Powerpoint-Präsentation Teil 1
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Formale Sprachen Teil 1 Klaus Becker 2006 Sprachbeschreibung und -erkennung 2 Sprachbeschreibung mit Grammatiken, Syntaxdiagrammen, regulären Ausdrücken Spracherkennung mit endlichen Automaten Anwendungen 3 Teil 1 Einführung 4 Email-Adresse Vertippt! Sie wollen immer auf dem neuesten Stand sein und daher die entsprechende „Newsletter“ abonnieren. Gott sei Dank „bemerkt“ das System ihren Tippfehler. Quelle: http://www.the-low-carb-way.com/coffee.php 5 Gültige Email-Adressen Mit speziellen Programmen (sog. Validierern) kann man überprüfen, ob eine Email-Adresse korrekt gebildet ist. Nur – was heißt hier korrekt? Quelle: http://www.web-toolbox.net/webtoolbox/index.htm 6 Aufbau einer Email-Adresse 2822 Quelle: http://www.web-toolbox.net/ webtoolbox/index.htm 7 Aufgabe Werfen Sie einen Blick in die RFC 2822. Versuchen Sie zu verstehen, wie die korrekte Form einer Email-Adresse in diesem Dokument beschrieben wird. Internet Message Format Status of this Memo This document specifies an Internet standards track protocol for the Internet community, and requests discussion and suggestions for improvements. Please refer to the current edition of the "Internet Official Protocol Standards" (STD 1) for the standardization state and status of this protocol. Distribution of this memo is unlimited. Copyright Notice Copyright (C) The Internet Society (2001). All Rights Reserved. Abstract This standard specifies a syntax for text messages that are sent between computer users, within the framework of "electronic mail" messages. This standard supersedes the one specified in Request For Comments (RFC) 822, "Standard for the Format of ARPA Internet Text Messages", updating it to reflect current practice and incorporating incremental changes that were specified in other RFCs. ... Quelle: http://www.ietf.org/rfc/rfc2822.txt Ein Blick in die RFC 2822 8 RFC 2822 Internet Message Format April 2001 3.4.1. Addr-spec specification An addr-spec is a specific Internet identifier that contains a locally interpreted string followed by the at-sign character ("@", ASCII value 64) followed by an Internet domain. The locally interpreted string is either a quoted-string or a dot-atom. If the string can be represented as a dot-atom (that is, it contains no characters other than atext characters or "." surrounded by atext characters), then the dot-atom form SHOULD be used and the quoted-string form SHOULD NOT be used. Comments and folding white space SHOULD NOT be used around the "@" in the addr-spec. Informelle Beschreibung addr-spec = local-part "@" domain local-part = dot-atom / quoted-string / obs-local-part domain = dot-atom / domain-literal / obs-domain domain-literal = [CFWS] "[" *([FWS] dcontent) [FWS] "]" [CFWS] dcontent = dtext / quoted-pair dtext = NO-WS-CTL / ; Non white space controls ... Quelle: http://www.ietf.org/rfc/rfc2822.txt Formale Präzisierung 9 Standardisierung in RFC´s Die Requests for Comments (kurz RFC; zu deutsch Aufforderung zu Kommentaren) sind eine Reihe von technischen und organisatorischen Dokumenten des RFC-Editor zum Internet (ursprünglich ARPANET), die am 7. April 1969 begonnen wurden. Bei der ersten Veröffentlichung noch im ursprünglichen Wortsinne zur Diskussion gestellt, behalten RFC auch dann ihren Namen, wenn sie sich durch allgemeine Akzeptanz und Gebrauch zum Standard entwickelt haben. RFC Status Jeder RFC besitzt einen Status. Hier ein paar Beispiele. • Informational – Hinweis, Idee, Nutzung. • Experimental – Zum Experimentieren • Proposed Standard – Vorschlag für Standard • Draft Standard – Begutachtung von min. 2 unabhäng. Implementierungen • Standard – Offizieller Standard STDn • Historic – Nicht mehr benutzt Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Request_for_Comments 10 Zielsetzung und Vorgehensweise Ziel ist es, Verfahren der Informatik zur präzisen Beschreibung sprachlicher Strukturen zu erarbeiten. Wir werden analog zur Darstellung in der RFC 2822 Präzisierungen für vereinfachte Email-Adressen entwickeln und die dabei benutzten Präzisierungsverfahren genauer studieren. 