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전이 시스템

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1. 개요

전이 시스템은 상태 집합과 전이 관계의 쌍으로 정의되며, 상태 간의 전이를 나타낸다. 레이블 전이 시스템은 상태, 레이블, 레이블 전이 관계의 튜플로, 전이에 레이블을 추가하여 입력, 조건, 동작 등을 표현한다. 레이블 없는 전이 시스템은 레이블이 없는 경우를, 레이블 전이 시스템은 레이블이 있는 경우를 의미한다. 전이 시스템은 코대수 표현을 가질 수 있으며, 추상 재작성 시스템과 비교될 수 있다. 또한, 전이 시스템은 크립키 구조 및 액션 언어와 같은 개념으로 확장될 수 있다.

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전이 시스템
개요
유형추상 기계
분야컴퓨터 과학
수학
공학
정의
구성 요소상태 집합
초기 상태
전이 관계
상태시스템의 특정 시점에서의 조건
전이상태 간의 변화
속성
결정성결정적 또는 비결정적일 수 있음
가역성가역적 또는 비가역적일 수 있음
유한성유한 또는 무한 상태를 가질 수 있음
표현 방법
그래프상태 다이어그램
수학적 표기상태, 입력, 출력, 전이 함수를 사용하여 표현
활용
컴파일러 설계렉시컬 분석, 파싱
프로토콜 검증통신 프로토콜의 정확성 검증
인공지능에이전트의 행동 모델링
게임 개발게임 캐릭터의 행동 패턴 정의
소프트웨어 모델링시스템의 동작 방식 모델링 및 검증
종류
유한 상태 기계유한한 수의 상태를 가짐
푸시다운 오토마타스택을 사용하여 상태를 저장
튜링 기계무한한 길이의 테이프를 사용하여 계산 수행
수학적 정의
형식(S, Σ, T, s₀, A)
S상태의 유한 집합
Σ (시그마)입력의 유한 집합 (알파벳)
T상태 전이 관계 (S × Σ → S)
s₀초기 상태 (s₀ ∈ S)
A수용 상태의 집합 (A ⊆ S)
기타
참고 자료오토마타 이론
형식 언어
계산 가능성 이론

2. 형식적 정의

형식적으로, '''전이 시스템'''은 (S, T) 쌍으로, 여기서 S는 상태 집합이고 T, 즉 ''전이 관계''는 S \times S의 부분 집합이다. 상태 p에서 상태 q로의 전이가 존재하면 (p, q) \in T라고 하며, 이를 p \rightarrow q로 표기한다.

'''레이블 전이 시스템'''은 튜플 (S, \Lambda, T)로, 여기서 S는 상태 집합, \Lambda는 레이블 집합이고, T는 ''레이블 전이 관계''로 S \times \Lambda \times S의 부분 집합이다. 상태 p에서 레이블 \alpha를 가진 상태 q로의 전이가 있으면 (p, \alpha, q) \in T라고 하며, 이를 다음과 같이 표기한다.

:

p \xrightarrow{\alpha} q \,.



레이블은 관심 있는 언어에 따라 다른 것을 나타낼 수 있다. 레이블의 일반적인 용도로는 예상되는 입력, 전이를 트리거하기 위해 참이어야 하는 조건, 또는 전이 중에 수행되는 동작을 나타내는 것이 있다. 레이블 전이 시스템은 원래 ''명명된'' 전이 시스템으로 소개되었다.[1]

라벨 없는 상태 전이 시스템은 형식적으로는 튜플 (S, →)로 표시되며, S는 상태의 집합, →는 → ⊆ S × S인 S 상의 이항 관계 (즉, 전이)이다. p, q ∈ S에서 (p, q) ∈ →일 때, 이를 p → q로 표기한다. 이는 즉, 상태 p에서 상태 q로의 전이가 존재함을 의미한다.

라벨이 있는 상태 전이 시스템은 튜플 (S, Λ, →)로 표시되며, S는 상태의 집합, Λ는 라벨의 집합, → ⊆ S × Λ × S는 (라벨이 있는 전이의) 삼항 관계이다. p, q ∈ S에서 α ∈ Λ일 때, (p, α, q) ∈ →라면, 이를 다음과 같이 표기한다.

:

\begin{matrix}

& \alpha & \\

p & \rightarrow & q

\end{matrix}



이는 상태 p에서 상태 q로의 라벨 α가 붙은 전이가 존재함을 의미한다. 라벨은 대상 언어에 따라 다양한 사항을 표현한다. 일반적으로는 전이에 필요한 입력을 나타내는 경우, 전이의 트리거가 되는 조건을 나타내는 경우, 전이에 따라 실행되는 행동을 나타내는 경우가 있다.

2. 1. 레이블 없는 전이 시스템

형식적으로, 레이블 없는 전이 시스템은 튜플 (S, →)로 표시되며, S는 상태의 집합, →는 S 상의 이항 관계 (즉, 전이)이다.[1] p, q ∈ S에서 (p, q) ∈ →일 때, 이를 p → q로 표기한다. 이는 즉, 상태 p에서 상태 q로의 전이가 존재함을 의미한다.[1]

2. 2. 레이블 전이 시스템

'''레이블 전이 시스템'''은 튜플 (S, \Lambda, T)로, 여기서 S는 상태 집합, \Lambda는 레이블 집합이고, T는 ''레이블 전이 관계''로 S \times \Lambda \times S의 부분 집합이다. 상태 p에서 레이블 \alpha를 가진 상태 q로의 전이가 있으면 (p, \alpha, q) \in T라고 하며, 이를 다음과 같이 표기한다.[1]

::

p \xrightarrow{\alpha} q \,.



