P systems - Theory and Logic Group

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Rechnen mit Molekülen
Rudolf FREUND
[email protected]
http://www.emcc.at/
Fakultät für Informatik
Technische Universität Wien
Überblick
Molecular Computing
► DNA Computing
● Watson-Crick, Sticker Systems
● Splicing, Cutting/Recombination
● Test Tube Systems
► Membrane Computing
● P-Systeme - ein allgemeines Modell
● P-Systeme - ausgewählte Resultate
● P-Systeme - weitere Varianten/Modelle
● Ausblick
NATURAL COMPUTING
1. Lerne von der Natur, um neue theoretische
Modelle zu entwickeln (z.B. Computermodelle).
2. Verwende neue theoretische wissenschaftliche
Erkenntnisse aus den Naturwissenschaften und
ihren Anwendungsbereichen, um die (Vorgänge
in der) Natur besser zu verstehen.
• Quantum Computing
• Molecular Computing
Molecular Computing
• ist eines der aktuellsten und sich am schnellsten
entwickelnden Gebiete der Informatik
• vereint InformatikerInnen, BiologInnen, MedizinerInnen
• eröffnet neue Möglichkeiten für alle Bereiche:
► Computer helfen bei der
- Entschlüsselung des menschlischen Genoms,
- Simulation biologischer Prozesse,
- Darstellung und Aufbereitung medizinischer Daten;
► InformatikerInnen lernen von der Natur;
die größte Herausforderung:
die gewonnenen theoretischen Erkenntnisse
wieder in die Praxis umzusetzen, um damit zu
einem besseren Verständnis biologischer
Prozesse beizutragen.
Human Genome Project
• begann Oktober 1990, war auf 15 Jahre geplant
• bereits 2 Jahre früher (2003) beendet
Grund: rapider technologischer Fortschritt
• Projektziele
- Identifizierung aller Gene in menschlicher DNA
(ca. 20000 - 25000),
- Bestimmung der etwa 3 Milliarden Basispaare,
- Speicherung dieser Informationen in Datenbanken,
- Verbesserung der Methoden für die Datenanalyse,
- Transferierung verwandter Technologien in den
privaten Sektor,
- Beachtung ethischer, juristischer, and sozialer Aspekte.
Bioinformatik und
Computationale Biologie
• Medizinische Experten-/Diagnose-Systeme
• Telemedizin
• graphische Darstellung von NMR-Daten etc.
• Simulation biologischer Prozesse
• Drug Design
...
EMCC
European
Molecular
Computing
Consortium
Präsident: Grzegorz ROZENBERG (Leiden)
Österreichische Gruppe:
Rudolf FREUND
Franziska FREUND
Marion OSWALD
Franz WACHTLER
Watson-Crick-Komplementarität
Adenin(e)
Thymin(e)
DNA
DNS
Cytosin(e)
Guanin(e)
DeoxyriboNucleic Acid
DeoxyriboNucleinSäure
Doppelhelix
3´ …
5´ …
A
||
T
T
||
A
C
|||
G
G … 5´
|||
C … 3´
Sticker Systems
Freund R., Păun Gh., Rozenberg G., Salomaa A.,
Bidirectional Sticker Systems, Pacific Symposium on
Biocomputing '98, World Scientific, 1998.
„Dominoes“
Sticker Systems
Freund R., Păun Gh., Rozenberg G., Salomaa A.,
Bidirectional Sticker Systems, Pacific Symposium on
Biocomputing '98, World Scientific, 1998.
Satz. Jede rekursiv aufzählbare Sprache L kann als
Projektion einer von einem zweiseitigen Sticker-System
erzeugten Sprache dargestellt werden.
Sticker Systems - Universalität
3´ …
5´ …
A
||
T
T
||
A
C
|||
G
G … 5´
|||
C … 3´
Watson-Crick-Komplementarität entspricht Durchschnitt !
Durchschnitt zweier linearer Sprachen (lineare Grammatik
mit Produktionen der Gestalt A → uBv, C → λ ),
Projektion ergibt rekursiv aufzählbare Sprache.