11 Teil 2 Sprachbeschreibung mit Grammatiken 12 Vereinfachte Email-Adressen Informelle Beschreibung: Eine vereinfachte Email-Adresse besteht aus einer Benutzerkennung, dem @-Zeichen und einer Domainangabe. Die Benutzerkennung ist eine nicht-leere Folge von Kleinbuchstaben (hier nur a, b, c). Die Domainangabe ist eine Folge von mindestens zwei Domainnamen, die mit einem Punkt getrennt werden. Ein Domainname ist eine nicht-leere Folge von Kleinbuchstaben (hier nur a, b, c). Beispiele für korrekte Email-Adressen: [email protected] [email protected] [email protected] Beispiele für inkorrekte Email-Adressen: abba@ca @a.a baba@@bc.ba // Die Domainangabe besteht aus nur einem Domainnamen. // Hier fehlt die Benutzerkennung. // Hier ist ein @-Zeichen zu viel. 13 Die Sprache der Email-Adressen Die Menge der korrekt gebildeten Email-Adressen wird in der Informatik als (formale) Sprache aufgefasst. Das Alphabet dieser Sprache ist die Menge der zur Bildung von Email-Adressen erlaubten Zeichen: = {a, b, c, ., @} Ein Wort über diesem Alphabet ist eine beliebige Folge von Zeichen aus dem Alphabet. Beispiele für Wörter über = {a, b, c, ., @}: [email protected], @a.a, baba Die Sprache der Email-Adressen ist die Menge der Wörter über dem Alphabet , die eine korrekte Email-Adresse darstellen. Zur Sprache der Email-Adressen gehören u. a. folgende Wörter: [email protected] [email protected] [email protected] Nicht zur Sprache der Email-Adressen gehören u. a. folgende Wörter: abba@ca @a.a baba@@bc.ba // Die Domainangabe besteht aus nur einem Domainnamen. // Hier fehlt die Benutzerkennung. // Hier ist ein @-Zeichen zu viel. 14 Formale Sprachen Ein Alphabet ist eine nicht-leere, endliche (geordnete) Menge von Zeichen. Alphabet für vereinfachte Email-Adressen: = {a, b, c, ., @} Durch Hintereinanderreihung endlich vieler Zeichen aus einem vorgegebenen Alphabet erhält man ein Wort (über diesem Alphabet). Die Menge aller möglichen Wörter über einem Alphabet wird mit * bezeichnet. Zu dieser Menge gehört auch das sogenannte leere Wort ( bzw. ), das keine Zeichen enthält. Wörter über : [email protected], [email protected], abab, @a@a@a, ..., , ... Eine (formale) Sprache über dem Alphabet ist eine Teilmenge von *. Sprache der Email-Adressen: Menge der Wörter über , die korrekte Email-Adressen bilden. Zu dieser Sprache gehören: [email protected], [email protected], [email protected], ... Nicht zu dieser Sprache gehören: , abab, @a@a@a, ... L = {..., [email protected], ..., [email protected], ..., [email protected], ...} 15 Festlegung formaler Sprachen Ziel ist es, die Regeln zur Bildung der Wörter einer Sprache zu präzisieren. Aus den Regeln soll man zweifelsfrei ableiten können, ob ein Wort über dem gegebenen Alphabet zur Sprache gehört oder nicht. Zu präzisierende Sprache der vereinfachten Email-Adressen: Eine „korrekte“ vereinfachte Email-Adresse wird folgendermaßen gebildet: - Eine vereinfachte Email-Adresse besteht aus einer Benutzerkennung, dem @-Zeichen und einer Domainangabe. - Die Benutzerkennung ist eine nicht-leere Folge der Kleinbuchstaben a, b, c. - Die Domainangabe ist eine Folge von mindestens zwei Domainnamen, die mit einem Punkt getrennt werden. Ein Domainname ist eine nicht-leere Folge der Kleinbuchstaben a, b, c. 16 Syntaxdiagramme Informelle Beschreibung: Eine vereinfachte Email-Adresse besteht aus einer Benutzerkennung, dem @-Zeichen und einer Domainangabe. Buchstabe a b c Die Benutzerkennung ist eine nicht-leere Folge von Kleinbuchstaben (hier nur a, b, c). Die Domainangabe ist eine Folge von mindestens zwei Domainnamen, die mit einem Punkt getrennt werden. Ein Domainname ist eine nicht-leere Folge von Kleinbuchstaben (hier nur a, b, c). Name Buchstabe Das obere Syntaxdiagramm legt fest, dass ein Buchstabe hier entweder ein a oder ein b oder ein c ist. Das untere Syntaxdiagramm beschreibt, wie ein Name aus Buchstaben zusammengesetzt wird. Jeder Weg durch diese Diagramme – beginnend im Diagramm „Name“ – ergibt einen korrekt gebildeten Namen. Bsp.: bc; Weg: Name Buchstabe [ b ] Buchstabe [ c ] 17 Syntaxdiagramme Informelle Beschreibung: Eine vereinfachte Email-Adresse besteht aus einer Benutzerkennung, dem @-Zeichen und einer Domainangabe. Buchstabe a b c Die Benutzerkennung ist eine nicht-leere Folge von Kleinbuchstaben (hier nur a, b, c). Die Domainangabe ist eine Folge von mindestens zwei Domainnamen, die mit einem Punkt getrennt werden. Ein Domainname ist eine nicht-leere Folge von Kleinbuchstaben (hier nur a, b, c). Name Buchstabe Wenn man den Pfeilen im Syntaxdiagramm folgt, so erhält man einen (dem Diagrammnamen entsprechenden) syntaktisch korrekten