레이블은 관심 있는 언어에 따라 다른 것을 나타낼 수 있다. 레이블의 일반적인 용도로는 예상되는 입력, 전이를 트리거하기 위해 참이어야 하는 조건, 또는 전이 중에 수행되는 동작을 나타내는 것이 있다. 레이블 전이 시스템은 원래 ''명명된'' 전이 시스템으로 소개되었다.[1]

라벨이 있는 상태 전이 시스템은 튜플 (S, Λ, →)로 표시되며, S는 상태의 집합, Λ는 라벨의 집합, → ⊆ S × Λ × S는 (라벨이 있는 전이의) 삼항 관계이다. p, q ∈ S에서 α ∈ Λ일 때, (p, α, q) ∈ →라면, 이를 다음과 같이 표기한다.





\begin{matrix}

& \alpha & \\

p & \rightarrow & q

\end{matrix}





이는 상태 p에서 상태 q로의 라벨 α가 붙은 전이가 존재함을 의미한다. 라벨은 대상 언어에 따라 다양한 사항을 표현한다. 일반적으로는 전이에 필요한 입력을 나타내는 경우, 전이의 트리거가 되는 조건을 나타내는 경우, 전이에 따라 실행되는 행동을 나타내는 경우가 있다.

2. 2. 1. 특수한 경우

어떤 주어진 p\alpha에 대해, T에 단 하나의 튜플 (p, \alpha, q)만 존재한다면, \alpha는 ( p에 대해) ''결정적''이라고 말한다. 어떤 주어진 p\alpha에 대해, T에 적어도 하나의 튜플 (p, \alpha, q)가 존재한다면, \alpha는 ( p에 대해) ''실행 가능''하다고 말한다.

라벨 없는 상태 전이 시스템은 형식적으로는 튜플 (S, →)로 표시되며, S는 상태의 집합, →는 → ⊆ S × S인 S 상의 이항 관계 (즉, 전이)이다. p, q ∈ S에서 (p, q) ∈ →일 때, 이를 p → q로 표기한다. 이는 즉, 상태 p에서 상태 q로의 전이가 존재함을 의미한다.

라벨이 있는 상태 전이 시스템은 튜플 (S, Λ, →)로 표시되며, S는 상태의 집합, Λ는 라벨의 집합, → ⊆ S × Λ × S는 (라벨이 있는 전이의) 삼항 관계이다. p, q ∈ S에서 α ∈ Λ일 때, (p, α, q) ∈ →라면, 이를 다음과 같이 표기한다.

:


::

::\begin{matrix}

::& \alpha & \\

::p & \rightarrow & q

::\end{matrix}

::

::


이는 상태 p에서 상태 q로의 라벨 α가 붙은 전이가 존재함을 의미한다. 라벨은 대상 언어에 따라 다양한 사항을 표현한다. 일반적으로는 전이에 필요한 입력을 나타내는 경우, 전이의 트리거가 되는 조건을 나타내는 경우, 전이에 따라 실행되는 행동을 나타내는 경우가 있다.

2. 2. 2. 코대수 표현

S 상의 레이블이 있는 상태 전이 시스템은 \Lambda에서 레이블을 가지며, 함수 S \to \mathcal{P}(\Lambda \times S)와 일대일 대응을 이룬다. 여기서 \mathcal{P}는 (공변) 멱집합 펀터이다. 이 일대일 대응 하에서 (S, \Lambda, T)는 다음과 같이 정의된 \xi_T : S \to \mathcal{P}(\Lambda \times S)로 보내진다.

:: p \mapsto \{\,(\alpha, q) \in \Lambda \times S \mid p \xrightarrow{\alpha} q \,\}.

다시 말해, 레이블이 있는 상태 전이 시스템은 펀터 P(\Lambda \times {-})에 대한 코대수이다.

3. 레이블 전이 시스템과 레이블 없는 전이 시스템의 관계

이러한 개념들 사이에는 다양한 관계가 존재한다. 단순한 관계로는, 레이블 집합에 요소가 하나밖에 없는 레이블 전이 시스템은 레이블이 없는 전이 시스템과 동일하다. 하지만 이러한 관계는 반드시 그런 사소한 것만 있는 것은 아니다.

4. 추상 재작성 시스템과의 비교

레이블이 없는 전이 시스템은 수학적 객체로서 추상 재작성 시스템과 동일하다.[2] 재작성 관계를 인덱스된 관계 집합으로 간주하면, 레이블이 있는 전이 시스템은 인덱스가 레이블인 추상 재작성 시스템과 동일하게 볼 수 있다.[2] 그러나 전이 시스템에서는 레이블을 액션으로 해석하는 데 관심이 있는 반면, 추상 재작성 시스템에서는 객체가 어떻게 다른 객체로 변환(재작성)될 수 있는지에 초점을 맞춘다는 점에서 연구의 초점과 용어가 다르다.[2]

5. 확장

모델 검증에서, 전이 시스템은 때때로 상태에 대한 추가적인 라벨링 함수를 포함하도록 정의되기도 하며, 이는 크립키 구조의 개념을 포함하는 결과로 이어진다.[3]

액션 언어는 전이 시스템의 확장으로, ''플루언트'' 집합 ''F'', 값 집합 ''V'', 그리고 ''F'' × ''S''를 ''V''에 매핑하는 함수를 추가한다.[4]

참조

[1] 논문 Formal Verification of Parallel Programs https://dl.acm.org/c[...] 1976-07
[2] 서적 Term rewriting systems Cambridge University Press 2003
[3] 서적 Principles of Model Checking The MIT Press 2008
[4] 간행물 Action Languages 1998



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