문맥 의존 언어

문맥 의존 언어(context-sensitive language)는 문맥 의존 문법이 생성하는 형식 언어이다. 이와 동치인 정의로, 비축약 문법이 생성하는 형식 언어라고 할 수도 있다. 문맥 의존 언어는 촘스키 위계에 속한 네 가지 유형의 형식 언어 중 하나이다.

계산적 성질

계산적으로 문맥 의존 언어는 선형유한 비결정적 튜링 기계, 즉 선형유한 오토마타와 동등하다. 이것은 입력의 길이가 ${\displaystyle n}$일 때 테이프의 길이가 ${\displaystyle kn}$칸으로 제한된 비결정적 튜링 기계이다. 이때 ${\displaystyle k}$는 기계에 따라 정해진 상수이다. 다시 말해, 이러한 기계가 인식하는 모든 언어는 문맥 의존 언어이고, 거꾸로 모든 문맥 의존 언어는 이러한 기계로 인식할 수 있다.

모든 문맥 의존 언어의 집합은 복잡도 종류 NLINSPACE 또는 NSPACE(O(n))으로 나타내기도 하는데, 비결정적 튜링 기계에서 선형 공간복잡도로 결정할 수 있기 때문이다.^[1] 복잡도 종류 LINSPACE (또는 DSPACE(O(n)))도 비슷하게 정의하지만 비결정적 튜링 기계 대신 결정적 튜링 기계를 사용하는 점이 다르다. LINSPACE이 NLINSPACE의 부분집합인 것은 당연하지만, LINSPACE = NLINSPACE인지는 아직 밝혀지지 않았다.^[2]

어느 문자열이 주어진 문맥 의존 언어 또는 결정적 문맥 의존 언어에 속하는지 결정하는 문제는 PSPACE-완전 문제이다.

예시

문맥 자유 언어가 아닌 문맥 의존 언어의 단순한 예시로 ${\displaystyle L=\{a^{n}b^{n}c^{n}:n\geq 1\}}$이 있다. 즉 n개의 "a", 그 뒤에 n개의 "b", 그 뒤에 n개의 "c"가 나오는 모든 문자열, 예컨대 abc, aabbcc, aaabbbccc 등을 모아 놓은 언어이다. 이 언어를 포함하는 더 큰 언어인 바크 언어(Bach language)^[3]는 "a", "b", "c"(또는 다른 아무런 세 기호)가 똑같은 횟수만큼 나타나는 모든 문자열, 예컨대 aabccb, baabcaccb 등을 모두 모아 놓은 언어인데, 이 역시 문맥 의존 언어이다.^[4][5]

언어 L을 인식하는 선형유한 오토마타를 만듦으로써 L이 문맥 의존 언어임을 보일 수 있다. L이 문맥 자유 언어가 아님을 보이려면 문맥 자유 언어에 대한 펌핑 보조정리를 사용할 수 있다.

문맥 자유 언어가 아닌 문맥 의존 언어의 다른 예시로는 다음과 같은 것이 있다.

${\displaystyle L_{Cross}=\{a^{m}b^{n}c^{m}d^{n}:m\geq 1,n\geq 1\}}$: 이 언어를 생성하는 문맥 의존 문법은 ${\displaystyle a^{m}C^{m}}$ 과 ${\displaystyle B^{n}d^{n}}$ 꼴의 문장 형식을 생성하는 문맥 자유 문법으로 시작해서 ${\displaystyle CB\rightarrow BC}$ 와 같은 자리바꿈 규칙을 추가하고, 새로운 시작 기호와 표준적인 문법적 장치를 더해서 만들 수 있다.

${\displaystyle L_{MUL3}=\{a^{m}b^{n}c^{mn}:m\geq 1,n\geq 1\}}$: (이름의 "3"은 알파벳이 3개 글자로 되어 있다는 뜻이다.) 즉 "곱셈" 연산은 문맥 의존 언어를 낳는다. (반면에 "덧셈" 연산은 문맥 자유 언어로 충분한데, 규칙 ${\displaystyle S\rightarrow aSc|R}$와 ${\displaystyle R\rightarrow bRc|bc}$로 구성된 문법을 보면 알 수 있다.) 곱셈의 교환법칙 때문에, 이 언어를 생성하는 가장 직관적인 문법은 중의적이다. 중의성을 해결하려면 더 제한된 부분집합, 예컨대 ${\displaystyle L_{ORDMUL3}=\{a^{m}b^{n}c^{mn}:1<m<n\}}$를 고려하면 된다. "곱셈" 언어를 변형해서 ${\displaystyle L_{MUL1}=\{a^{mn}:m>1,n>1\}}$를 만들 수 있고, 이로부터 다시 ${\displaystyle L_{m^{2}}=\{a^{m^{2}}:m>1\}}$, ${\displaystyle L_{m^{3}}=\{a^{m^{3}}:m>1\}}$ 따위의 문맥 의존 언어를 만들 수 있다.