Ausdruck. Syntaxdiagramme können wie im Beispiel oben geschachtelt werden. Trifft man auf ein Rechteck, so muss man in das zugehörige Syntaxdiagramm springen. Trifft man auf ein Oval, so wird der zugehörige Inhalt in den zu bildenden Ausdruck übernommen. Aufgabe 18 Entwickeln Sie analog Syntaxdiagramme für eine Domainangabe und für eine Email-Adresse. Benutzen Sie dabei die bereits angegebenen Syntaxdiagramme. Die Domainangabe ist eine Folge von mindestens zwei Domainnamen, die mit einem Punkt getrennt werden. Ein Domainname ist eine nicht-leere Folge von Kleinbuchstaben (hier nur a, b, c). DomainAngabe Eine vereinfachte Email-Adresse besteht aus einer Benutzerkennung, dem @-Zeichen und einer Domainangabe. Die Benutzerkennung ist eine nicht-leere Folge von Kleinbuchstaben (hier nur a, b, c). EmailAdresse Lösung 19 Die Domainangabe ist eine Folge von mindestens zwei Domainnamen, die mit einem Punkt getrennt werden. Ein Domainname ist eine nicht-leere Folge von Kleinbuchstaben (hier nur a, b, c). DomainAngabe Name . Name Eine vereinfachte Email-Adresse besteht aus einer Benutzerkennung, dem @-Zeichen und einer Domainangabe. Die Benutzerkennung ist eine nicht-leere Folge von Kleinbuchstaben (hier nur a, b, c). EmailAdresse Name @ DomainAngabe Aufgabe 20 Überprüfen Sie anhand der angegeben Beispiele, ob die entwickelten Syntaxdiagramme tatsächlich die Bildung von vereinfachten Email-Adressen korrekt beschreiben. Beispiele für korrekte Email-Adressen: [email protected], [email protected], [email protected] Beispiele für inkorrekte Email-Adressen: abba@ca, @a.a, baba@@bc.ba Buchstabe a Name b DomainAngabe EmailAdresse Buchstabe c Name . Name @ Name DomainAngabe 21 Die Grammatik einer formalen Sprachen Syntaxdiagramme legen die Regeln fest, mit denen die Wörter einer Sprache gebildet werden. Sie können daher als eine Art Grammatik der Sprache aufgefasst werden. Ziel ist es im Folgenden, den Grammatikbegriff der Informatik zu präzisieren und verschiedene Darstellungsformen aufzuzeigen. Buchstabe a Name b DomainAngabe EmailAdresse Buchstabe c Name . Name @ Name DomainAngabe Bestandteile von Syntaxdiagrammen 22 Buchstabe a Name b DomainAngabe EmailAdresse Buchstabe c Name . Name @ Terminalsymbol Name DomainAngabe Nichtterminalsymbol Terminalsymbole sind lexikalische Einheiten, die zur Bildung von EmailAdressen benötigt werden. Sie gehören also zum Alphabet der Sprache. Nichtterminalsymbole sind zusätzliche Platzhalter, die zur Beschreibung der zulässigen Email-Adressen benutzt werden. Übersetzung in Produktionsregeln 23 Buchstabe Produktionsregeln Ba Bb a b Name DomainAngabe c Bc NB Buchstabe N BN H .N Name . Name H .NH D NH EmailAdresse Name @ DomainAngabe E N@D Ableitung eines Worts 24 Buchstabe a Name b Buchstabe c Ba Bb Bc NB DomainAngabe N BN Name . Name H .N H .NH EmailAdresse D NH Name @ DomainAngabe E N@D E N@D B@D c@D c@NH c@BH c@aH [email protected] [email protected] [email protected] Ableitung Eine Ableitung eines Worts mit den Produktionsregeln entspricht einem Weg durch die Syntaxdiagramme. 25 Grammatikbegriff der Informatik Eine Grammatik besteht aus den folgenden Komponenten: - einer endlichen nichtleeren Menge T von Terminalsymbolen, - einer endlichen nichtleeren Menge NT von Nichtterminalsymbolen, - einer endlichen Menge P von Produktionen (Regeln) und - einem Startsymbol S N. Kurz: G = (T, N, P, S) Terminalsymbole: T = {a, b, c, ., @} Nichtterminalsymbole: NT = {E, D, H, N, B} // Alphabet d. Sprache // zusätzliche Platzhalter Produktionen: P = {B a, B b, ..., E N@D} // eigentliche Regeln Ba Bb Bc NB N BN Startsymbol: E // startet Ableitung Eine Produktion (Regel) hat immer die Gestalt u v. Die linke Seite u und die rechte Seite v sind dabei Wörter über dem Alphabet V = T N. H .N H .NH D NH E N@D 26 Worterzeugung als Ableitung Terminalsymbole: T = {a, b, c, ., @} Nichtterminalsymbole: NT = {E, D, H, N, B} // Alphabet d. Sprache // zusätzliche Platzhalter Produktionen: P = {B a, B b, ..., E N@D} // eigentliche Regeln Ba Bb Bc NB N BN Startsymbol: E // startet Ableitung Eine Ableitung beginnt immer mit dem Startsymbol. Sie endet, wenn alle Nichtterminalsymbole ersetzt sind. Ein Ableitungsschritt besteht darin, dass ein Teilwort innerhalb eines Worts mit Hilfe einer passenden Produktion zu ersetzen. Produktionen sind demnach Ersetzungsregeln. Beachte: Es gibt oft verschiedene Ableitungen eines Wortes. H .N H .NH D NH