Методические указания к курсу ”Сложность вычислений” (стр. 4 )

  Если  машина  M  допускает  цепочку  ω  длины  n,  то  совершает  при  этом  не  более  T(n)  переходов. Очевидно,  что  в  последовательности  из  T(n)  шагов  головки  мащины  M  могут  разойтись  не  более  чем  на  T(n)  клеток,  и,  значит,  M1  может  смоделировать  один  шаг  этой  последовательности  не  более  чем  за  O(T(n)) своих  шагов.  Таким  образом,  M1  допускает  цепочку  ω,  выполняя  не  более  чем  O(T2 (n)) переходов. 

Следствие 1.  Если  язык  допускается  k-ленточной  детерминированной  машиной  Тьюринга  с  временной  сложностью  T(n),  то  он  допускается  одноленточной  детерминированной  машиной  Тьюринга  с  временной  сложностью  O(T2(n)).

Следствие 2.  Если  язык  L  допускается  k-ленточной  недетерминированной  машиной  Тьюринга  с  емкостной  сложностью  S(n),  то  он  допускается  одноленточной  недетерминированной  машиной  Тьюринга  с  емкостной  сложностью  S(n).

Следствие 3. Если  язык  допускается  k-ленточной  детерминированной  машиной  Тьюринга  с  емкостной  сложностью  S(n),  то  он  допускается  одноленточной  детерминированной  машиной  Тьюринга  с  емкостной  сложностью S(n).

Имитация  машины  Тьюринга  на  компьютере  и  компьютера  на  машине  Тьюринга.

  К  основным  компонентам  вычислительной  машины  относятся  оперативная  память  и  процессор.  Программы  и  данные,  представленные  в  двоичном  алфавите,  помещаются  в  память.  При  выполнении  программы  отдельные  ее  команды  и  нужные  данные  извлекаются  из  памяти  в процессор  и  наоборот – значения,  получаемые  при  выполнении  команд,  записываются  в  ячейки  памяти. 

  Память  состоит  из  некоторого  числа  запоминающих  ячеек (регистров),  предназначенных  для  промежуточного  хранения  значений  операндов  и  для  хранения  другой  информации,  необходимой  для  выполнения  команд, регистров для  управления  запоминающими  ячейками,  адресов  ячеек  и  полей  самих  ячеек.

  Процессор  состоит  из  устройства  управления (УУ)  и  арифметического  устройство (АУ). Устройство  управления  содержит  счетчик  тактов, команд  и  т. д., вырабатывает  управляющие  сигналы  для  выполнения  команд,  передачи  данных  и  т. д. Процессор  содержит  регистры  операндов,  линии  связи  и  линии  задержки  для  непосредственной  реализации  процессов  вычислений.

  Наряду  с  процессором  и  памятью  компьютеру  необходимы  еще  устройства  ввода/вывода.

Имитация  машины  Тьюринга  на  компьютере.  Пусть  M - машина  Тьюринга,  одним  из  составляющих  которой  является  ее  конечное  управление.  Поскольку  M  имеет  конечное  число  состояний  и  конечное  число  правил  перехода,  программа  компьютера  может  закодировать  состояния  в  виде  цепочек  символов,  как  и  символы  ее  внешнего  алфавита,  и  использовать  таблицу  переходов  машины  M  для  преобразования  цепочек.  Бесконечную  ленту  машины  Тьюринга  можно  имитировать  сменными  дисками,  размещаемыми  в  двух  магазинах,  соответственно  для  данных,  расположенных  слева  и  справа  от  считывающей  головки  на  ленте. Чем  дальше  в  магазине  расположены  данные,  тем  дальше  они  от  головки  на  ленте. 

Для  имитации  компьютера  на  машине Тьюринга  существенны  две  вещи:

существуют  ли  инструкции,  выполняемые  компьютером,  и  недоступные  для  машины  Тьюринга; работает  ли  компьютер  быстрее  машины  Тьюринга,  т. е. более,  чем  полиномиальная  зависимость  разделяет  время  работы  компьютера  и  машины  Тьюринга  при  решении  какой-то  проблемы. 

