Detail předmětu

Teoretická informatika

FIT-TINAk. rok: 2022/2023

Aplikace teorie formálních jazyků v informatice a informačních technologiích (překladače, modelování a analýza systémů, lingvistika, biologie atd.), modelovací a rozhodovací síla formálního modelu, regulární jazyky a jejich vlastnosti, minimalizace konečného automatu, bezkontextové jazyky a jejich vlastnosti, Turingovy stroje, vlastnosti rekurzivních a rekurzivně vyčíslitelných jazyků, vyčíslitelné funkce, nerozhodnutelnost, nerozhodnutelné problémy teorie formálních jazyků a úvod do výpočetní složitosti.

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

7

Garant předmětu

prof. RNDr. Milan Češka, CSc.

Zajišťuje ústav

Ústav inteligentních systémů (UITS)

Výsledky učení předmětu

Znalosti základních a pokročilejších pojmů, přístupů a výsledků teorie automatů a teorie vyčíslitelnosti a základů teorie výpočetní složitosti, vedoucí k hlubšímu pochopení povahy popisu a realizace výpočetních procesů. 
Student získává základní kompetence k teoretické výzkumné práci.

Prerekvizity

Základní znalosti z binárních relací, algebraických struktur, matematické logiky, teorie grafů a formálních jazyků včetně konečných a zásobníkových automatů a pojmů algoritmické složitosti.

Způsob a kritéria hodnocení

Bodové hodnocení výsledků zkoušky ve 4. týdnu (max 10 bodů), zkoušky ve 9. týdnu (max 15 bodů), vypracovaných projektů (max. 3-krát 5 bodů) a závěrečné semestrální zkoušky (max 60 bodů).

Učební cíle

Rozšíření znalostí teorie formálních jazyků a osvojení základů teorie vyčíslitelnosti a základních pojmů výpočetní složitosti.

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky

Písemná zkouška ve 4. týdnu výuky zaměřená na základní i pokročilé znalosti z oblasti regulárních jazyků. Písemná zkouška v 9. týdnu výuky zaměřená na pokročilejší znalosti z bezkontextových jazyků a na Turingovy stroje. Průběžná kontrola a hodnocení projektů a závěrečné semestrální zkoušky. 

Podmínky pro udělení zápočtu, který je podmínkou pro připuštění k závěrečné semestrální zkoušce: Celkový zisk minimálně 18 bodů z z projektů a ze zkoušek v 4. a 9. týdnu (tj. celkem z 40 bodů).

Závěrečné semestrální zkouška má 4 části. Pro získání bodů ze závěrečné zkoušky je nutné mít z každé části alespoň 4 body a celkově získat alespoň 25 bodů. V opačném případě bude zkouška hodnocena 0 body.

Základní literatura

Aho, A.V., Ullmann, J.D.: The Theory of Parsing,Translation and Compiling, Prentice-Hall, 1972. ISBN 0-139-14564-8
Brookshear, J.G. : Theory of Computation: Formal Languages, Automata, and Complexity, The Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc, Redwood City, California, 1989. ISBN 0-805-30143-7
Hopcroft, J.E., Motwani, R., Ullman, J.D.: Introduction to Automata Theory, Languages, and Computation, Addison Wesley, 2nd ed., 2000. ISBN 0-201-44124-1
Kozen, D.C.: Automata and Computability, Springer-Verlag, New Yourk, Inc, 1997. ISBN 0-387-94907-0
Martin, J.C.: Introduction to Languages and the Theory of Computation, McGraw-Hill, Inc., 3rd ed., 2002. ISBN 0-072-32200-4