DNA Splicing
3´ …
5´ …
A
||
T
T
C
C
sticky ends |||
A
G
G
… 5´
splicing 1
… 3´
3´ …
T
T
C
G … 5´
|| sticky ends |||
splicing 2
5´ … A
A
G
C … 3´
-------------------------------------------------------------------------------3´ …
5´ …
3´ …
5´ …
A
||
T
T
||
A
C
|||
G
G
|||
C
… 5´
T
||
A
T
||
A
C
|||
G
C
|||
G
… 5´
recombination 1
… 3´
… 3´
recombination 2
DNA Computing - Splicing
SPLICING RULE
r = u1 # u2 $ u3 # u4
x = x1 u1 u2 x2 , y = y1 u3 u4 y2 ,
z = x1 u1 u4 y2 , w = y1 u3 u2 x2
SPLICING
(x,y) r (z,w)
T. Head: Formal language theory and DNA: An analysis of
the generative capacity of specific recombinant behaviors.
Bull. Math. Biology, 49 (1987), 737-759.
E. Csuhaj-Varjú, R. Freund, L. Kari, Gh. Păun:
DNA computing based on splicing: universality results.
In: L. Hunter, T. Klein (Eds.): Pacific Symposium on
Biocomputing '96, WSP (1996), 179-190.
D. Pixton: Splicing in abstract families of languages.
Theoretical Computer Science 234 (2000), 135-166.
Splicing
Splicing:
r = u1 # u2 $ u3 # u4 ,
(x,y) r (z,w)
x = x1 u1 u2 x2 , y = y1 u3 u4 y2 , z = x1 u1 u4 y2 , w = y1 u3 u2 x2
x
x1
u1
y1
y
u3
u2
u4
x2
y2
------------------------------------------------------------------------------z
w
x1
u1
y1
u4
u3 u2
y2
x2
Cut and Recombine (CR)
CUTTING RULE
u1 # [m] $ [n] # u2
x = x1 u1 u2 x2 , y = x1 u1 [m] , z = [n] u2 y2
CUTTING
x r (y,z)
RECOMBINATION RULE
( [m] , [n] )
x = x1 u1 u2 x2 , y = x1 u1 [m] , z = [n] u2 y2
RECOMBINATION
(y,z) r x
R. Freund, F. Wachtler: Universal systems with operations
related to splicing. Computers and Art. Intelligence 15 (4).
Cut and Paste (CP)
CUTTING RULE
u1 # [m] c [n] # u2
x = x1 u1 c u2 x2 , y = x1 u1 [m] , z = [n] u2 y2
CUTTING
x r (y,z)
PASTING RULE
( [m] , c , [n] )
x = x1 u1 c u2 x2 , y = x1 u1 [m] , z = [n] u2 y2
PASTING
(y,z) r x
Splicing Systems / CR/CP Systems
ohne zusätzliche Mechanismen können nur
reguläre Sprachen erzeugt werden
computationale Vollständigkeit (Universalität):
- unendlich viele Regeln
- Multimengen
- periodische Regelmengen
- Kontrollmechnismen (Kontrollgraphen,...)
- Test Tube Systems
- Membransysteme
Test Tube Systems - Literatur
L. M. Adleman: Molecular computation of solutions
to combinatorial problems.
Science, 226 (Nov. 1994), 1021-1024.
(lab solution of small travelling salesman problem)
E. Csuhaj-Varjú, L. Kari, and Gh. Păun:
Test tube distributed systems based on splicing.
Computers and Artificial Intelligence, Vol. 15 (2)
(1996), 211-232.
R. Freund, E. Csuhaj-Varjú, and F. Wachtler:
Test tube systems with cutting/recombination operations.
In: R.B. Altman, A.K. Dunker, L. Hunter, T. Klein (Eds.):
Pacific Symposium on Biocomputing '97 (1997), 163-174.
