Qual é a máquina de Turing universal de 2 estados mais simples e incontroversa?


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Estou querendo codificar uma simples máquina de Turing nas regras de um jogo de cartas. Eu gostaria de torná-la uma máquina universal de Turing para provar sua integridade.

Até agora, criei um estado de jogo que codifica a máquina de Turing de 2 estados e 3 símbolos de Alex Smith . No entanto, parece (admitidamente baseado na Wikipedia) que há alguma controvérsia sobre se a máquina (2, 3) é realmente universal.

Por uma questão de rigidez, gostaria que minha prova apresentasse um UTM "não controverso". Então, minhas perguntas são:

  1. A máquina (2,3) é geralmente considerada universal, não universal ou controversa? Eu não sei onde seria um local respeitável para procurar a resposta para isso.

  2. Se a máquina (2,3) não é amplamente aceita como universal, qual é o menor N, de modo que uma máquina (2, N) é aceita de maneira não controversa como universal?

Editado para adicionar: Também seria útil conhecer todos os requisitos da fita infinita para as máquinas mencionadas, se você as conhecer. Parece que a máquina (2,3) requer um estado inicial de fita não periódico, o que será um pouco difícil de simular dentro das regras de um jogo de cartas.


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BTW, eu não sei dizer se as perguntas da máquina de Turing seriam melhor postadas aqui ou no MathOverflow. Estou tentando aqui primeiro porque o cs tem uma tag "turing-machines" e o MO não. Não estou fazendo uma simulação cruzada de acordo com a política, mas estou feliz por essa pergunta ser migrada, se esse for um lugar melhor para ela.
21412 AlexC

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Eu acho que este é um lugar razoável para esta pergunta.
Suresh Venkat

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Adicionado "universal" ao título. (A máquina de Turing de 2 estados mais simples interrompe qualquer um dos estados na leitura de qualquer símbolo.) #
214 Jeff Jeff

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ps anos atrás, procurou uma pesquisa sobre o assunto da universalidade turística em autômatos celulares sem sucesso. parece não ter sido muito integrado à literatura. o conceito é bastante difundido no "folclore" neste ponto, mas não muito fundamentado em definições / provas / teorias formais. O wolfram fez muito no campo, mas como muitos observaram, muito do seu estilo é mais experimentalista.
vzn

2
Heh. Colega de trabalho coloca o artigo ( arxiv.org/abs/1904.09828 ) no Slack e me deixa nerd, busco "2,18 tornos universais", e aqui estamos. Parabéns!
Cyan

Respostas:


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Houve novos resultados desde o trabalho citado nas respostas anteriores. Esta pesquisa descreve o estado da arte (veja a Figura 1). O tamanho da menor máquina universal de Turing conhecida depende dos detalhes do modelo e aqui estão dois resultados relevantes para esta discussão:

  • Existe uma máquina universal padrão de 2 estados e 18 símbolos (Rogozhin 1996. TCS, 168 (2): 215–240). Aqui temos a noção usual de símbolo em branco em uma ou ambas as direções de uma única fita.
  • Existe uma máquina fracamente universal de 2 estados e 4 símbolos (Neary, Woods 2009. FCT. Springer LNCS 5699: 262-273). Aqui temos uma única fita contendo a entrada finita e uma palavra constante (independente da entrada) repetida infinitamente para a direita, com outra palavra constante repetida infinitamente para a esquerda. Isso melhora a máquina fracamente universal mencionada por David Eppstein.lrl

Parece que o (2,18) é mais útil para você.

