\documentclass[compress, german, t]{beamer}

\usepackage[ngerman,english]{babel}
\uselanguage{German}
\languagepath{German}

\usepackage[T1]{fontenc}
\usepackage[utf8]{inputenc}

\usepackage{helvet}
\usepackage{url}
\usepackage{listings}
\usepackage{xcolor}
\usepackage{tikz}
\usepackage{pgfplots}
\usetikzlibrary{automata}
\usetikzlibrary{calc}
\usetikzlibrary{shapes.geometric}
\usepackage{tabu}

\usepackage{beamerthemeLEA2}

\newcommand{\N}       {\mathbb{N}}          % natürliche Zahlen
\newcommand{\Z}       {\mathbb{Z}}          % ganze Zahlen
\newcommand{\R}       {\mathbb{R}}          % reelle Zahlen
\newcommand{\Prob}    {\mathrm{P}}          % Wahrscheinlichkeit
\newcommand{\Oh}      {\mathcal{O}}         % O-Notation (Landau-Symbole)
\newcommand{\mycite}[1]{\textcolor{tumgreen}{[#1]}}

\tikzstyle{every edge} = [draw,very thick,->,>=latex]
\tikzstyle{every state} = [circle,thick,draw,fill=tumblue!10]

\title{Übung 1: Sprachen und Automaten}
\subtitle{Theoretische Informatik Sommersemester 2013}
\author{\href{mailto:markus.kaiser@in.tum.de}{Markus Kaiser}}

\begin{document}

\begin{frame}
    \titlepage
\end{frame}

\begin{frame}
    \frametitle{Organisatorisches}

    \begin{itemize}
        \item Mail: \href{mailto:tutor@zfix.org}{tutor@zfix.org}
        \item Web: \href{tutor.zfix.org}{tutor.zfix.org}
            \vfill
        \item Wann?
            \begin{itemize}
                \item Dienstag 10:15-11:45 00.08.038
                \item Dienstag 12:05-13:35 00.08.038
            \end{itemize}
        \item Übungsablauf, Aufgabentypen
        \item Hausaufgaben
            \begin{itemize}
                \item Abgabe am Montag 14h, \alert{allein}
                \item Rückgabe in der \alert{richtigen} Übung
                \item Notenbonus für 40\% der Punkte, 40\% in der zweiten Hälfte
            \end{itemize}
        \item Klausur
            \begin{itemize}
                \item Endterm: Mi 31.07. 11.30-14h
                \item Wiederholung: Do 26.09. 11-13.30h
            \end{itemize}
    \end{itemize}
\end{frame}

\begin{frame}
    \frametitle{Was ist Theoinf?}

    Aus der VL
    \vspace{1em}

    \begin{itemize}
        \item Automatentheorie
            \begin{itemize}
                \item Rechner mit endlichem oder kellerartigem Speicher
            \end{itemize}
            \vspace{0.5em}
        \item Grammatiken
            \begin{itemize}
                \item Syntax von Programmiersprachen
            \end{itemize}
            \vspace{0.5em}
        \item Berechenbarkeitstheorie
            \begin{itemize}
                \item Untersuchung der Grenzen, was Rechner prinzipiell können
            \end{itemize}
            \vspace{0.5em}
        \item Komplexitätstheorie
            \begin{itemize}
                \item Untersuchung der Grenzen, was Rechner mit begrenzten Ressourcen können
            \end{itemize}
    \end{itemize}
\end{frame}

\begin{frame}
    \frametitle{Grundlegendes}

    \begin{definition}
        \begin{itemize}
            \item Ein \alert{Alphabet} $\Sigma$ ist eine endliche Menge.
            \item Ein \alert{Wort} über $\Sigma$ ist eine endliche Folge von Zeichen.
            \item Eine Teilmenge $L \subseteq \Sigma^*$ ist eine \alert{formale Sprache}
        \end{itemize}
    \end{definition}

    \vfill

    \begin{definition}[Operationen auf Sprachen]
        \begin{itemize}
            \item $\alert{AB} = \left\{ uv \mid u \in A \wedge v \in B \right\}$
            \item $\alert{A^n} = \left\{w_1 \ldots w_n \mid w_1 \ldots w_n \in A \right\}$,\qquad $A^0 = \{\epsilon\}$
            \item $\alert{A^*} = \bigcup_{n \in \N_0} A^n$
        \end{itemize}
    \end{definition}
\end{frame}

\begin{frame}
    \frametitle{DFA}

    \begin{definition}[Deterministischer endlicher Automat]
        Ein \alert{DFA} ist ein Tupel $M = (Q, \Sigma, \delta, q_0, F)$ aus einer/einem
        \begin{itemize}
            \item endlichen Menge von \alert{Zuständen} $Q$
            \item endlichen \alert{Eingabealphabet} $\Sigma$
            \item totalen \alert{Übergangsfunktion} $\delta : Q \times \Sigma \mapsto Q$
            \item \alert{Startzustand} $q_0 \in Q$
            \item Menge von \alert{Endzuständen} $F \subseteq Q$
        \end{itemize}
    \end{definition}