E N@D E N@D B@D c@D c@NH c@BH c@aH [email protected] [email protected] [email protected] E N@D N@NH [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] 27 Sprache zur Grammatik Eine Grammatik G = (T, N, P, S) erzeugt eine Sprache L(G) über dem Alphabet T. L(G) ist dabei die Menge der Wörter über T, die vom Startsymbol S mit Hilfe der Produktionen aus P abgeleitet werden können. Terminalsymbole: T = {a, b, c, ., @} Nichtterminalsymbole: T = {E, D, H, N, B} // Alphabet d. Sprache // zusätzliche Platzhalter Produktionen: P = {B a, B b, ..., E N@D} // eigentliche Regeln Ba Bb Bc NB N BN Startsymbol: E // startet Ableitung H .N H .NH D NH L(G) = {..., [email protected], ..., [email protected], ..., [email protected], ..., [email protected], ...} E N@D 28 Backus-Naur-Schreibweise Oft ist es zweckmäßig, die sog. Backus-Naur-Form als Kurzschreibweise für Produktionen zu benutzen. Statt Backus-Naur-Form wird auch die Abkürzung BNF verwendet. Ba Ba|b|c Bb Bc NB N B | BN N BN H .N H .N | .NH H .NH D NH D NH E N@D E N@D Grammatik in Normalform Grammatik in BNF Ein Vergleich mit der RFC 29 Die Struktur von Email-Adressen wird in der RFC 2822 in Backus-Naur-Form spezifiziert. Diese Art der Spezifikation findet man in sehr vielen professionell erstellten Sprachbeschreibungen. RFC 2822 Internet Message Format April 2001 3.4.1. Addr-spec specification addr-spec = local-part "@" domain E N@D local-part = dot-atom / quoted-string / obs-local-part N B | BN domain = dot-atom / domain-literal / obs-domain D NH domain-literal = [CFWS] "[" *([FWS] dcontent) [FWS] "]" ... H .N | .NH dcontent = dtext / quoted-pair Ba|b|c dtext = NO-WS-CTL / ; Non white space controls ... EmailAdressen in BNF Vereinfachte Email-Adressen in BNF 30 JFlap Zum Experimentieren mit Grammatiken benutzen wir im Folgenden das Programm „JFlap“ als Werkzeug. JFlap erhält man hier: http://www.jflap.org 31 Aufgabe Starten Sie zunächst den Grammatik-Teil von JFlap und geben Sie die entwickelte Grammatik für vereinfachte Email-Adressen ein. Beachten Sie, dass das Startsymbol in der ersten Produktion auf der linken Seite stehen muss. JFlap erhält man hier: http://www.jflap.org 32 Aufgabe Testen Sie die eingegebene Grammatik. Rufen Sie hierzu die Menüpunkte [Input] [Brute Force Parse] auf und geben Sie die zu untersuchende Zeichenkette ein (Achtung: Zeichenkette nicht zu lang wählen). Testen Sie auch Zeichenketten, die keine korrekte vereinfachte EmailAdresse darstellen sollen. 33 Aufgabe JFlap zeigt Ableitungen auch in einer Baumdarstellung an. Wie ist ein solches Baumdiagramm zu lesen? Aufgabe 34 A aB A bB A cB B aB B bB B cB B @C C aD C bD C cD D aD D bD D cD D .E E aF E bF E cF F aF F bF F cF F .E F Testen Sie die abgebildete „alternative Grammatik“ für vereinfachte Email-Adressen. Vergleichen Sie diese alternative Grammatik mit der bisher betrachteten. Was fällt auf, wenn Sie längere Wörter untersuchen? Haben Sie eine Erklärung hierfür? 35 Aufgabe Versuchen Sie, die korrekte Darstellung von Zahlen (natürliche Zahlen wie 13 / ganze Zahlen wie –4 / Dezimalzahlen wie 3.14 / Dezimalzahlen mit Exponentenschreibweise wie -0.12 E-2) exakt zu beschreiben. Verwenden Sie hierzu Syntaxdiagramme / eine Grammatik. Testen Sie die Ergebnisse mit JFlap. 36 Aufgabe Beschreiben Sie die folgenden „Sprachen“ mit Hilfe einer Grammatik: - Die Sprache der korrekten Zeitangaben wie z. B. 12:15 - Die Sprache der Klassenbezeichner: 5a, 5b, 6a, 6b, ..., 10a, 10b Aufgabe 37 Als der Münchner Dienstmann Alois in den Himmel kam, überreichte ihm Petrus eine Harfe und wies ihn in die himmlische Zungensprache "Frohlocken" ein. Ihre Sätze werden entsprechend der der folgenden Syntaxdiagramme gebildet. frohlocken hosianna singen Bilden Sie verschiedene Wörter, die zur himmlischen Zungensprache gehören. . . hosianna singen ha l le lu u ja Beschreiben Sie diese Sprache mit Hilfe einer Grammatik. Quelle: Bundeswettbewerb Informatik 1990; siehe auch: Gasper, Leiß, Spengler, Stimm S. 177 38 Aufgabe Informieren Sie sich bei Wikipedia über die erweiterte Backus-Naur-Form (EBNF). Analysieren Sie die dort abgebildete Grammatik für eine einfache Programmiersprache und bilden Sie einige Wörter dieser Sprache. Beschreiben Sie diese Programmiersprache auch mit Hilfe von Syntaxdiagrammen. (* ein einfaches Beispiel in EBNF - Wikipedia *) Programm = 'PROGRAM' Bezeichner 'BEGIN' { Zuweisung ";" } 'END' "." Bezeichner = Buchstabe { ( Buchstabe | Ziffer ) } Zahl = [ "-" ] Ziffer { Ziffer } String = '"' { AlleZeichen - '"'} '"' Zuweisung = Bezeichner ":=" ( Zahl | Bezeichner | String ) Buchstabe = "A" | "B" | "C" | ... | "X" | "Y" | "Z" ; Ziffer = "0" | "1" | "2" | "3" | "4" | "5" | "6" | "7" | "8" | "9" AlleZeichen = ? alle sichtbaren Zeichen ? Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Erweiterte_Backus-Naur-Form 39 Teil 3 Spracherkennung mit Automaten Spracherkennungssysteme 40 Ein Spracherkennungssystem soll bei Eingabe eines beliebigen Wortes entscheiden, ob dieses Wort zur vorgegebenen Sprache gehört oder nicht. Wort ja / nein 41 Erzeugende Systeme Bisher haben wir zur Spracherkennung Systeme benutzt, die systematisch Ableitungen mit Hilfe von Grammatikregeln erzeugen und überprüfen, ob das gegebene Wort auf diese Weise erhalten werden kann. [email protected] E N@D B@D a@D b@D c@D c@NH c@BH c@aH [email protected] [email protected] c@bH c@cH c@BNH ... E N@D // Sackgasse // Sackgasse D NH H .N H .NH NB // // // // Sackgasse Sackgasse Sackgasse Sackgasse N BN Ba Bb Bc ja 42 Aufgabe Laden Sie die Datei „EmailDA1.jff“ in JFlap und rufen Sie die Menüpunkte [Input] [Step by State] auf. Geben Sie einige korrekt bzw. nicht korrekt gebildete vereinfachte Email-Adressen ein und lassen Sie das System diese Wörter verarbeiten. Wie stellt das System die Korrektheit fest? Analysierende Systeme 43 Das System analysiert das gegebene Wort Schritt für Schritt und überprüft, ob die Verarbeitung des Worts vom Anfangszustand i. e. Endzustand führt. c b a c b a c b a Anfangszustand q0 c b a q1 @ . @ . [email protected] :Eingabe c b a q2 @ . q3 @ c b a . q4 . @ . q5 @ q6 @ . c b a Endzustand Ausgabe: ja 44 Endlicher Automat als Akzeptor Ein erkennender Automat / Akzeptor besteht aus den folgenden Komponenten: - einer endlichen Menge Z von Zuständen, - einem Anfangszustand za Z, - einer Menge Ze Z von Endzuständen, - einer endlichen Menge E von Eingabezeichen und - einer Überführungsfunktion : Z x E Z. Kurz: A = (Z, za, Ze, E, ) 45 Endlicher Automat als Akzeptor Zustände: Z = {q0, q1, q2, q3, q4, q5, q6} Anfangszustand: q0 Endzustände: {q5} Eingabezeichen: E = {a, b, c, . @} Überführungsfunktion : Z x E Z : (q0, a) q1; : (q0, b) q1; : (q0, c) q1; : (q0, .) q6; : (q0, @) q6; : (q1, a) q1; : (q1, b) q1; : (q1, c) q1; : (q1, .) q6; : (q1, @) q2; ... 46 Die Sprache eines Akzeptors Unter der Sprache L(A) eines Akzeptors A = (Z, za, Ze, E, A, ) versteht man die Menge aller Wörter über dem Alphabet E, die den Automaten vom Anfangszustand za in einen Endzustand aus Ze überführen. Eingabe: [email protected] Ausgabe: ja 47 Aufgabe Entwickeln Sie einen Akzeptor für Bitfolgen: - mit gerader Anzahl von Nullen : 0010 0001 - die mindestens zwei aufeinander folgende Einsen oder Nullen enthalten, wie z. B. : 10110101 48 Aufgabe Entwickeln Sie Akzeptoren für verschiedene Zahldarstellungen: - ganze Zahlen : -3, -2, -1, 0, 1, +1, 2, +2, ... - Dezimalzahlen : 3.14, ... - Dezimalzahlen mit Exponentenschreibweise: -0.12 E-2, ... 49 Aufgabe In den Vereinigten Staaten gibt es die League Against Sexist Speach (LASS), die sich einen Akzeptor wünscht, der erkennt, ob in einem Wort die Zeichenfolge „man“ vorkommt. Quelle: R. Baumann, Informatik für die SII, Band 2, S. 216. Aufgabe 50 Entwickeln Sie einen Akzeptor für die himmlische Zungensprache. frohlocken hosianna singen . . hosianna singen ha l le lu u ja 51 Teil 4 Exkurs: Sprachbeschreibung mit regulären Ausdrücke 52 Reguläre Ausdrücke Reguläre Ausdrücke sind ein weiteres in der Informatik gebräuchliches Hilfsmittel zur Beschreibung von Sprachen. Artikel: Kluge E-Mail Adressen Validation von Jan Winkler ... Für das Prüfen mit Regulären Ausdrücken werden wir den folgenden Ausdruck verwenden: ^([a-zA-Z0-9\\-\\.\\_]+)(\\@)([a-zA-Z0-9\\-\\.]+)(\\.)