Factorisations d’un ensemble. La d´efinition de l’automate universel, bas´ee sur la notion de facteurs, est possible pour n’importe quel sous-ensemble L de n’importe quel mono¨ıde N .
Naturellement, le nombre d’´etats de l’automate universel d’un ensemble quelconque n’est pas n´ecessairement fini, ni mˆeme d´enombrable.
D´efinition 2.1 Une sous-factorisation d’un sous-ensemble L de N est un k-uplet de sous-ensembles non vides de N , (R1, R2, . . . , Rk) appartenant `a (P(N ) r {∅})k, tel
que R1.R2. . . Rk est inclus dans L. Les sous-factorisations sont partiellement ordonn´ees
par inclusion. Une factorisation de L est une sous-factorisation maximale. Si une facto- risation de L est un couple (L, R), on dit que L est un facteur gauche et R un facteur droitde L.
Remarque 2.1 Dans ce qui suit, on consid´erera les factorisations qui sont des couples, sauf mention explicite. Puisqu’elle est maximale, une factorisation (L, R) de L est enti`e- rement d´etermin´ee par la donn´ee de L (ou de R) :
L = max{X ⊆ N | X.R ⊆ L} , R = max{X ⊆ N | L.X ⊆ L}.
Exemple 1.7 Les factorisations du langage L1= A∗abA∗ sont
(A∗, A∗abA∗), (A∗aA∗, A∗bA∗) et (A∗abA∗, A∗).
En effet, pour toute sous-factorisation (L, R) de L1, s’il existe un mot de L ne contenant
pas de a, tout mot de R contient un facteur ab et s’il existe un mot de R ne contenant pas de b, tout mot de L contient un facteur ab. Il n’est pas difficile de voir que les trois factorisations donn´ees sont bien maximales.
Exemple 7.2 Soit N3 = (Z/3Z, +) et L3 = {1, 2}. La figure 2.1 repr´esente la table du
mono¨ıde ; les ´el´ements de L3sont encadr´es, les rectangles indiquent les factorisations. Cette
2 0 2 1 1 2 0 1 0 0 1 2 0 + 1 2
Fig. 2.1 – La table du groupe Z/3Z et les factorisations de L3.
Les factorisations sont donc les suivantes :
({0}, {1, 2}), ({1}, {0, 1}), ({2}, {0, 2}), ({1, 2}, {0}), ({0, 1}, {1}), ({0, 2}, {2}).
Exemple 8.1 Soit a∗ le mono¨ıde librement engendr´e par a et L2 = a+ l’ensemble des
mots de A∗ qui contiennent au moins une lettre. Les factorisations de L2 sont (a∗, a+)
et (a+, a∗).
Exemple 9 Soit N5 le mono¨ıde des fonctions de R dans R munies de la composition
et L5 le singleton contenant la fonction identit´e. Les factorisations de L5 sont les couples
maximaux (L, R) tels que
– L est un ensemble non vide d’applications injectives telles que quel que soit α et β appartenant `a L, quel que soit (x, y) dans R2, xα = yβ entraˆıne x = y.
– R est l’ensemble des fonctions r´ealisant l’inverse de α sur Im α, pour tout α dans L. Le couple suivant est un exemple de factorisation de l’identit´e :
({arctg, arctg + π}, {α | X ⊆ Supp(α) ⊆ R, ∀x ∈ X, xα = tg(x)}).
Le nombre de factorisations n’est ici pas d´enombrable. En effet, chaque bijection α de R sur lui-mˆeme induit une factorisation (maximale) de l’identit´e : ({α}, {α−1}). On obtient donc ainsi un sous-ensemble non d´enombrable des factorisations de l’identit´e.
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D´efinition de l’automate universel. Nous allons construire l’automate dont les ´etats sont les factorisations de l’ensemble `a reconnaˆıtre, qui a un maximum de transitions, et qui respecte les propri´et´es suivantes :
– Un ´etat (L, R) est initial (resp. final) si et seulement si 1N appartient `a L (resp.
` a R).
– Un ´el´ement x de N ´etiquette une transition entre deux ´etats (L, R) et (L′, R′) si et seulement si L.x.R′ est inclus dans L.
A∗, A∗abA∗ A∗aA∗, A∗bA∗ A∗abA∗, A∗ A∗aA∗ A∗bA∗ A∗ A∗ A∗abA∗ A∗ A∗ A∗ A∗
Fig. 2.2 – L’automate universel de L1.
a∗, a+ a+, a∗
a+ a∗
a∗ a∗
Fig. 2.3 – L’automate universel de L2.
D´efinition 2.2 Soit L un sous-ensemble de N et Q l’ensemble de ses factorisations. L’automate universel de L est UL= h Q, N, E, I, T i, avec :
I ={(L, R) ∈ Q | 1N ∈ L},
T ={(L, R) ∈ Q | 1N ∈ R},
E ={((L, R), X, (L′, R′)) ∈ Q × P(N ) × Q | X = {x ∈ N | L.x.R′ ⊆ L}}.
Remarque 2.2 Dans la d´efinition pr´ec´edente, la condition L.x.R′ ⊆ L est ´equivalente, `a cause de la maximalit´e des factorisations `a l’une des conditions L.x ⊆ L′ ou x.R′⊆ R. De
mˆeme, la condition 1N ∈ L est ´equivalente `a R ⊆ L et 1N ∈ R est ´equivalent `a L ⊆ L.
Exemple 1.8 L’automate universel de L1 a trois ´etats (les trois factorisations de L1
pr´esent´ees exemple 1.7 page 46). Il est repr´esent´e figure 2.2.
Exemple 8.2 L’automate universel de L2 a deux ´etats. Il est repr´esent´e figure 2.3.