Doporučená literatura

Aho, A.V., Ullmann, J.D.: The Theory of Parsing,Translation and Compiling, Prentice-Hall, 1972. ISBN 0-139-14564-8
Brookshear, J.G. : Theory of Computation: Formal Languages, Automata, and Complexity, The Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc, Redwood City, California, 1989. ISBN 0-805-30143-7
Češka, M. a kol.: Vyčíslitelnost a složitost, Nakl. VUT Brno, 1993. ISBN 80-214-0441-8
Češka, M., Rábová, Z.: Gramatiky a jazyky, Nakl. VUT Brno, 1992. ISBN 80-214-0449-3
Češka, M., Vojnar, T.: Studijní  text k předmětu Teoretická informatika (http://www.fit.vutbr.cz/study/courses/TIN/public/Texty/TIN-studijni-text.pdf), 165 str. (in Czech)
Hopcroft, J.E., Motwani, R., Ullman, J.D.: Introduction to Automata Theory, Languages, and Computation, Addison Wesley, 2nd ed., 2000. ISBN 0-201-44124-1
Kozen, D.C.: Automata and Computability, Springer-Verlag, New Yourk, Inc, 1997. ISBN 0-387-94907-0
Martin, J.C.: Introduction to Languages and the Theory of Computation, McGraw-Hill, Inc., 3rd ed., 2002. ISBN 0-072-32200-4
Meduna, A.: Formal Languages and Computation. New York, Taylor & Francis, 2014.

Elearning

eLearning: aktuální otevřený kurz

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program IT-MGR-2 magisterský navazující

    obor MBI , 1 ročník, zimní semestr, povinný, základní teoretický předmět profilujícího základu
    obor MBS , 1 ročník, zimní semestr, povinný, základní teoretický předmět profilujícího základu
    obor MGM , 1 ročník, zimní semestr, povinný, základní teoretický předmět profilujícího základu
    obor MIN , 1 ročník, zimní semestr, povinný, základní teoretický předmět profilujícího základu
    obor MIS , 1 ročník, zimní semestr, povinný, základní teoretický předmět profilujícího základu
    obor MMM , 1 ročník, zimní semestr, povinný, základní teoretický předmět profilujícího základu
    obor MPV , 1 ročník, zimní semestr, povinný, základní teoretický předmět profilujícího základu
    obor MSK , 1 ročník, zimní semestr, povinný, základní teoretický předmět profilujícího základu

  • Program MITAI magisterský navazující

    specializace NADE , 1 ročník, zimní semestr, povinný, základní teoretický předmět profilujícího základu
    specializace NBIO , 1 ročník, zimní semestr, povinný, základní teoretický předmět profilujícího základu
    specializace NCPS , 1 ročník, zimní semestr, povinný, základní teoretický předmět profilujícího základu
    specializace NEMB , 1 ročník, zimní semestr, povinný, základní teoretický předmět profilujícího základu
    specializace NGRI , 1 ročník, zimní semestr, povinný, základní teoretický předmět profilujícího základu
    specializace NHPC , 1 ročník, zimní semestr, povinný, základní teoretický předmět profilujícího základu
    specializace NIDE , 1 ročník, zimní semestr, povinný, základní teoretický předmět profilujícího základu
    specializace NISD , 1 ročník, zimní semestr, povinný, základní teoretický předmět profilujícího základu
    specializace NISY do 2020/21 , 1 ročník, zimní semestr, povinný, základní teoretický předmět profilujícího základu
    specializace NMAL , 1 ročník, zimní semestr, povinný, základní teoretický předmět profilujícího základu
    specializace NMAT , 1 ročník, zimní semestr, povinný, základní teoretický předmět profilujícího základu
    specializace NNET , 1 ročník, zimní semestr, povinný, základní teoretický předmět profilujícího základu
    specializace NSEC , 1 ročník, zimní semestr, povinný, základní teoretický předmět profilujícího základu
    specializace NSEN , 1 ročník, zimní semestr, povinný, základní teoretický předmět profilujícího základu
    specializace NSPE , 1 ročník, zimní semestr, povinný, základní teoretický předmět profilujícího základu
    specializace NVER , 1 ročník, zimní semestr, povinný, základní teoretický předmět profilujícího základu
    specializace NVIZ , 1 ročník, zimní semestr, povinný, základní teoretický předmět profilujícího základu
    specializace NISY , 1 ročník, zimní semestr, povinný, základní teoretický předmět profilujícího základu
    specializace NEMB do 2021/22 , 1 ročník, zimní semestr, povinný, základní teoretický předmět profilujícího základu

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

39 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

doc. RNDr. Milan Češka, Ph.D.