    \vfill
    \pause

    \begin{center}
        \begin{tikzpicture}[shorten >=1pt, node distance = 3cm, auto, bend angle=20, initial text=]
            \node[state, initial] (q0) {$q_0$};
            \node[state, accepting] (q1) [right of = q0] {$q_1$};
            \node[state] (q2) [right of = q1] {$q_2$};

            \draw[->] (q0) edge [loop above] node {0} (q0);
            \draw[->] (q2) edge [loop above] node {1} (q2);
            \draw[->] (q0) edge [bend left] node {1} (q1);
            \draw[->] (q1) edge [bend left] node {1} (q0);
            \draw[->] (q1) edge [bend left] node {0} (q2);
            \draw[->] (q2) edge [bend left] node {0} (q1);
        \end{tikzpicture}
    \end{center}
\end{frame}

\begin{frame}
    \frametitle{NFA}
    \begin{definition}[Nicht-Deterministischer endlicher Automat]
        Ein \alert{NFA} ist ein Tupel $N = (Q, \Sigma, \delta, q_0, F)$ mit
        \begin{itemize}
            \item $Q, \Sigma, q_0, F$ wie ein DFA
            \item \alert{Übergangsfunktion} $\delta : Q \times \Sigma \mapsto P(Q)$
        \end{itemize}
    \end{definition}

    \vfill
    \pause

    \begin{center}
        \begin{tikzpicture}[shorten >=1pt, node distance = 3cm, auto, bend angle=20, initial text=]
            \node[state, initial] (q0) {$q_0$};
            \node[state, accepting] (q1) [right of = q0] {$q_1$};

            \draw[->] (q0) edge [loop above] node {0,1} (q0);
            \draw[->] (q0) edge node {1} (q1);
        \end{tikzpicture}
    \end{center}
\end{frame}

\begin{frame}
    \frametitle{$\epsilon$-NFA}
    \begin{definition}[NFA mit $\epsilon$-Übergängen]
        Ein \alert{$\epsilon$-NFA} ist ein Tupel $N = (Q, \Sigma, \delta, q_0, F)$ mit
        \begin{itemize}
            \item $Q, \Sigma, q_0, F$ wie ein DFA
            \item \alert{Übergangsfunktion} $\delta : Q \times \left( \Sigma \cup \{\epsilon\} \right) \mapsto P(Q)$
        \end{itemize}
    \end{definition}

    \vfill
    \pause

    \begin{center}
        \begin{tikzpicture}[shorten >=1pt, node distance = 3cm, auto, bend angle=30, initial text=]
            \node[state] (q1) {$q_1$};
            \node[state, initial] (q0) [left of = q1] {$q_0$};
            \node[state, accepting] (q2) [right of = q1] {$q_2$};

            \draw[->] (q0) edge [red] node {$\epsilon$} (q1);
            \draw[->] (q1) edge [loop above] node {0,1} (q1);
            \draw[->] (q1) edge node {1} (q2);
            \draw[->] (q0) edge [bend right, red] node {$\epsilon$} (q2);
        \end{tikzpicture}
    \end{center}
\end{frame}

\begin{frame}
    \frametitle{Automaten}
    \begin{block}{Übergangsfunktionen}
        Die Automaten $A = (Q, \Sigma, \delta, q_0, F)$ unterscheiden sich nur durch ihre Übergangsfunktionen.

        \begin{description}
            \item[DFA] $\delta : Q \times \Sigma \mapsto Q$
            \item[NFA] $\delta : Q \times \Sigma \mapsto \alert{P(Q)}$
            \item[$\epsilon$-NFA] $\delta : Q \times \alert{\left( \Sigma \cup \{\epsilon\} \right)} \mapsto \alert{P(Q)}$
        \end{description}
    \end{block}

    \vfill

    \begin{theorem}
        \alert{DFA}, \alert{NFA} und \alert{$\epsilon$-NFA} sind gleich mächtig und lassen sich ineinander umwandeln.
    \end{theorem}
\end{frame}

\begin{frame}
    \frametitle{Tutoraufgabe 3}

    \begin{center}
        \begin{tikzpicture}[shorten >=1pt, node distance = 3cm, auto, bend angle=20, initial text=]
            \node[state, initial] (q0) {$q_0$};
            \node[state, accepting] (q1) [above right of = q0] {$q_1$};
            \node[state] (q2) [right of = q1] {$q_2$};
            \node[state] (q3) [below right of = q0] {$q_3$};
            \node[state] (q4) [right of = q3] {$q_4$};

            \draw[->] (q0) edge node {0} (q1);
            \draw[->] (q0) edge node {1} (q3);

            \draw[->] (q1) edge [loop above] node {0} (q1);
            \draw[->] (q2) edge [loop right] node {1} (q2);
            \draw[->] (q4) edge [loop right] node {0} (q4);

            \draw[->] (q1) edge [bend left] node {1} (q2);
            \draw[->] (q2) edge [bend left] node {0} (q1);
            \draw[->] (q3) edge [bend left] node {0,1} (q4);
            \draw[->] (q4) edge [bend left] node {1} (q3);
        \end{tikzpicture}
    \end{center}
\end{frame}

\end{document}