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Übungen: Der Kellerautomat

Zehn Übungen zu Kellerzeichen, Übergängen und Läufen — und ein Automat, der fast richtig ist.

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Übungsaufgaben

Zehn Übungen zum Klicken, Zuordnen, Nachverfolgen und Knobeln — von AFB I bis AFB III. Jede Übung gibt sofort Rückmeldung; wenn Sie nicht weiterkommen, helfen die gestuften Tipps.

A1
DEA oder Keller?
AFB I

Ordnen Sie jeden Bestandteil zu: Gehört er zu beiden Automatenarten oder nur zum Kellerautomaten?

Ziehen Sie jede Karte in den passenden Korb — oder wählen Sie sie mit Enter aus und drücken dann die Ziffer des Korbs (0 legt sie zurück).
1DEA und Kellerautomat
2nur Kellerautomat
Der Kellerautomat ist ein endlicher Automat mit Zusatzspeicher: Alles, was ein DEA hat, bleibt erhalten. Neu sind der Keller mit Γ und #, die Übergangsnotation mit oberstem Kellerzeichen und ε-Übergänge. Typischer Fehler: ε-Übergänge auch dem DEA zuordnen — ein DEA liest bei jedem Übergang genau ein Zeichen.
Ansatz: Was braucht jeder Automat, um ein Wort zu lesen und zu entscheiden?
Weiter: Alles, was mit dem Keller zu tun hat, gibt es nur beim Kellerautomaten.
A2
Stimmt das? — Notation
AFB I

Nennen Sie zu jeder Aussage über Kellerautomaten, ob sie stimmt.

5 Aussagen nacheinander. Eine falsche Einschätzung reicht — dann starten Sie die Serie mit „Neue Runde“ neu.
Aussage 1 von 5

Die zwei häufigsten Irrtümer: Das oberste Zeichen wird nicht nur „angeschaut“, sondern entfernt — und akzeptiert wird über den Endzustand, nicht über den leeren Keller.
Ansatz: Denken Sie an die Reihenfolge: Welches Zeichen von W wird zuerst abgelegt?
Weiter: Lesen Sie im Merke-Kasten nach, wann ein Wort akzeptiert wird.
A3
Ein Übergang zerlegt
AFB I

Betrachten Sie den Übergang (K,[):KK. Geben Sie zu jedem Teil der Notation die passende Bedeutung an, indem Sie beide verbinden.

Ansatz: Die Klammer liest man „oben liegt …, gelesen wird …“.
Weiter: Hinter dem Doppelpunkt steht, was danach im Keller abgelegt wird.
A4
Lauf von KL
AFB II

Der Kellerautomat KL soll korrekt geklammerte Folgen aus eckigen Klammern erkennen.

Kellerautomat KL (Σ = {[, ]}, Γ = {K, #})
z0z1(#,[):K#(K,[):KK(K,]):ε(#,ε):#

Wenden Sie den Automaten auf das Wort [[]] an. Notieren Sie den Kellerinhalt mit dem obersten Zeichen links, z. B. K#.

Arbeiten Sie die Kette Schritt für Schritt ab: Erst wenn ein Schritt stimmt, wird der nächste freigeschaltet. Enter prüft.
  1. Keller nach dem 1. Zeichen
  2. Keller nach dem 2. Zeichen
  3. Keller nach dem 3. Zeichen
  4. Keller nach dem 4. Zeichen
  5. Zustand nach dem ε-Übergang
  6. angenommen oder abgelehnt?
Jede [ legt ein K ab, jede ] nimmt eins weg. Nach dem vierten Zeichen liegt wieder # oben, darum führt (#,ε):# nach z1: angenommen. Typischer Fehler: beim ersten Zeichen #K schreiben — das rechte Zeichen von K# wird zuerst abgelegt, oben liegt also K.
Ansatz: Suchen Sie zu jedem Schritt den Übergang, der zum obersten Kellerzeichen und zum gelesenen Zeichen passt.
Weiter: Nach dem letzten Zeichen darf ein ε-Übergang folgen — welcher passt, wenn # oben liegt?
A5
Was liegt danach im Keller?
AFB II

Im Keller liegt AB# (A oben). Bestimmen Sie für jeden Übergang einzeln, welcher Kellerinhalt danach entsteht (oberstes Zeichen links, leerer Keller als ε).

Tragen Sie die Werte ein und prüfen Sie dann. Enter prüft ebenfalls.
ÜbergangKellerinhalt danach
(A,a):BA
(A,b):ε
(A,c):A
(A,ε):CCA
(A,d):B
Rezept: oberstes Zeichen A streichen (Rest B#), dann W links davorschreiben. So wird aus (A,ε):CCA der Inhalt CCAB#. (A,c):A ändert den Keller gar nicht, (A,d):B tauscht das oberste Zeichen aus. Typischer Fehler: W rechts anhängen statt links davor.
Ansatz: Streichen Sie zuerst das oberste Zeichen. Was bleibt übrig?
Weiter: Schreiben Sie W links vor den Rest — das linke Zeichen von W liegt dann oben.
A6
Konfigurationen ordnen
AFB II

KL (siehe A4) liest das Wort [][]. Ordnen Sie die Konfigurationen (Zustand, Resteingabe, Keller) in die Reihenfolge des akzeptierenden Laufs ein.