Неформальная  модель  реального  компьютера:

- память, состоящая  из  последовательности  слов  и их  адресов.  В качестве  адресов будут использоваться  натуральные  числа  0,1, …;

- программа  компьютера,  записанная  в  слова  памяти, каждое  из  которых  представляет  простую  инструкцию.  Допускается  “непрямая  адресация”  по  указателям;

- каждая  инструкция  использует  конечное  число  слов  и  изменяет  значение  не  более  одного  слова;

- имеются  слова  памяти  с  быстрым  доступом (регистры),  но  скорость  доступа  к  различным  словам  влияет  лишь  на  константный  сомножитель,  что  не  искажает  полиномиальную  зависимость. 

Возможная  конструкция  машины  Тьюринга  для  имитации  компьютера 

представлена  на  рис. 

Рис

Машина  имеет  несколько  лент.  Первая  лента  представляет  всю  память  компьютера –  адреса  и  значения (в двоичной  системе). Адреса  заканчиваются  маркером  *,  значения – маркером  #.  Начало  и  конец  записей  1-й  ленты  обозначаются  маркером  $.  Вторая  лента – “счетчик  инструкций”,  содержит  одно  двоичное  целое, представляющее  одну  из  позиций  считываюшей  головки  на  первой  ленте,  адрес  инструкции,  которая  должна  быть  выполнена  следующей.  Третья  лента  содержит  адрес  и  значение  по  нему  после  того,  как  этот  адрес  устанавливается  на  первой  ленте.  Для  выполнения  инструкции  машина  Тьюринга  должна  найти  значение  по  одному  или  нескольким  адресам  памяти,  где  хранятся  данные,  участвующие  в  вычислении.  Нужный  адрес  копируется  на  ленту  3  и  сравнивается  с  адресами  на  ленте  1  до  совпадения.  Значение  по  этому  адресу  копируется  на  третью  ленту  и  перемещается  на  нужное  место,  как  правило,  по  одному  из  начальных  адресов,  представляющих  регистры  компьютера.  Четвертая  лента  имитирует  входной  файл. Пятая  лента - рабочая  память,  служит  для  выполнения  вычислений.  Допускающая  инструкция  машины  Тьюринга  соответствует  выводу  на  печать  в  выходном  файле.

Функционирование  такой  имитирующей  машины:

1.Найдя  на  1-й  ленте  адрес, совпадающий  с  номером  инструкции  на  2-й  ленте, исследуем  значение  по  нему  и  копируем  на  3-ю  ленту.  Первые  биты  инструкции  задают  действие (копировать, вставить, ветвиться  и  т. д.),  оставщиеся  биты – адрес  или  адреса,  используемые  в  этом  действии.

2. Если  в  инструкции  содержится  значение  по  некоторому  адресу,  то  этот  адрес  копируется  на  3-ю  ленту, а позиция  инструкции  на  2-ю  дорожку  1-й  ленты.

3. Далее  инструкция  выполняется.  С  новым  значением  можно  сделать  следующее:

скопировать  по  другому  адресу;

Второй  адрес  извлекается  из  инструкции,  помещается  на  3-ю  ленту, находится  на  1-й  ленте  и  значение  по  нему  копируется  в  зарезервированное  для  него  пространство. Если  для  нового  значения  надо  больше (меньше)  памяти,  чем  для  старого,  пространство  изменяется  путем  сдвига, а  именно,

на  рабочую  ленту  копируется  часть  ленты  справа  от  того  места,  куда  надо  поместить  новое  значение; новое  значение  записывается  на  1-ю  ленту; рабочая  часть  копируется  обратно  на  1-ю  ленту  справа  от  нового  значения. прибавить  найденное  значение  по  другому  адресу;

Ищем  второй  адрес  на  первой  ленте,  выполняем  сложение  значения  по  этому  адресу  и  записанному  на  3-й  ленте.