Osnova

  1. Úvod do teorie formálních jazyků, způsoby specifikace jazyků, regulární jazyky a gramatiky, konečné automaty, regulární výrazy.
  2. Minimalizace konečného automatu, věta o vkládání (Pumping theorem), Nerodova věta, rozhodnutelné problémy regulárních jazyků. 
  3. Bezkontextové jazyky a gramatiky, zásobníkové automaty, transformace a normální tvary bezkontextových gramatik. 
  4. Pokročilé vlastnosti bezkontextových jazyků, věta o vkládání pro bezkontextové jazyky, rozhodnutelné problémy bezkontextových jazyků, deterministické bezkontextové jazyky. 
  5. Turingovy stroje (TS), rekurzivně vyčíslitelné a rekurzivní jazyky a problémy.
  6. TS s více páskami, nedeterministický TS, univerzální TS. 
  7. Vztah vyčíslitelných funkcí a Turingových strojů.
  8. TS a jazyky typu 0, diagonalizace, vlastnosti rekurzivních a rekurzivně vyčíslitelných jazyků, lineárně ohraničené automaty a jazyky typu 1. 
  9. Church-Turingova téze, nerozhodnutelnost, problém zastavení TS, redukce, Postův korespondenční problém, nerozhodnutelné problémy teorie formálních jazyků. 
  10. Gödelovy věty o neúplnosti.
  11. Úvod do výpočetní složitosti, Turingovská složitost, asymptotická složitost.
  12. Třída P a NP problémů, problémy mimo třídu NP, polynomiální redukce, úplnost.

Cvičení odborného základu

16 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

doc. Mgr. Adam Rogalewicz, Ph.D.
doc. Ing. Ondřej Lengál, Ph.D.
doc. Mgr. Lukáš Holík, Ph.D.
prof. Ing. Tomáš Vojnar, Ph.D.
doc. RNDr. Milan Češka, Ph.D.

Osnova

  1. Formální jazyky a operace nad nimi. Gramatiky, Chomského hierarchie jazyků a gramatik. 
  2. Regulární jazyky a konečné automaty, determinizace automatů
  3. Převod regulárních výrazů na konečné automaty. Minimalizace automatů, Pumping lemma.
  4. Bezkontextové jazyky a gramatiky. Transformace bezkontextových gramatik. 
  5. Operace nad bezkontextovými jazyky a uzavřenost vůči nim. Pumping lemma bezkontextových jazyků. 
  6. Zásobníkové automaty, (nedeterministická) syntaktická analýza shora dolů a zdola nahoru. Deterministické zásobníkové jazyky. 
  7. Turingovy stroje. 
  8. Turingovy stroje a vyčíslitelné funkce.
  9. Jazyky rekurzívní a rekurzívně vyčíslitelné a jejich vlastnosti. 
  10. Rozhodnutelnost, částečná rozhodnutelnost a nerozhodnutelnost problémů, redukce problémů.  
  11. Třídy složitosti. Vlastnosti prostorových a časových tříd složitosti. 
  12. P a NP problémy. Polynomiální redukce. 

Projekt

13 hod., povinná

Vyučující / Lektor

doc. Mgr. Adam Rogalewicz, Ph.D.
doc. Ing. Ondřej Lengál, Ph.D.
doc. Mgr. Lukáš Holík, Ph.D.

Osnova

  1. Řešení problému z oblasti regulárních jazyků. 
  2. Řešení problému z oblasti bezkontextových jazyků a Turingových strojů a teorie nerozhodnutelnosti. 
  3. Řešení problému z oblasti nerozhodnutelnosti a složitosti.

Seminář

10 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

prof. Ing. Tomáš Vojnar, Ph.D.

Elearning

eLearning: aktuální otevřený kurz