Observe que agora é sabido que todas as menores máquinas universais de Turing funcionam em tempo polinomial. Isso implica que seu problema de previsão (dado que uma máquina , entrada tempo limite unário, aceita dentro do tempo ?) Está P-completo. Se você está tentando fazer um jogo (para um jogador), isso pode ser útil, por exemplo, para mostrar que é difícil para o NP encontrar uma configuração inicial (mão de cartas) que leva a uma vitória em t movimentos. Para esses problemas de complexidade, nos preocupamos apenas com uma parte finita da fita, o que torna as máquinas (extremamente pequenas) fracamente universais muito úteis.w t M w tMwtMwt

Neary, Woods SOFSEM 2012, as menores máquinas de Turing universais conhecidas

A figura mostra as menores máquinas universais conhecidas para uma variedade de modelos de máquinas de Turing (extraídas de Neary, Woods SOFSEM 2012). As referências podem ser encontradas aqui .


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Esta não é uma resposta real à sua pergunta (não sei muito sobre o (2,3) debate sobre máquinas); mas sugiro o artigo " Máquinas pequenas de Turing e competição generalizada de castores ". Eu li rapidamente há algum tempo, e ele tem um bom gráfico com as fronteiras entre os 4 tipos de pequenas TMs:

  • decidível
  • problema semelhante ao Collatz aberto
  • 3x+1Simulação
  • universal

foto do papel

(talvez alguns resultados tenham sido aprimorados).

A noção de MT usada no artigo é a definição padrão de MT usada em papéis em pequenas máquinas universais de Turing:

... Eles têm uma fita unidimensional única, infinita nas duas direções, e um cabeçote de leitura / gravação de duas vias exclusivo. Há um símbolo em branco denotado por 0. Inicialmente, uma palavra finita, a entrada, é gravada na fita, outras células contêm o símbolo em branco, a cabeça lê o símbolo mais à esquerda da entrada e o estado é o estado inicial. Em cada etapa, de acordo com o estado atual da máquina e o símbolo lido pela cabeça, o símbolo é modificado, a cabeça se move para a esquerda ou direita (e não pode ficar lendo a mesma célula), e o estado é modificado. A computação para quando um estado de parada especial é atingido. ...


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O link vai para o artigo de Alex Smith, não para o artigo que acho que você pretendia.
Jeffε

Link muito útil. Obrigado. Parece que eu posso ir melhor para uma máquina (2, 18).
AlexC

Lendo esse documento, ele diz que as máquinas de Turing de 2 estados e 3 símbolos têm um problema de parada decidível, portanto, a máquina de Turing de 2 estados e 3 símbolos da Wolfram não pode ser universal.
Craig Feinstein

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@CraigFeinstein: o Wolfram (2,3) TM é um pouco diferente das TMs usuais: não possui um estado de parada e requer um suporte de fita infinito e não repetitivo. Ela não pode sequer ser considerado fracamente universal (a TM universal fracamente requer uma infinita repetido padrão em ambas as direções)
Marzio De Biasi

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Também é possível alcançar a universalidade com 7 estados e 2 símbolos, embora muitas das mesmas objeções se apliquem (condições iniciais não uniformes na fita infinita e condições incomuns de terminação). Consulte http://11011110.livejournal.com/104656.html e http://www.complex-systems.com/abstracts/v15_i01_a01.html

Eles se baseiam na simulação do autômato celular da Regra 110, provado universal por Matthew Cook, e Cook também encontrou uma simulação de 2 estados e 5 símbolos da Regra 110, se você estiver comprometido com a restrição de que haja apenas dois estados.


A restrição de dois estados será muito mais fácil de simular do que as TMs com mais estados. No momento, acho que será mais fácil fazer uma TM de 2 estados e 18 cores do que uma com 3 estados e até um pequeno número de cores.
AlexC

O (2, 5) é interessante e pode ser um passo intermediário útil para mim. Mas, a partir desses links, tenho que ir até (2, 18) para encontrar um que permita que eu comece com apenas finitas células não negras na fita inicial. Obrigado!
AlexC

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S0s<SC0c<C2LRC+4SC

Em todos os momentos, apenas a célula atual, ou as duas células envolvidas em uma transição, podem ter cores aprimoradas: todas as outras células têm sua cor verdadeira. Queremos que nossa máquina se comporte da seguinte maneira: verifique qual transição real deve ser executada, mova as informações de "estado verdadeiro" da célula que queremos deixar para a célula de destino (isso envolve muitas idas e vindas), limpe o célula que deixamos (dando uma cor verdadeira), repita.