Test Tube Systems - Definition
 = ( B , BT , n , A ,  , D , f )
•
•
•
•
B Objekte
BT  B Terminalobjekte
n Anzahl der Test Tubes
A = ( A1 , ... , An ) Ai Axiome in Tube i
•  = ( 1 , ... , n )
i Operationen in Tube i
• D Output/Input-Relationen der Gestalt
( i , F , j ) ; F ist ein Filter zwischen Tubes i und j
• f  { 1 , ... , n } finaler Test Tube für Resultate
Test Tube Systems - Schema
Filter (i, F, j)
Axiome i
Axiome j
Regeln i
Regeln j
Tube i
Tube j
TTS – Beginn eines Berechnungsschritts
Die Berechnungen im System  gehen folgendermaßen
vor sich:
Am Beginn der Berechnung werden die Axiome
entsprechend der durch A vorgegebenen Verteilung
auf die n Test Tubes verteilt, d.h., Test Tube Ti
beginnt mit Ai. Ist nun Li der Inhalt von Test Tube Ti
am Beginn eines Ableitungsschrittes, dann operieren
die Regeln von  auf Li und wir erhalten i*( Li).
TTS – Reaktionen in den Test Tubes
Filter (i, F, j)
Axiome i
Axiome j
Regeln i
Regeln j
Tube i
Tube j
TTS – Filtern und Wiederverteilen
Filter (i, F, j)
Tube i
Tube j
TTS - Wiederverteilung
Der nächste Teilschritt ist die Wiederverteilung
der Elemente von i*(Li) über alle Test Tubes
gemäß den entsprechenden Output/Input-
Relationen aus D, d.h., ist ( i,F,j) in D, dann
erhält der Test Tube Tj von i*(Li) nun i*(Li)  F,
während der Rest von i*(Li), der nicht über
andere Test Tubes verteilt werden kann, in Ti
verbleibt.
TTS – nächster Ableitungsschritt
Filter (i, F, j)
Axiome i
Axiome j
Regeln i
Regeln j
Tube i
Tube j
TTS – Resultat einer Berechnung
Das Resultat der Berechnungen in  besteht aus allen
Objekten aus BT im finalen Test Tube.
Das Resultat der Berechnungen in  könnte auch aus
allen Objekten aus B im finalen Test Tube bestehen,
d.h., in diesem Falle nehmen wir B = BT .
When two tubes are enough
TTS – Literatur
Rudolf Freund, Franziska Freund:
Test Tube Systems or
How to Bake a DNA Cake.
Acta Cybernetica, Vol. 12, Nr. 4, 445-459.
Rudolf Freund, Franziska Freund:
Test Tube Systems: When two tubes are enough.
DLT '99 and in: G. Rozenberg, W. Thomas (Eds.):
Developments in Language Theory,
Foundations, Applications and Perspectives.
WSP, Singapore (2000), 338-350.
TTS – Universalität mit CR
Satz. Jede rekursiv aufzählbare Sprache L kann
von einem TTS mit CR-Regeln
 = (MW*M , [e]W+[f] , 2, (A1, Ø ) , (C1  R1 , C2),
{(1, F1, 2) , (2, F2, 1)}, {2})
mit nur zwei Tubes und Filtern, die jeweils eine endliche
Vereinigung von Mengen der Gestalt mW+n mit
Markierungen m,n sind, erzeugt werden.
Beweis. Wir simulieren eine Grammatik
G = (N,T,P,S) mit L(G) = L{d}, wobei d jeweils im letzten
Ableitungsschritt in G erzeugt wird.
V = N  T  {B} , W = V  {d}.
Ein Wort w wird durch rotierte Versionen [x]w2Bw1[y] ,
w = w1w2 , repräsentiert.
Terminalwörter sind von der Gestalt [e]w[f] , w  T+.
Produktionen in P: p:   mit 1  |  | 2, 0  |  |  2 .
