【计算机基础理论】图灵机(Turing Machine)

        Alan Turing: On Computable Numbers, with an Application to the Entscheidungsproblem 

        resource: https://people.math.ethz.ch/~halorenz/4students/Literatur/TuringFullText.pdf

       文章背景:这篇论文是图灵为了回答大卫·希尔伯特(David Hilbert)提出的“判定问题”(Entscheidungsproblem)而写的。判定问题是指:“是否存在一个通用的方法或算法,可以判断任何一个数学命题是否为真或假”。图灵通过图灵机这个抽象计算模型,证明了并不存在这样一个通用的算法,解决了希尔伯特的判定问题。

1 定义

        图灵机(Turing Machine)是一种数学模型,由英国数学家艾伦·图灵于1936年提出,用来描述计算过程的理论机器。它是计算理论中的一个基本概念,定义了“算法”和“计算”是什么,能够模拟任何实际计算机的计算任务。

1.1 图灵机的构成部分

        图灵机是一个抽象的计算模型,用来模拟任何可计算的过程。其主要构成部分包括:

  • 纸带(Tape):图灵机的纸带是无限长的,分为许多方格,每个方格可以写入一个符号(例如0或1)。纸带相当于图灵机的内存,用于存储输入、输出以及中间计算的结果。
  • 读写头(Head):图灵机的读写头可以在纸带上左右移动。它可以读取当前所在方格的符号,并根据当前状态和读到的符号决定下一步操作,如写入新的符号或移动方向。
  • 状态集合(m-configurations):图灵机有一个有限的状态集,每个状态控制着机器的行为。图灵机的行为完全由当前的状态和读取到的符号决定。
  • 状态转移函数(State Transition Function):这是一个规则集,规定了在每种状态和符号下图灵机应该如何操作。图灵机会在不同状态间切换,并通过读写头修改纸带上的符号。

1.2 利用图灵机的案例

        论文中的一个简单实例演示了图灵机如何计算二进制序列。以下是一个图灵机用于计算交替的01的序列的案例。

图灵机的操作表如下:

  • 初始状态 b,纸带为空白,图灵机开始在纸带上写入0,并移动读写头到下一格。
  • 进入状态 r,然后在下一格写入1,继续向右移动读写头。
  • 不断重复,交替写入01,从而生成序列 010101...

每次操作的规则为:

  • 如果当前状态为 b 并且读到空白,则写入0并进入状态r
  • 如果当前状态为 r 并且读到空白,则写入1并返回状态b

通过这种方式,图灵机可以无限地生成交替的二进制序列。

2 文章说明

        本文内容来自大模型生成内容,笔者意在记录学习过程,最大的愿望是希望有理解更深层次的学者能够指导,说明这篇生成内容是否正确,并讲讲自己对图灵机的理解,不胜感激!

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