(c,s)LR(cnew,snew,emit)L

cLc(c,0,L,receive)R

cc(c,s,emit)(c,0,L,receive)cc
ss0L

Aqui estão as transições para implementar isso. Em quase todos os casos, mova-se na direção especificada pelo estado atual e depois vire o estado

  1. c(c,0,dir,receive)dir

  2. (c,s)(cnew,snew,emit)

  3. (c,s,emit)(c,s1,emit)s>0

  4. (c,0,emit)c

  5. (c,s,dir,receive)(c,s+1,dir,receive)dir

  6. (c,s,dir,receive)(c,s)dir

C+3SC


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a menos que você defina cuidadosamente "não controverso" de alguma maneira técnica, não há uma resposta precisa. aqui está outra máquina pequena, baseada na regra 110, provada universal em certo sentido, mas meu entendimento é que ela requer infinitas formulações periódicas de fita de entrada (e da mesma forma extração no final quando a máquina pára). nunca vi a edição de fita "periódica versus não periódica" descrita na literatura, embora tenha sido discutida em, por exemplo, listas de discussão em matemática [lista de discussão Foundations of Mathematics]


-3

A prova de universalidade de Turing, de Alex Smith, da máquina de Turing de 2 estados e 3 símbolos, conjecturada por Wolfram, definitivamente não é controversa. A prova de universalidade fornecida (não a máquina) requer um padrão infinito na fita de Turing, e a questão era se alguém deveria permitir tais configurações (você pode pensar na fita geralmente 'em branco' como um padrão repetitivo infinito de símbolos em branco). A conclusão foi que, desde que a configuração na fita da máquina seja fixa (ou seja, ela não muda após o início do cálculo e permanece a mesma para qualquer cálculo), o cálculo universal é realizado pela máquina de Turing. Observe que isso NÃO é controverso para a regra 110 do autômato celular elementar da Wolfram, que Wolfram e Cook provaram ser universais. A prova de universalidade da regra 110 também requer um padrão infinito na configuração inicial, diferente em ambos os lados, e portanto é da mesma natureza para a máquina de Turing de 2 estados e 3 símbolos. Outra preocupação era que talvez esse relaxamento do requisito de condição inicial (em branco) tornasse universal alguns autômatos universais não-Turing aceitos, como autômatos de estado finito, lineares limitados ou push down para mencionar alguns exemplos, mas não o faz e respeita a hierarquia de Chomsky. Portanto, definitivamente não é controverso se a máquina de Turing de dois estados e três símbolos é universal, mas sua prova de universalidade exigia uma variação do que geralmente é considerado o cotamento de uma fita de máquina de Turing comum. Isso não implica diretamente, a propósito, que os dois estados,


Tentando analisar esse longo argumento, concluo que o (2,3) -TM de Smith é claramente apenas universal em um sentido fraco. No entanto, várias das outras respostas já discutiram isso em detalhes, com referências a artigos com classificações que tentam tornar essa narrativa matematicamente precisa. Observe também que nem todos os modelos de TM assumem uma fita em branco infinita para começar.
András Salamon

Seu comentário demonstra apenas que você ignora a área. Não usei nenhum conceito difícil para alguém com conhecimento básico das máquinas de Turing (por exemplo, configuração inicial, símbolo em branco, etc.). Novamente, a única diferença, e já aceita para outro tipo de autômato, é que a máquina Smith-Wolfram Turing não começa com uma fita em branco. A resposta certa tem -3 mostra claramente como democracia e popularidade não significam verdade, realização mais relevante do que qualquer outra coisa, dados os tipos de palhaços que agora estão governando o mundo sob a égide da democracia.
user2230103
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