TTS – Universalität mit CR (Beweis)
M = {[e],[f],[e´],[f´], [x],[y],[x´],[y´]}  { [lp], [rp], [lp´] |pLab} 
{[xc],[yc],[xc´],[yc´] |cLab}
A1 = {[lp][y] |pLab, p:}  {[x]c[xc´], [yc´] [y] |cV} 
{[x]BS[y]}
C1 = {u#[rp] $ [lp´]#[y] | uV, pLab, p:, ||=2} 
{u#[rp] $ [lp´]#[y] | uV2  {B}, pLab, p:, ||=1}
R1 = {([rp],[lp])|pLab}  {([xc´], [xc] ), ([yc], [yc´]) |cV}
C2 = {u#[yc] $ [y´]#c[y], [x]#[x´] $ [xc]#u | u,c V} 
{[x]B#[e´] $ [e]#u, u#[f] $ [f´]#d[y] | uT}
D = {(1, F1, 2), (2, F2, 1)}
F1 = [x]W+[y]
F2 =
 cV
[xc]W+[yc]
•
TTS – Universalität mit Splicing
Satz. Jede rekursiv aufzählbare Sprache L kann
von einem TTS mit Splicing-Regeln
 = (W*,{E}W+{F}, 2, (A1,A2), (R1 R2), {(1,F1,2),(2,F2,1)}, {2})
mit nur zwei Tubes und Filtern, die jeweils eine endliche
Vereinigung von Mengen der Gestalt {A}W+{B} mit
A,B  W sind, erzeugt werden.
(Wort-)Grammatiken
Eine Grammatik G ist ein Konstrukt (N,T,P,S),
∙ N Nicht-Terminalsymbole;
∙ T Terminalsymbole, N ∩ T = { };
∙ P Produktionen der Gestalt u → v, u  V*, v  V+,
wobei V := N  T;
∙ S  N Startsymbol (oder S  V* Axiom).
Ableitungsrelation für u → v  P definiert durch
xuy u→v xvy für alle x,y  V*, was in Summe die
bekannte Ableitungsrelation G für G ergibt.
L(G) = { v  T* | S G* v } .
Sprachfamilie L(ARB): beliebige Produktionen;
Sprachfamilie L(CF): kontextfreie Produktionen der
Gestalt A → v mit A  N und v  V*.
Matrixgrammatiken
Eine Matrixgrammatik GM vom Typ X ist ein Konstrukt
(N,T,P,M,w)
wobei G = (N,T,P,w) eine Grammatik vom Typ X und
M eine endliche Menge endlicher Folgen von Produktionen
aus P ist (ein Element von M heißt Matrix).
Für eine Matrix m(i) = [mi,1,…,mi,n(i)] in M und
v,u  V* definieren wir v m(i) u genau dann wenn
w0,w1,…,wn(i)  V* sowie w0 = v, wn(i) = u,
und für alle j, 1 ≤ j ≤ n(i), wj-1 m(i,j) wj gemäß G.
L(GM) = {v  T* | w m(i,1) w1… m(i,k) wk,
wk = v, wj  V*, m(i,j)  M für 1 ≤ j ≤ k ,k ≥ 1}.
Sprachfamilie L(X-MAT)
Multimengen
Eine Multimenge u  <IN,V> ist eine Abbildung von V in IN,
wobei IN die Menge der nicht-negativen ganzen Zahlen ist.
Eine Multimenge u  <IN,V> kann auch durch das
entsprechende Wort aus V* angegeben werden, das jedes
Symbol aus V genau so oft enthält wie u oder, auch noch
anders formuliert, durch ein Wort aus V*, dessen ParikhVektor den Koeffizienten von u entspricht:
Multimenge <(a1,n1),...,(ak,nk)> entspricht
Parikh-Vektor (n1,...,nk) entspricht
Wort a1n1...aknk.
Wir betrachten auch Multimengen u  <IN,V>,
wobei IN = IN  { }.
