankzeichen überspringen und $u$ nun erzeugen.
    Bei dem ersten Durchlauf geht man also zwei Blankzeichen weiter und erzeugt $abc$. Die Überführungsfunktion hierfür ist trivial.  
    Diese ist dargestellt in der folgenden Abbildung.
    [[Bild:S3fagawa_Aufgab_BUK.png]]

    Bei dem nächsten Durchlauf wird $abc$ zu $aabbcc$. Die folgende Abbildung zeigt die zugehörige TM.
    [[Bild:S3fagawa_Aufgabe_BUK_2.png]]

    In allen weiteren Fällen wird jeweils genau ein b zu einem a, zwei c zu einem b und es kommen drei c hinzu. Die zugehörige TM ist unten zu sehen.
    [[Bild:S3fagawa_Aufgabe_BUK_3.png]]

    Zu der endgültigen Lösung kommt man wenn man die Lösungen zusammenführt und an die jeweilige Stelle der TM aus der Vorlesung einsetzt.
</popup>

== Übungsaufgabe 2, VL S.17 ==
Beweisen sie mittels Aussagenlogik $A \wedge B \rightarrow C \Leftrightarrow \neg C \wedge B \rightarrow \neg A$.

Der Beweis kann in Form einer Wahrheitstabelle erbracht werden. Dabei werden die folgenden Variabeln genutzt:

$A: P'$  ist entscheidbar

$B: P$  ist reduzierbar auf $P'$

$C: P$  ist entscheidbar


Als gegeben kann dabei nach Satz 1 betrachtet werden dass:

$A \wedge B \Rightarrow C$

zu beweisen ist:

$\neg C \wedge B \Rightarrow \neg A$


Beweis:
<table border=1>
    <tr>
        <th>$A$</th>
        <th>$\neg A$</th>
        <th>$B$</th>
        <th>$C$</th>
        <th>$\neg C$</th>
        <th>$A \wedge B$</th>
        <th>$A \wedge B \Rightarrow C$</th>
        <th>$\Leftrightarrow$</th>
        <th>$B \wedge \neg C$</th>
        <th>$B \wedge C \Rightarrow \neg A$</th>
    </tr>
    <tr>
        <td>$1$</td>
        <td>$0$</td>
        <td>$1$</td>
        <td>$1$</td>
        <td>$0$</td>
        <td>$1$</td>
        <td>$1$</td>
        <td>$1$</td>
        <td>$0$</td>
        <td>$1$</td>
    </tr>
    <tr>
        <td>$1$</td>
        <td>$0$</td>
        <td>$1$</td>
        <td>$1$</td>
        <td>$0$</td>
        <td>$1$</td>
        <td>$1$</td>
        <td>$1$</td>
        <td>$0$</td>
        <td>$1$</td>
    </tr>
    <tr>
        <td>$1$</td>
        <td>$0$</td>
        <td>$1$</td>
        <td>$0$</td>
        <td>$1$</td>
        <td>$1$</td>
        <td>$0$</td>
        <td>$1$</td>
        <td>$1$</td>
        <td>$0$</td>
    </tr>
    <tr>
        <td>$1$</td>
        <td>$0$</td>
        <td>$0$</td>
        <td>$1$</td>
        <td>$0$</td>
        <td>$0$</td>
        <td>$1$</td>
        <td>$1$</td>
        <td>$0$</td>
        <td>$1$</td>
    </tr>
    <tr>
        <td>$1$</td>
        <td>$0$</td>
        <td>$0$</td>
        <td>$0$</td>
        <td>$1$</td>
        <td>$0$</td>
        <td>$1$</td>
        <td>$1$</td>
        <td>$0$</td>
        <td>$1$</td>
    </tr>
    <tr>
        <td>$0$</td>
        <td>$1$</td>
        <td>$1$</td>
        <td>$1$</td>
        <td>$0$</td>
        <td>$0$</td>
        <td>$1$</td>
        <td>$1$</td>
        <td>$0$</td>
        <td>$1$</td>
    </tr>
    <tr>
        <td>$0$</td>
        <td>$1$</td>
        <td>$1$</td>
        <td>$0$</td>
        <td>$1$</td>
        <td>$0$</td>
        <td>$1$</td>
        <td>$1$</td>
        <td>$1$</td>
        <td>$1$</td>
    </tr>
    <tr>
        <td>$0$</td>
        <td>$1$</td>
        <td>$0$</td>
        <td>$1$</td>
        <td>$0$</td>
        <td>$0$</td>
        <td>$1$</td>
        <td>$1$</td>
        <td>$0$</td>
        <td>$1$</td>
    </tr>
    <tr>
        <td>$0$</td>
        <td>$1$</td>
        <td>$0$</td>
        <td>$0$</td>
        <td>$1$</td>
        <td>$0$</td>
        <td>$1$</td>
        <td>$1$</td>
        <td>$0$</td>
        <td>$1$</td>
    </tr>
</table>

Folgerung: Unter Beachtung von Satz 1 und deren Richtigkeit, kann man aufgrund der Äquivalenz der Wahrheitstabelle folgende Aussage treffen.
Wenn $P$ nicht entscheidbar ist und $P$ auf $P'$ reduziert wird dann ist $P'$ nicht entscheidbar.

== Übungsaufgabe 3, VL S.24 ==
Zeigen sie die Unentscheidbarkeit von $L_{\Sigma^{*}} := \{ \langle M \rangle | L(M) = \Sigma^{*} \}$ durch Reduktion des Halteproblems.

Beweisfigur:
[[Bild:S3fagawa_Beweisbild.png]]

Das Halteproblem soll hierbei auf die Unentscheidbarkeit der Entscheidbarkeit der Allsprache zurückgeführt werden.
Allgemein kann man zur Veranschaulichung zur Reduzierbarkeit Beweisfiguren benutzen.
Dies ist oben zu sehen. 
$M_2$ stellt die Turing-Maschine dar, welche das Halteproblem ($L_H$) d.h. $P$ auf die Entscheidbarkeit der Allsprache ($L_{\Sigma^{*}}$) d.h. P' reduziert.
$M_2$ bekommt als Eingabe eine Turing-Maschinen-Codierung und ein Wort und erzeugt ein Wort aus $\Sigma^{*}$.

Das erzeugte Wort wird der Turing-Maschine $M_1$ übergeben, diese entscheidet ob ein Wort $w$ zur Allsprache gehört oder nicht. Demzufolge ist die Ergebnismenge von $M_2 = \{ wahr, falsch \}$.
$M_2$ liefert wahr, wenn das produzierte Wort $w$ in der Allsprache, der Menge aller Wörter über einem Alphabet, enthalten ist oder kurz: $w \in \Sigma^{*}$
Hierzu ist es notwendig das $\langle M \rangle w$ stoppt.
$M_2$ liefert falsch, wenn das Wort $w \notin \Sigma^{*}$, d.h. $\langle M \rangle w$ stoppt nicht.

Somit kann man aus der Unentscheidbarkeit des Halteproblems, die Unentscheidbarkeit der Allsprache begründen