([a-zA-Z]{2,4})$. Im Einzelnen beschreibt dieser den Benutzernamen, ein @, die Domain, einen Punkt und 2 (z.B. de) bis 4 (z.B. info) Zeichen für die TLD. Bei der zweiten Variante werden wir die zerteilten Stücke der Adresse auf ihre Länge prüfen: ... Quelle: http://www.html-world.de/artikel/art_j14.php 53 Beispiele für reguläre Ausdrücke Beispiele für reguläre Ausdrücke: ab*a // Menge der Wörter über {a, b}, die mit a beginnen, dann eine beliebige Anzahl (evtl. auch keine) von b´s enthalten und mit a enden. Bsp.: aa, aba, abba, abbba, ... b*ba // Menge der Wörter über {a, b}, die mit einer beliebige Anzahl (evtl. keine) von b´s beginnen und dann ein b gefolgt von einem a enthalten. Bsp.: ba, bba, bbba, ... a(a+b)b // Menge der Wörter über {a, b}, die mit a beginnen, dann ein a oder ein b enthalten und mit b enden. Bsp.: aab, aba a(a+b)*b // Menge der Wörter über {a, b}, die mit a beginnen, dann eine beliebige Anzahl (evtl. keine) a´s oder b´s enthalten und mit b enden. Bsp.: ab, aab, abb, aaab, aabb, abab, abbb, ... (aa*b)* // Menge der Wörter über {a, b}, die beliebig oft (evtl. gar nicht) die Zeichenfolge „a gefolgt von beliebig vielen a´s gefolgt von einem b“ wiederholen. Bsp.: , ab, aaab, aabaaab, ... b*(ab*ab*ab*)* // Menge der Wörter über {a, b}, die eine durch 3 teilbare Anzahl von a´s enthalten. Bsp.: bbababbba, aababbbbababbba, ... 54 Verknüpfung von Wortmengen X und Y seien Wortmengen über dem Alphabet . XY = {xy | xX, yY} ist die Menge aller Wörter, die sich ergeben, wenn man an ein beliebiges Wort aus X ein beliebiges Wort aus Y hängt. X0 = {}; X1 = X; X2 = XX; X3 = X2X = XXX; ... X* = X0 X1 X2 X3 … ist die Menge aller Wörter, die sich ergeben, wenn man beliebig viele (auch keine) Wörter aus X aneinanderhängt. X+ = X1 X2 X3 X4 … ist die Menge aller Wörter, die sich ergeben, wenn man beliebig viele Wörter, aber mindestens ein Wort aus X aneinanderhängt. Beispiele: Sei X = {a, b}; Y = {c}. XY = {ac, bc} X0 = {}; X1 = X = {a, b}; X2 = XX = {aa, ab, ba, bb} X* = X0 X1 X2 X3 … = {, a, b, aa, ab, ba, bb, ...} X+ = X1 X2 X3 X4 … = {a, b, aa, ab, ba, bb, ...} 55 Regeln für reguläre Ausdrücke Gebeben sei das Alphabet . ist ein regulärer Ausdruck, der die leere Menge {} bezeichnet. ist ein regulärer Ausdruck, der die Menge {} mit dem leeren Wort bezeichnet. Für jedes a ist a ein regulärer Ausdruck, der die Menge {a} bezeichnet. Sind x und y reguläre Ausdrücke, die die Mengen X und Y bezeichnen, so ist auch (x+y) ein regulärer Ausdruck, der die Menge XY bezeichnet, xy ein regulärer Ausdruck, der die Menge XY bezeichnet, x* ein regulärer Ausdruck, der die Menge X* bezeichnet, x+ ein regulärer Ausdruck, der die Menge X+ bezeichnet, Beispiel: Sei = {a, b, c}. (a+b)* = ({a}{b})0 ({a}{b})1 ({a}{b})2 … = {, a, b, aa, ab, ba, ...} 56 Aufgabe Beschreiben Sie die folgenden mit Hilfe regulärer Ausdrücke festgelegten Wortmengen: (0+(1+2+3+4+5+6+7+8+9)(0+1+2+3+4+5+6+7+8+9)*) (abc+a*) (a*b*+c) (aa+b)*(a+bb)* 57 Aufgabe Beschreiben Sie die folgenden Wortmengen mit Hilfe regulärer Ausdrücke: Die Menge der Wörter über {a, b}, die mit a beginnen und mit b enden. Die Menge aller Zeichenketten über dem Alphabet {0, 1}, die mit 00 enden. Die Menge aller Zeichenketten über dem Alphabet {a, b}, die nach jedem a genau zwei b´s haben. Die Menge folgender Klassenbezeichner: {5a, 5b, 5c, ..., 10a, 10b, 10c}. Die Menge zulässiger Zeitangaben; z. B. 12:00 58 Aufgabe Beachten Sie, dass es verschiedene Darstellungen regulärer Ausdrücke benutzt werden. Versuchen Sie, den unten dargestellten Ausdruck zu verstehen. Artikel: Kluge E-Mail Adressen Validation von Jan Winkler ... Für das Prüfen mit Regulären Ausdrücken werden wir den folgenden Ausdruck verwenden: ^([a-zA-Z0-9\\-\\.\\_]+)(\\@)([a-zA-Z0-9\\-\\.]+)(\\.)([a-zA-Z]{2,4})$. Im Einzelnen beschreibt dieser den Benutzernamen, ein @, die Domain, einen Punkt und 2 (z.B. de) bis 4 (z.B. info) Zeichen für die TLD. Bei der zweiten Variante werden wir die zerteilten Stücke der Adresse auf ihre Länge prüfen: ... Quelle: http://www.html-world.de/artikel/art_j14.php Aufgabe 59 Beschreiben Sie die Menge der vereinfachten Email-Adressen mit Hilfe eines regulären Ausdrucks. Die Syntaxdiagramme können Ihnen bei der Konstruktion des Ausdrucks weiterhelfen. Buchstabe a Name b DomainAngabe EmailAdresse c Name . Name @ Name DomainAngabe Buchstabe Lösung 60 Buchstabe a Name b c (a+b+c) DomainAngabe Buchstabe (a+b+c)(a+b+c)* Name . Name (a+b+c)(a+b+c)*.(a+b+c)(a+b+c)*(.(a+b+c)(a+b+c)*)* EmailAdresse Name @ DomainAngabe (a+b+c)(a+b+c)*@(a+b+c)(a+b+c)*.(a+b+c)(a+b+c)*(.