Multimengen-Grammatiken
Eine Multimengen-Grammatik G ist ein Konstrukt (N,T,P,S),
∙ N Nicht-Terminalsymbole;
∙ T Terminalsymbole, N ∩ T = { };
∙ P Produktionen der Gestalt u → v, u,v  <IN,V>,
u nicht die leere Multimenge; V := N  T;
∙ S  <IN,V> Axiom.
Ableitungsrelation für u → v  P definiert durch
xu u→v xv für alle x  <IN,V>, in Summe G für G.
L(G) = { v  <IN,T> | S G* v } .
Sprachfamilie Ps(ARB): beliebige Produktionen;
Sprachfamilie Ps(CF): kontextfreie Produktionen der
Gestalt A → v mit A  N und v  <IN,V>.
Ps ... Parikh sets
Membransysteme
eingeführt von Gheorghe PǍUN (1998)
- gaben der theoretischen Informatik neue
Impulse, im Speziellen dem Gebiet der
formalen Sprachen;
- abstrahieren Eigenschaften lebender Zellen;
- erlauben die Konstruktion verschiedenster
Modelle universeller Computer,
- eingeschränkte Modelle erlauben die
Charakterisierung bekannter Sprachfamilien.
P-Systeme (Membranysteme)
(eingeführt von Gheorghe PǍUN , 1998)
Membranstruktur
Multimengen von Objekten
Evolutions-/Kommunikations-Regeln angewendet
• im maximal/minimal parallelen Modus
• im sequentiellen/asynchronen Modus
Auflösung / Erzeugung von Membranen
Viele Varianten sind universell.
Gheorghe Păun: Membrane Computing An Introduction. Springer-Verlag, Berlin, 2002.
The P Systems Web Page:
http://ppage.psystems.eu/
Membranstruktur [1 [2 [4 ]4 [5 ]5 ]2 [3 ]3 ]1
elementare
Membran
Region
4
5
2
0: Umgebung
3
Hautmembran
1
P-System - Definition
Ein P-System vom Typ X ist ein Konstrukt
 = ( V,T, μ, wμ, Rμ, f),
- V/T Symbole/Terminalsymbole;
- μ Membranstruktur von ; üblicherweise werden die
Membranen mit 1,...,n bezeichnet; die äußerste
Membrane wird mit 1 markiert (Hautmembran);
- wμ ( = (w0,w1,...,wn) ) ordnet der Umgebung (w0) und
jeder Region innerhalb einer Membran i, 1 ≤ i ≤ n, eine
initiale Multimenge über V zu (aus <IN,V>, üblicherweise
sind aber alle wi, i>0, nur aus <IN,V>);
- Rμ ( = (R1,...,Rn) ) ordnet jeder Membran i, 1 ≤ i ≤ n,
von μ Regeln vom Typ X zu;
- f Output-Membran, 1 ≤ f ≤ n.
P-System - Regeln
Eine Regel aus Ri in einem P-System ist von der Gestalt
Pa,Qa [ Pi,Qi | x [ u → v [ y.
Dabei werden die Multimengen x in der Region außerhalb
der Membran i und u innerhalb der Membran i durch die
Multimengen v bzw. y ersetzt („rewriting“), vorausgesetzt,
alle in den Mengen Pa und Pi enthaltenen Multisets kommen
in der Region außerhalb bzw. innerhalb der Membran i vor
und keiner der in den Mengen Qa und Qi enthaltenen
Multisets kommt in der Region außerhalb bzw. innerhalb der
Membran i vor.
maximal paralleler Ableitungsmodus
ist eines der gebräuchlichsten Merkmale vieler Modelle von
P-Systemen, die bisher eingeführt wurden.
Eine universelle Uhr, welche die parallele Anwendung
der Regeln steuert, erscheint unrealistisch, ist aber
für viele interessante theoretische Resultat wichtig, speziell
wenn es darum geht, Universalität zu beweisen und (NP-)
harte Probleme zu lösen.