Exemple 7.3 L’automate universel de {1, 2}, dans Z/3Z, a six ´etats (les six factorisa- tions). Il est repr´esent´e figure 2.4. Sur la figure, chaque ´etat est ´etiquet´e par le facteur gauche de la factorisation `a laquelle il correspond.
0 1 2 0, 1 0, 2 1, 2 1 1 1 2 2 2 0 0 0 0, 1 0, 2 1, 2 0, 2 1, 2 0, 1 1, 2 0, 1 0, 2 1 1 1 2 2 2 0 0 0
Fig. 2.4 – L’automate universel de L3.
D´efinition 2.3 Soit L un sous-ensemble de N . Soit Li = max{X ⊆ N | X.L ⊆ L}
et Rt = max{X ⊆ N | L.X ⊆ L}. Les couples (Li, L) et (L, Rt) sont des factorisations
et sont appel´ees respectivement factorisation initiale et factorisation terminale. La factorisation initiale (resp. terminale) est un ´etat initial (resp. final) de l’automate univer- sel.
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Propri´et´es. On v´erifie `a pr´esent que l’automate construit a les propri´et´es voulues, c’est- `
a-dire qu’il reconnaˆıt ce qu’on veut, bien sˆur, mais aussi que les factorisations repr´esentent effectivement le pass´e et le futur des ´etats. C’est l’objet des deux propositions suivantes. Proposition 2.1 L’automate UL reconnaˆıt l’ensemble L.
D´emonstration. Soit pi= (Li, L) et pt= (L, Rt) les factorisations initiale et terminale.
Li.L.Rt est inclus dans L.Rt, donc dans L. Le triplet ((Li, L), L, (L, Rt)) est donc une
transition de E, et tout mot de L est accept´e par UL.
R´eciproquement, si u est reconnu par UL, il existe des factorisations (L0, R0), . . . , (Lk, Rk)
de L et (u1, . . . , uk) une factorisation de u en k ´el´ements tels que Li−1.ui.Ri est inclus
dans L et 1N appartient `a L0 et `a Rk. Alors L0.u.Rk est inclus dans L, donc u est un
Proposition 2.2 Pour chaque ´etat p = (L, R) de l’automate UL, les facteurs L et R sont respectivement ´egaux au pass´e et au futur de p dans UL :
L = PastUL(L, R) , R = FutUL(L, R).
D´emonstration. Soit pi = (Li, L) et pt = (L, Rt) les factorisations initiale et terminale.
Pour toute factorisation p = (L, R), L.R est inclus dans L, donc Li.L.R aussi et (pi, L, p)
est une transition de UL. Donc L est inclus dans le pass´e de p. De mˆeme, R est inclus dans le futur de p. Comme (L, R) est une factorisation (maximale) de L qui est l’ensemble reconnu par l’automate, la factorisation (L, R) est ´egale `a la factorisation (PastUL(p), FutUL(p)). ⊓⊔ Corollaire 2.3 Tout automate universel est ´emond´e.
D´emonstration. Chaque ´etat correspond `a une factorisation dont les facteurs repr´e- sentent le pass´e et le futur de l’´etat. Ces facteurs ne sont pas l’ensemble vide, l’´etat est
donc accessible et co-accessible. ⊓⊔
Nous allons maintenant voir ce qui fait de l’automate que nous avons d´efini un automate «universel» pour l’ensemble reconnu.
Proposition 2.4 Soit A un automate ´emond´e reconnaissant un sous-ensemble de L. Alors, il existe un morphisme ϕ de A dans UL. De plus, UL est le plus petit1 automate reconnaissant L ayant cette propri´et´e.
D´emonstration. Soit p un ´etat de A. Le pass´e et le futur de p forment une sous- factorisation de L. On pose2 :
Rp = max{X ⊆ N | PastA(p).X ⊆ L} = PastA(p)−1L et Lp = max{X ⊆ N | X.Rp ⊆ L}.
Il s’agit bien d’une factorisation. On v´erifie que si p est initial ou final, (Lp, Rp) aussi.
Si (p, u, q) est une transition de A, comme PastA(p).u est inclus dans le pass´e de q, PastA(p).u.Rqest inclus dans L, donc u.Rqest inclus dans Rpet Lp.u.Rq est inclus dans L.
L’´el´ement u fait donc partie de l’´etiquette de la transition entre (Lp, Rp) et (Lq, Rq).
Supposons qu’il existe un automate A′dans lequel tout automate reconnaissant L s’envoie par morphisme. S’il existe un morphisme non injectif de ULdans A′, deux ´etats p et q de UL ont une mˆeme image, dont le pass´e contient Lp∪ Lq et le futur Rp∪ Rq. Comme (Lp, Rp)
et (Lq, Rq) sont des factorisations, (Lp∪ Lq).(Rp∪ Rq) n’appartient pas `a L et A′ reconnaˆıt
strictement plus que l’ensemble L. Donc tout morphisme de UL dans A′ est injectif. Le cardinal de l’ensemble des ´etats et de l’ensemble des transitions de A′ est donc sup´erieur
ou ´egal `a celui de UL. ⊓⊔
L’automate universel peut, d’apr`es ce qu’on en a dit, ˆetre infini. Nous allons voir sous quelle condition il est fini.
1Comme on n’a fait aucune supposition sur l’ensemble reconnu, l’automate est ´eventuellement infini.
Cet automate est le «plus petit» dans le sens o`u il est inclus dans tout automate ayant cette propri´et´e.
2On voit que cette d´efinition n’est pas sym´etrique. On peut ainsi d´efinir deux morphismes canoniques
(non n´ecessairement distincts) de A dans UL. Ce ne sont d’ailleurs pas n´ecessairement les seuls morphismes
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