(a+b+c)(a+b+c)*)* 61 Teil 5 Anwendungen: Spracherkennung mit einem Parser-Generator 62 Zielsetzung Bisher wurden Verfahren zur Beschreibung und Erkennung von formalen Sprachen anhand einfacher Beispielsprachen entwickelt. Ziel ist es jetzt, formale Sprachen zu betrachten, deren Nähe zu praxisrelevanten Sprachen offensichtlich ist. Um mit solchen – auch etwas umfangreicheren – Sprachen experimentell umgehen zu können, wird im Folgenden ein geeignetes Werkzeug (ein sog. Parser-Generator) eingesetzt. Anders als JFlap, das mehr für das experimentelle Erlernen von Konzepten gedacht ist, ist der Parser-Generator ein auch in der Praxis einsetzbares Werkzeug. Als Beispielsprachen betrachten wir - ein vereinfachtes HTML - ein vereinfachtes XML - eine Sprache für mathematische Rechenausdrücke - eine einfache Programmiersprache zur Steuerung eines Roboters 63 Vereinfachtes HTML Informelle Beschreibung: Ein vereinfachtes HTML-Dokument besteht aus einem Kopf mit Titelangabe und einem Rumpf mit Abschnitten. Es sind keine Umlaute erlaubt. Es sollen auch keine Tabellen, Links, Bilder etc. integriert werden. Der unten abgebildete HTML-Quelltext ist in diesem Sinne ein vereinfachtes HTML-Dokument. <html> <head> <title>Weiterbildungskurs Informatik</title> </head> <body> <p>Der Weiterbildungslehrgang Informatik in Rheinland-Pfalz ist ein Ersatzstudium der Informatik für Lehrerinnen und Lehrer, die bereits eine Lehrbefaehigung in einem naturwissenschaftlichen Fach haben.</p> <p>Der Lehrgang besteht aus sechs Wochenkursen, in denen jeweils typische Themen der Informatik bearbeitet werden.</p> <p>Der Lehrgang schliesst dann mit einer Pruefung zum Erwerb der Unterrichtserlaubnis fuer das Grundfach Informatik ab.</p> </body> </html> 64 Lexik / Syntax Formale Sprachen, die in der Praxis vorkommen, sind oft zweistufig aufgebaut. Sie basieren auf bestimmten lexikalischen Einheiten, die vorgegeben sind bzw. nach vorgegeben Regeln gebildet werden können. Aus diesen lexikalischen Einheiten werden dann die „Wörter“ der Sprache gemäß einer vorgegebenen Grammatik gebildet. Diese Grammatik beschreibt die Syntax der Sprache. <html> <head> <title>Weiterbildungskurs Informatik</title> </head> <body> <p>Der Weiterbildungslehrgang ...</p> <p>Der Lehrgang besteht aus ...</p> <p>Der Lehrgang schliesst dann ...</p> </body> </html> Lexikalische Einheiten: - Tags wie <html> - Zeichenketten (die üblicherweise einer natürlichen Sprache entstammen) Syntaxregeln: - Das gesamte Dokument wird mit den Tags <html> ... </html> eingefasst. - ... 65 Das Werkzeug „GOLD Parser Builder“ Der Parser-Generator „GOLD Parser Builder“ unterstützt die zweistufige Beschreibung einer formalen Sprache. Wir zeigen seine Benutzung am Beispiel des vereinfachten HTML (siehe oben). Siehe: www.devincook.com/goldparser 66 Lexikalische Einheiten Die lexikalischen Einheiten werden beim „GOLD Parser Builder“ mit Hilfe von regulären Ausdrücken festgelegt. Diese bilden dann die Terminalsymbole bei der Festlegung der Grammatik. ! Terminalsymbole Ahtml = '<'html'>' Ehtml = '<''/'html '>' Ahead = '<'head '>' Ehead = '<''/'head '>' Atitle = '<'title '>' Etitle = '<''/'title '>' Abody = '<'body '>' Ebody = '<''/'body '>' Ap = '<'p '>' Ep = '<''/'p'>‚ Wort = {Alphanumeric}+ Satzzeichen = '.' | '!' | '?' | ',' | ';' | ':' | '-' MyHtml.grm 67 Syntaktische Regeln Die Syntax der Sprache wird mit Hilfe einer Grammatik in BNF-Notation beschrieben. Beachte: Nichtterminalsymbole werden im GOLD Parser Builder mit spitzen Klammern dargestellt – also zufälligerweise genauso wie HTML-Tags. "Start Symbol" = <HtmlDokument> ! Produktionen <HtmlDokument> ::= Ahtml <Kopf> <Rumpf> Ehtml <Kopf> ::= Ahead <Titel> Ehead <Titel> ::= Atitle <Text> Etitle <Rumpf> ::= Abody <Absaetze> Ebody <Absaetze> ::= <Absatz> <Absaetze> ::= <Absatz> <Absaetze> <Absatz> ::= Ap <Text> Ep <Text> ::= <Texteinheit> <Text> ::= <Texteinheit> <Text> <Texteinheit> ::= Wort | Satzzeichen MyHtml.grm 68 Aufgabe: HTML Testen Sie das Werkzeug „GOLD Parser Builder“. Laden Sie die Grammatik „MyHtml1.grm“, lassen Sie das Werkzeug den entsprechenden Parser generieren und testen sie ihn. Gehen Sie in einem zweiten Schritt hin und erweitern Sie den Sprachumfang um ... Einfach: Überschriften: <h1>...</h1> Schwieriger: vereinfachte Tabellen Schwieriger: vereinfachte Verweise: <a href="IFB">IFB</a> ... 69 Aufgabe: HTML Machen Sie sich anhand der Grafik klar, dass man das gesamte vereinfachte HTML mit einem endlichen Automaten erkennen kann. <html> <head> <title> ...Text... </title> </head> <body> <p> <p> ...Text... </p> </body> </html> 70 Aufgabe: Parser Builder Schauen Sie ein wenig „hinter die Kulissen“ des Werkzeugs „GOLD Parser Builder“. ... Machen Sie sich klar, dass der Parser Builder einen endlichen Automaten (DFA) zur lexikalischen Analyse benutzt und einen weiteren komplizierteren Automat zur syntaktischen Analyse (siehe LALR States). 