Im maximal parallelen Ableitungsmodus (max) wird eine
Multimenge von Regeln derart ausgewählt, dass nach der
Zuweisung entsprechender Objekte zu den (Kopien der)
Regeln nicht genug Objekte mehr vorhanden sind, um noch
die Anwendung einer zusätzlichen Regel zu erlauben.
minimal paralleler Ableitungsmodus
Im minimal parallelen Ableitungsmodus (min) wird eine
Multimenge von Regeln derart ausgewählt, dass nach der
Zuweisung entsprechender Objekte zu den Regeln nicht
genug Objekte mehr vorhanden sind, um noch die
Anwendung einer zusätzlichen Regel aus einer mit einer
Membran assoziierten Regelmenge Ri, aus der noch keine
Regel verwendet wurde, zu erlauben.
Sequentieller und asynchroner
Ableitungsmodus
Im sequentiellen Ableitungsmodus (seq) wird in
jedem Ableitungsschritt genau eine Regel angewendet.
Im asynchronen Ableitungsmodus (asyn) wird in jedem
Ableitungsschritt eine beliebige Anzahl von Regeln
parallel angewendet.
Biologische Prozesse in lebenden Organismen
geschehen zwar parallel, aber nicht synchronisiert
durch eine universelle Uhr.
Viele Prozesse involvieren verschiedene Objekte
gleichzeitig, aber die Prozesse selbst sind nicht
synchronisiert.
P-System - Ableitung
Eine Ableitung im P system  geschieht folgendermaßen:
Wir starten mit wi in der Umgebung und den Regionen
innerhalb der Membranen.
In jedem Ableitungsschritt werden die den Membranen
zugeordneten Regeln gemäß dem Ableitungsmodus nondeterministisch ausgewählt und (parallel) angewendet.
P-System - Halten
Wir leiten im P system  so lange ab bis eine bestimmte
Haltebedingung erfüllt ist:
- totales Halten (H): im gesamten System ist keine Regel
mehr anwendbar;
- partielles Halten (h): aus einer Menge Ri ist keine Regel
mehr anwendbar;
- adultes Halten (a): keine Konfigurationsänderung mehr;
- Halten mit Endzustand (s).
P-System – erzeugte Sprache
Alle terminalen Multimengen aus <IN,T>, die am Ende
einer Ableitung in Membran f erscheinen, tragen zu der von
 erzeugten Menge von Multimengen Ps() bei.
Die Familie der von X-P-Systemen (mit
Membranstruktur μ) im Ableitungsmodus m
(seq, asyn, max, min) mit der Haltebedingung Y (H,h,a,s)
erzeugten Mengen wird mit Ps((p,f)X-P,m,Y) bezeichnet.
Sind alle Kontextbedingungen in einem X-P-System leer,
dann bezeichnen wir die entsprechenden Mengenfamilien
mit Ps(X-P,m,Y); sind nur erlaubte (“permitting contexts”)
bzw. nur verbotene Kontextbedingungen vorhanden
(“forbidding contexts”), d.h., alle Q-Mengen bzw. alle PMengen leer, dann bezeichnen wir die entsprechenden
Mengenfamilien mit Ps(pX-P,m,Y) bzw. Ps(fX-P,m,Y).
P-Systeme – minimal paralleler
Ableitungsmodus und partielles Halten
R. Freund, M. Oswald: P systems with partial halting.
2007.
Satz. P-Systeme können in einer beliebigen
Membranstruktur im sequentiellen, asynchronen und
minimal parallelen Ableitungsmodus
mit partiellem Halten nur Mengen von Multimengen
erzeugen, die auch von kontextfreien Matrixgrammatiken
erzeugten werden, d.h.,
Ps(X-P,{seq,asyn,min},h) = Ps(CF-MAT) = Ps(L(CF-MAT)).
P-Systeme mit Kommunikationsregeln
Kommunikationsregeln (communication rules)
Antiport-Regeln der Gestalt (u,out;v,in)
entsprechen Regeln v [ u → u[ v.
Symport-Regeln der Gestalt (u,out) bzw. (v,in))
entsprechen Regeln [ u → u[ bzw. v [ → [ v.
