Transitionssystem

Ein Transitionssystem (engl. labelled transition system) beschreibt in der Automatentheorie die möglichen Zustände eines zustandsbasierten Systems und die möglichen Übergänge (Transitionen) zwischen diesen Zuständen.

Man unterscheidet dabei diskrete und kontinuierliche Systeme. In der Regel betrachtet man nur diskrete Systeme, da diese wesentlich leichter überprüft werden können.

Ferner unterscheidet man deterministische und nichtdeterministische Transitionssysteme. Im ersten Fall wird einem Zustand und einer Transition höchstens ein Folgezustand zugeordnet, während im nichtdeterministischen Fall der selbe Zustand zu einer Transition mehrere Nachfolgezustände besitzen kann.

Ein Transitionssystem kann verwendet werden, um bestimmte Eigenschaften eines zustandsbasierten Systems zu zeigen, insbesondere die Terminiertheit. Aus diesem Grund wird es zur Verifikation der Korrektheit von Algorithmen eingesetzt. Auch zum Beweis der Verklemmungsfreiheit von verteilten Systemen kann dieses Konstrukt angewendet werden.

Formale Definition

Formal wird ein diskretes Transitionssystem beschrieben durch ein Quadrupel $TS=(S,S_{0},A,T)$, wobei

• $S$ ist eine Menge von Zuständen.
• $S_{0}\subseteq S$ ist eine nichtleere Menge von Startzuständen.
• $A$ ist ein endliches Alphabet wobei $S\cap A=\emptyset$. Die Elemente von A heißen Markierungen (engl. label) von TS.
• $T\subseteq S\times A\times S$ ist die Transitionsrelation von $TS$, die für jeden Zustand und jedes Eingabezeichen bestimmt, welche Nachfolgezustände existieren.

Das Transaktionssystem entspricht also einem endlichen Automaten, nur dass die Zustandsmenge nicht endlich sein muss und die Transitionsrelation daher beliebig komplex sein kann. Schon diese scheinbar kleinen Erweiterungen führen dazu, dass Transitionssysteme im Allgemeinen turingmächtig sind.

Eigenschaften

Ein Transitionssystem heißt endlich, falls die Menge der Zustände $S$ endlich ist. Ein endliches Transitionssystem ist ein endlicher Automat. Solche Transitionssysteme können als Transitionsdiagramm dargestellt werden: Es bildet im Allgemeinen einen gerichteten zyklischen Graphen mit benannten Kanten.

Ein Transitionssystem heißt deterministisch, wenn die folgenden beiden Bedingungen erfüllt sind:

• $S_{0}$ enthält genau ein Element.
• Wenn $(z_{0},a,z_{1})\in T$, dann folgt für alle $(w_{0},b,w_{1})\in T$ mit $w_{0}=z_{0}$ und $b=a$ auch $w_{1}=z_{1}$.

In jedem Zustand ist also für jedes Eingabezeichen eindeutig festgelegt, was der nächte Zustand sein muss.

Beispiele

Ampel

Eine Ampel läßt sich als Transitionssystem verstehen. Eine Ampel besitzt die fünf Zustände $\{rot,rot-gelb,gruen,gelb,aus\}$. Im Normalbetrieb wechselt die Ampel ihre Zustände in folgender Reihenfolge: $rot\ {\overrightarrow {a}}\ rot-gelb\ {\overrightarrow {a}}\ gruen\ {\overrightarrow {a}}\ gelb\ {\overrightarrow {a}}\ rot$. Außerdem besitzt eine Ampel einen Nachtbetrieb:$gelb\ {\overrightarrow {b}}\ aus\ {\overrightarrow {b}}\ gelb$. Die Beschreibung dieser beiden Zyklen als Zustandsänderung nennt man Transitionssystem.

Deterministischer endlicher Automat

Der oben abgebildete Graph ist ein DEA mit den vier Zuständen $S_{0}$, $S_{1}$, $S_{2}$ und $S_{3}$. Der Zustand $S_{3}$ ist ein Endzustand. Das Alphabet besteht aus den beiden Buchstaben $a$ und $b$. Andere Buchstaben akzeptiert der Automat nicht. Das einzige Wort, das der oben abgebildete DEA akzeptiert ist $aba$.

Literatur

• John E. Hopcroft u. Jeffrey D. Ullman, Einführung in die Automatentheorie, Formale Sprachen und Komplexitätstheorie, ISBN 3-89319-181-X
• Sander/Stucky/Herschel, Automaten, Sprachen, Berechenbarkeit, ISBN 3-519-02937-5