71 Vereinfachte Rechenausdrücke Informelle Beschreibung: Wir betrachten nur Rechenausdrücke, die vollständig geklammert sind. Jede Rechenoperation muss umklammert werden. – wie z. B. bei (12+3). Eine Rechenoperation bezieht sich auf Zahlen oder Rechenterme – wie z. B. bei ((13 – 7) * 4). Rechenausdrücke können beliebig komplex verschachtelt werden – wie z. B. bei (((45 – 6) * (67 / 5)) – (6 * 5)). Die unten abgebildeten Ausdrücke sind in diesem Sinne vereinfachte Rechenausdrücke. (12 + 3) ((13 - 7) * 4) (((45 – 6) * (67 / 5)) – (6 * 5)) ... 72 Aufgabe: Rechenausdrücke Entwickeln Sie eine Grammatik für die Sprache der vereinfachten Rechenausdrücke und testen Sie sie mit dem Werkzeug „GOLD Parser Builder“. Zur Festlegung der Terminalsymbole können Sie die unten gezeigten Vereinbarungen benutzen. ! Terminalsymbole Zahl = {Digit}+ Kauf = '(' Kzu = ') ' Plus = '+' Minus = '-' Mal = '*' Durch = '/' ! Achtung: Wir erlauben so auch Zahlen mit führenden Nullen, z. B. 007. 73 Aufgabe: Rechenausdrücke Erweitern Sie die Grammatik so, dass auch Variablen in den Rechenausdrücken vorkommen können. 74 Aufgabe: Rechenausdrücke Kann man die Sprache der vereinfachten Rechenausdrücke mit einem endlichen Automaten erkennen? (12 + 3) ((13 - 7) * 4) (((45 – 6) * (67 / 5)) – (6 * 5)) ... 75 Programmiersprache für Karol Ziel ist es, für eine einfache Programmiersprache einen Interpreter und einen Compiler zu entwickeln. Die hier betrachtete Programmiersprache orientiert sich an der Sprache zur Steuerung des Roboters Karol. hinlegen schritt wiederhole solange NichtIstZiegel wiederhole solange NichtIstWand schritt *wiederhole linksDrehen *wiederhole 1 76 Die Programmiersprache Zur Vereinfachung der Darstellung verwenden wir abkürzende Bezeichner für die Anweisungen der Programmiersprache. h s wh nz wh nw s *wh l *wh hinlegen schritt wiederhole solange NichtIstZiegel wiederhole solange NichtIstWand schritt *wiederhole linksDrehen *wiederhole 77 Die Programmiersprache MyKa Elementare Anweisungen: h a s l r „Ziegel hinlegen“ „Ziegel aufheben“ „Schritt vorwärts“ „links drehen“ „rechts drehen“ Elementare Bedingungen: nz nw h s wh nz wh nw s *wh l *wh „nicht auf Ziegel“ „nicht vor Wand“ Kontrollanweisung: wh ... ... *wh „wiederhole solange ...“ Ein MyKa-Programm setzt sich – wie im Beispiel gezeigt – aus elementaren und Kontrollanweisungen zusammen. Bei der Darstellung von MyKa-Programmen dürfen mehrere Anweisungen in eine Zeile geschrieben werden, ... 78 Aufgabe: MyKa Entwickeln Sie eine Grammatik für die Programmiersprache „MyKa“ und testen Sie diese Grammatik mit Hilfe des GOLD Parser Builder. 79 Vereinfachtes XML Informelle Beschreibung: Ein vereinfachtes XML-Dokument besteht aus ineinandergeschachtelten Elementen. Ein Element besteht aus einem Anfangstag, einem Bezeichner oder einer Elementliste und einem passenden Endtag. Ein Bezeichner besteht aus beliebigen alphanumerischen Zeichen. Der unten abgebildete XML-Quelltext ist in diesem Sinne ein vereinfachtes XML-Dokument. <structure> <type>grammar</type> <production> <left>S</left> <right>a</right> </production> <production> <left>S</left> <right>A</right> </production> <production> <left>A</left> <right>a</right> </production> </structure> Aufgabe: XML 80 Testen Sie folgenden Grammatik-Vorschlag für die Sprache der vereinfachten XML-Ausdrücke. Hier stimmt etwas nicht. Finden Sie den Fehler. Sehr schwierig: Geben Sie eine korrekte Grammatik an. ! Terminalsymbole ATag ETag Text = '<' {Letter}+ '>' = '<' '/' {Letter}+ '>‚ = {Alphanumeric}+ "Start Symbol" = <Element> ! Produktionen <Element> <ElementListe> <ElementListe> <Element> ::= ::= ::= ::= ATag Text Etag <Element> <Element> <ElementListe> ATag <ElementListe> ETag 81 Literaturhinweise F. Gasper, I. Leiß, M. Spengler, H. Stimm: Technische und theoretische Informatik. Bsv 1992. E. Modrow: Automaten, Schaltwerke, Sprachen. Dümmlers Verlag 1988. R. Baumann: Informatik für die Sekundarstufe II, Band 2. Klett-Verlag 1993. Informatik heute, Band 2. Schroedel-Verlag 1988. U. Schöning: Theoretische Informatik – kurzgefasst. Spektrum Akademischer Verlag 2001. J. E. Hopcroft / J. D. Ullman: Einführung in die Automatentheorie, Formale Sprachen und Komplexitätstheorie. Addison-Wesley 1988. S. H. Rodger, T. W. Finley: JFLAP. Jones and Bartlett Publishers 2006. ...