${\displaystyle L_{REP}=\{w^{|w|}:w\in \Sigma ^{*}\}}$: 이 언어를 생성하는 문맥 의존 문법은 ${\displaystyle L_{Square}=\{w^{2}:w\in \Sigma ^{*}\}}$, ${\displaystyle L_{Cube}=\{w^{3}:w\in \Sigma ^{*}\}}$ 따위를 생성하는 문맥 의존 문법을 일반화해서 얻을 수 있다.

${\displaystyle L_{EXP}=\{a^{2^{n}}:n\geq 1\}}$.^[6]

${\displaystyle L_{PRIMES2}=\{w:|w|{\mbox{ is prime }}\}}$: (이름의 "2"는 알파벳이 2개 글자로 되어 있다는 뜻이다.) 유리스 하르트마니스는 펌핑 보조정리를 사용해 이 언어가 문맥 자유 언어가 아님을 보이고, 대응하는 선형유한 오토마타를 구성함으로써 이 언어가 문맥 의존 언어임을 보였다.^[7]

${\displaystyle L_{PRIMES1}=\{a^{p}:p{\mbox{ is prime }}\}}$: (이름의 "2"는 알파벳이 1개 글자로 되어 있다는 뜻이다.) 마티 소이톨라는 선형유한 오토마타를 사용해 이 사실을 보였고^[8] 마르티 펜토넨은 문맥 의존 문법을 사용해 보였다.^[9]

문맥 의존 언어가 아닌 재귀 언어의 예로는 결정 문제의 복잡도가 EXPSPACE-난해한 임의의 언어가 있다. 예를 들어 서로 동등한 두 정규 표현식의 짝들의 집합이 그러한 언어이다.

닫힘 성질

• 두 문맥 의존 언어의 합집합, 교집합, 문자열 연결은 문맥 의존 언어이다. 문맥 의존 언어의 클레이니 스타도 문맥 의존 언어이다.^[10]
• 문맥 의존 언어의 여집합은 문맥 의존 언어이다.^[11] 이 결과를 이머만-셀레프체니 정리라고 한다. 따라서 두 문맥 의존 언어의 차집합도 문맥 의존 언어이다.

각주

1. Rothe, Jörg (2005), 《Complexity theory and cryptology》, Texts in Theoretical Computer Science. An EATCS Series, Berlin: Springer-Verlag, 77쪽, ISBN 978-3-540-22147-0, MR 2164257 .
2. Odifreddi, P. G. (1999), 《Classical recursion theory. Vol. II》, Studies in Logic and the Foundations of Mathematics 143, Amsterdam: North-Holland Publishing Co., 236쪽, ISBN 978-0-444-50205-6, MR 1718169 .
3. Pullum, Geoffrey K. (1983). 《Context-freeness and the computer processing of human languages》. Proc. 21st Annual Meeting of the ACL. 
4. Bach, E. (1981). "Discontinuous constituents in generalized categorial grammars" 보관됨 2014-01-21 - 웨이백 머신. NELS, vol. 11, pp. 1–12.
5. Joshi, A.; Vijay-Shanker, K.; and Weir, D. (1991). "The convergence of mildly context-sensitive grammar formalisms". In: Sells, P., Shieber, S.M. and Wasow, T. (Editors). Foundational Issues in Natural Language Processing. Cambridge MA: Bradford.
6. Example 9.5 (p. 224) of Hopcroft, John E.; Ullman, Jeffrey D. (1979). Introduction to Automata Theory, Languages, and Computation. Addison-Wesley
7. J. Hartmanis and H. Shank (Jul 1968). “On the Recognition of Primes by Automata” (PDF). 《Journal of the ACM》 15 (3): 382–389. doi:10.1145/321466.321470. 
8. Salomaa, Arto (1969), Theory of Automata, ISBN 978-0-08-013376-8, Pergamon, 276 pages. doi 10.1016/C2013-0-02221-9 (pages 213-214, exercise 6.8)
9. Formal Languages by A. Salomaa, page 14, Example 2.5.
10. John E. Hopcroft; Jeffrey D. Ullman (1979). 《Introduction to Automata Theory, Languages, and Computation》. Addison-Wesley. ; Exercise 9.10, p.230. 2000년판에는 문맥 의존 언어에 관한 장이 빠졌다.
11. Immerman, Neil (1988). “Nondeterministic space is closed under complementation” (PDF). 《SIAM J. Comput.》 17 (5): 935–938. CiteSeerX 10.1.1.54.5941. doi:10.1137/0217058. 

• Sipser, M. (1996), Introduction to the Theory of Computation, PWS Publishing Co.

같이 보기

• 선형유한 오토마타
• 촘스키 위계