Ziehen Sie die Karten in die richtige Reihenfolge — mit der Tastatur: ↑/↓ verschiebt, Shift+↑/↓ wechselt nur den Fokus.
1(z0, [][], #)
2(z0, ][], K#)
3(z0, [], #)
4(z0, ], K#)
5(z0, ε, #)
6(z1, ε, #)
Die Resteingabe wird bei jedem lesenden Übergang um ein Zeichen kürzer, der Keller wechselt zwischen # und K#. Erst ganz am Ende führt der ε-Übergang nach z1. Typischer Fehler: die Konfiguration (z0, [], #) direkt nach dem Start einordnen — dazwischen liegt noch der Schritt mit K#.
Ansatz: Ordnen Sie zuerst nach der Länge der Resteingabe.
Weiter: Zwei Konfigurationen haben die Resteingabe ε — welche kommt durch den ε-Übergang zustande?
A7
Was akzeptiert KL?
AFB II Mix

Ermitteln Sie mithilfe von KL (siehe A4) und Ihrem Wissen aus 9.2.2, welche Aussagen zutreffen.

Mehrere Antworten sind richtig. Markieren Sie alle zutreffenden und klicken Sie dann auf „Prüfen“.
ε wird akzeptiert, weil sofort (#,ε):# nach z1 führt und nichts mehr zu lesen ist. Bei []] steht beim dritten Zeichen # oben — (#,]) gibt es nicht; der Umweg über z1 hilft nicht, weil das Wort nicht vollständig gelesen ist. Beliebig tiefe Klammerung kann nach 9.2.2 kein DEA prüfen.
Ansatz: Spielen Sie jedes Wort kurz mit dem Keller durch — was liegt oben, wenn das nächste Zeichen kommt?
Weiter: Akzeptiert heißt: ganz gelesen und im Endzustand. Klammerung beliebiger Tiefe braucht unbeschränktes Zählen.
A8
Fehlersuche: Mias Erklärung
AFB III

Mia erklärt, was KL (siehe A4) mit dem Wort []] macht. Überprüfen Sie ihre Erklärung — drei Zeilen sind fehlerhaft.

In dieser Lösung stecken Fehler. Klicken Sie genau die falschen Zeilen an — die richtigen müssen stehen bleiben.
Zeile 5 klingt verdächtig, stimmt aber: Der ε-Übergang ist möglich, führt nur in eine Sackgasse. Fehlerhaft sind die Ablagereihenfolge in Zeile 2 und die beiden Akzeptanz-Aussagen: Es zählt allein „vollständig gelesen und im Endzustand“.
Ansatz: Prüfen Sie jede Zeile gegen zwei Regeln: Ablagereihenfolge und Akzeptanzbedingung.
Weiter: Reicht es, dass ein Lauf irgendwann in z1 ist — auch wenn noch Zeichen übrig sind?
A9
Zwei Klammerarten
AFB III

KL (siehe A4) soll so verändert werden, dass er auch Spitzklammern < > prüft: Σ = {[, ], <, >}, Γ = {K, W, #}. K steht für eine offene [, W für eine offene <. Jede schließende Klammer muss zur zuletzt geöffneten passen.

Wort anklicken, dann Lücke anklicken (oder umgekehrt) — mit Tab und Enter geht es genauso. Ein Klick auf eine gefüllte Lücke legt das Wort zurück.

Liegt # oben und wird < gelesen: . Liegt K oben und wird < gelesen: . Liegt W oben und wird [ gelesen: . Eine > schließt die zuletzt geöffnete Spitzklammer: . Der Übergang in den Endzustand bleibt: .

Beim Öffnen wird das oberste Zeichen wieder abgelegt und das neue links davor gesetzt: (K,<):WK, nicht KW — sonst läge K oben. (K,>):ε fehlt absichtlich: Eine > darf keine offene [ schließen, der Automat bleibt dann stecken. Genau das verhindert Überkreuzungen wie [<]>.
Ansatz: Beim Öffnen: altes oberstes Zeichen zurücklegen und das neue Zeichen oben drauf.
Weiter: Beim Schließen muss das oberste Zeichen zur Klammerart passen — K zu ], W zu >.
A10
Der Ein-Zustand-Automat
AFB III Trick

Tom hat einen Kellerautomaten T für \(L=\{a^nb^n\mid n\ge 0\}\) gebaut: nur ein Zustand z0, zugleich Start- und Endzustand, mit den Schleifen (#,a):A#, (A,a):AA und (A,b):ε. Beurteilen Sie seinen Automaten, indem Sie die Menüs ausfüllen.

Wählen Sie in jedem Menü den passenden Eintrag und prüfen Sie dann alle auf einmal.

aab wird von T akzeptiert:

abab wird von T akzeptiert:

ba wird von T akzeptiert:

T akzeptiert genau die Wörter,

Urteil:

Die Falle: Die Übergänge sehen aus wie beim aⁿbⁿ-Automaten. Weil z0 aber Endzustand ist, wird jedes Wort akzeptiert, das T vollständig lesen kann — auch aab (Rest A im Keller) und abab (a und b im Wechsel). Stecken bleibt T nur, wenn ein b kommt, während # oben liegt. Es fehlen die Phasentrennung (nach dem ersten b kein a mehr) und die Prüfung (#,ε):# vor dem Endzustand.
Ansatz: Spielen Sie aab und abab durch. Wo steht T nach dem letzten Zeichen?
Weiter: z0 ist Endzustand — was wird also akzeptiert, sobald T ein Wort vollständig lesen kann?