P-Systeme mit Kommunikationsregeln
Satz. P-Systeme mit Kommunikationsregeln (Antiportund Symport-Regeln) können in einer beliebigen
Membranstruktur im sequentiellen Ableitungsmodus
nur Mengen von Multimengen erzeugen, die auch
von Matrixgrammatiken erzeugt werden, d.h.,
Ps(AntiSym-P( [1 ]1 ),seq,{H,h}) =
Ps(AntiSym-P,seq,{H,h}) = Ps(CF-MAT) = Ps(L(CF-MAT)).
Satz. P-Systeme mit Antiport- und Symport-Regeln
können in nur einer Membran im maximal parallelen
Ableitungsmodus jede rekursiv aufzählbare Menge von
Vektoren nicht-negativer ganzer Zahlen erzeugen, d.h.,
Ps(AntiSym-P( [1 ]1 ),max,{H,h}) = Ps(L(ARB)).
P-Systeme für Wortsprachen
R. Freund: P systems working in the sequential mode
on Arrays and strings. DLT 2004, Dez. 2004, Auckland.
Satz. Jede rekursiv aufzählbare Sprache L kann
von einem P-System mit verbotenem Kontext und
kontextfreien Produktionen in einer Membranstruktur
von zwei Membranen im sequentiellen Ableitungsmodus
erzeugt werden, d.h. (f = forbidden context),
L(fCF-P( [1 [2 ]2 ]1,seq,H) ) = L(ARB).
P-Systeme ohne verbotenen Kontext
Satz. Ohne verbotenen Kontext können P-Systeme mit
kontextfreien Produktionen (in einer linearen
Membranstruktur von drei Membranen) im sequentiellen
Ableitungsmodus nur Sprachen erzeugen, die von
Matrixgrammatiken erzeugt werden, d.h.,
L((p)CF-P( [1 [2 [3 ]3 ]2 ]1 ),seq,H ) = L(CF-MAT).
Satz. Ohne Kontextbedingungen können P-Systeme mit
kontextfreien Produktionen (in einer linearen
Membranstruktur von drei Membranen) im maximal
parallelen Ableitungsmodus jede rekursiv
aufzählbare Sprache erzeugen, d.h.,
L(CF-P( [1 [2 [3 ]3 ]2 ]1 ) ,max,H) = L(ARB).
P-Systeme mit Splicing-Regeln
Satz. Jede rekursiv aufzählbare Sprache L kann
von einem P-System mit Splicing-Regeln mit nur
einer Membran und sogar ohne Kontextbedingungen
in den Regeln im sequentiellen Ableitungsmodus,
erzeugt werden, d.h.,
L(splicingP( [1 ]1 ),seq,{H,h})= L(ARB).
Axiome
(unbeschränkt)
außen | innen
|
Hautmembran
|
|
Splicing-Regeln
|
|
Axiome
(unbeschränkt)
Varianten von P-Systemen
► Erzeugung/Auflösung von Membranen
u.A. verwendet für die Implementierung paralleler
Algorithmen (üblicherweise linear in der Zeit), für
die Lösung (NP-)harter Probleme
► tissue(-like) P systems
beliebige Graphstruktur für die Verbindung zwischen
Zellen (nicht notwendigerweise ein Baum wie bei
P-Systemen);
z.B., zur Beschreibung neuraler Netzwerke
► ...
Ausblick
► Untersuchung der Komplexität verschiedener
Modelle von P-Systemen, vor allem im Hinblick
auf die Grenze zwischen Universalität und
Nicht-Universalität;
► (parallele) Algorithmen für die Lösung
(NP-)harter Probleme basierend auf P-Systemen;
► Untersuchung des Potentials verschiedener
Modelle von P-Systemen zur Beschreibung
biologischer Prozesse;
► Implementierung verschiedener Modelle von
P-Systemen “in silicio” und/oder “in vitro”;
► ...
DANKE
FÜR DIE AUFMERKSAMKEIT !
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