构造非确定性（np）图灵机的多项式方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]术语“图灵机”指的是以阿兰.图灵最早假定的方式执行计算的理论计算设备。大多数现代电子计算机是图灵机的实例化。一般而言，图灵机可被理解为具有读取存储在无尽磁带上的符号并向无尽磁带上写入符号的能力的设备。该磁带可被初始化为包含一个或多个符号。此外，图灵机具有可以随时间改变的“状态”。这种状态经常使用简单标签来表述，例如，数(例如，状态1、2和3)或字母(例如，状态A、B和C)，但是用于识别状态的具体标签并不重要。
[0002]图灵机包括读/写头，该读/写头在任何特定时间上被定位在磁带上的特定位置(被称为“当前位置”)上。图灵机读取在磁带上当前位置处当前存储的符号(本文中称为“当前输入”)，并基于该符号和图灵机的当前状态来确定接下来执行什么动作。这种动作包括:在磁带上的当前位置处写入指定符号、向哪个方向移动头(前向或后向)、以及修改图灵机的状态。图灵机可以与规定当图灵机处于特定状态下的同时在图灵机读取特定符号时要采取的动作的规则相关联。每个这种规则可以规定刚刚描述的任何一个或多个类型的动作。这种规则的示例包括:“如果在处于状态A的同时读取符号1，则在当前位置处写入符号2并向前移动一个位置”、“如果在处于状态A的同时读取符号2，则转换到状态B”、以及“如果在处于状态B的同时读取符号1，则在当前位置处写入符号3，转换到状态A，以及向后移动一个位置”。
[0003]在执行了由适用于当前状态和当前输入的规则所规定的动作之后，图灵机再次读取在磁带上当前位置处当前存储的符号，且上述过程重复。
[0004]与特定图灵机相关联的规则集合自身可以被编码在图灵机的磁带上的符号中。在该情况下，图灵机可以读取包含规则的符号，然后将体现在这些符号中的规则有效地应用到磁带上的后续符号。能够以这种方式应用经编码的规则的图灵机被称为“通用图灵机”，因为可以通过向其提供正确的对规则进行编码的符号的集合来使其模仿任何其他特定的图灵机。对规则进行编码的符号的集合也被称为计算机程序。
[0005]图灵机可以是确定性的或非确定性的。在确定性图灵机中，与图灵机相关联的规则的集合明确地规定针对每种状态-输入组合要执行的动作。例如，确定性图灵机规定可以如下规定:“如果在处于状态A的同时读取符号2，则转换到状态B”，以及规定如果在处于状态A的同时读取符号2，则不采取其它动作。相对地，与非确定性图灵机(NTM)相关联的规则可以规定针对状态-输入组合要执行的两个或更多个备选动作。例如，NTM可以规定以下两个规则:“如果在处于状态A的同时读取符号2，则转换到状态B”和“如果在处于状态A的同时读取符号2，则转换到状态C”。
[0006]如上面的描述所暗示的，在确定性图灵机中，当前状态和当前输入的组合唯一地(即，明确地)规定:要在当前位置处写入的符号(如果有的话)、移动头的方向(如果有的话)、以及图灵机的新状态(其可以与当前状态相同)。如上面的描述所进一步暗示的，在非确定性图灵机中，当前状态和当前输入的组合不一定唯一地规定:要在当前位置处写入的符号(如果有的话)、移动头的方向(如果有的话)、以及图灵机的新状态(其可以与当前状态相同)。因此，由于当前状态和当前输入的组合不一定确定图灵机要在当前位置处写入的符号、图灵机的下一个状态、以及图灵机的下一个位置，非确定性图灵机是非确定性的。
[0007]非确定性图灵机可以被视为以与人脑相类似的方式来工作的知识推理机。在每种情形下，非确定性图灵机可以并行进行很多选择，以向问题的解决方案前进。相对地，确定性图灵机是转换函数机；即，在任何给定情形下，确定性图灵机进行刚好一个选择，且不具有并行执行其他选择的能力。因此，确定性图灵机和非确定性图灵机之间的最显著区别在于:前者不能并行执行处理，而后者可以并行执行处理。
[0008]不存在用于构造非确定性图灵机的实现的已知方法。此外，尚不知晓是否可以根据确定性图灵机来构造非确定性图灵机。如果可以根据确定性图灵机来构造非确定性图灵机，则将有可能用比现在能实现的效率显著更高的效率来解决计算中的问题。
【发明内容】
[0009]非确定性图灵机(NTM)使用空间二进制枚举系统、三维关系系统、模拟人类逻辑系统、以及双射集合存储器系统来执行计算。NTM可以用于执行各种计算任务，例如，多序列比对、因数分解、以及多项式时间内的自然语言查询。NTM可以使用上面列出的四种系统根据确定性图灵机(DTM)来构造NTM。
[0010]本发明的一个实施例是一种设备，包括:知识库，包含表示多个对象的数据、表示多个类的数据、以及表示所述多个对象和所述多个类之间的关系的数据；归纳模块，包括用于生成表示由表示多个对象的多个输入所表示的概念的数据以及在所述知识库中存储表示所述概念的数据的装置；演绎模块，用于从所述知识库中检索表示包含由对所述演绎模块的输入所表示的对象在内的类的数据；化简模块，用于从所述知识库中检索表示作为由对所述化简模块的输入所表示的类的成员的对象的数据；其中，表示所述多个对象的数据以二进制数的三维表示的形式来表示所述多个对象；以及其中，表示所述多个类的数据以二进制数的三维表示的形式来表示所述多个类。
[0011 ] 所述演绎模块可以包括:用于通过针对所述知识库中的数据执行集合运算来检索表示所述类的数据的装置。所述化简模块可以包括:用于通过针对所述知识库中的数据执行集合运算来检索表示所述对象的数据的装置。
[0012]所述设备还可以包括认知逻辑单元，所述认知逻辑单元包括用于接收输入并用于触发所述归纳模块针对所述输入和所述知识库中存储的数据执行归纳以生成包含由所述输入表不的对象在内的类的表不的装置。
[0013]所述设备还可以包括认知逻辑单元，所述认知逻辑单元包括用于接收输入并用于触发所述演绎模块针对所述输入和所述知识库中存储的数据执行演绎以从所述知识库中检索表示包含由所述输入表示的对象在内的类的数据的装置。
[0014]所述设备还可以包括认知逻辑单元，所述认知逻辑单元包括用于接收输入并用于触发所述化简模块针对所述输入和所述知识库中存储的数据执行演绎以从所述知识库中检索表示作为由所述输入表示的类的成员的对象的数据的装置。
[0015]本发明的另一实施例是一种用于包括知识库的系统的方法，其中，所述知识库包含表示多个对象的数据、表示多个类的数据、以及表示所述多个对象和所述多个类之间的关系的数据。所述方法包括:生成表示由表示多个对象的多个输入所表示的概念的数据以及用于在所述知识库中存储表示所述概念的数据；从所述知识库中检索表示包含由对演绎模块的输入所表示的对象在内的类的数据；从所述知识库中检索表示作为由对化简模块的输入所表示的类的成员的对象的数据；其中，表示所述多个对象的数据以二进制数的三维表示的形式来表示所述多个对象；以及其中，表示所述多个类的数据以二进制数的三维表示的形式来表示所述多个类。
[0016]检索表示所述类的数据可以包括针对所述知识库中的数据执行集合运算。检索表示所述对象的数据可以包括针对所述知识库中的数据执行集合运算。
[0017]所述方法还可以包括:接收输入并用于触发所述归纳模块针对所述输入和所述知识库中存储的数据执行归纳以生成包含由所述输入表示的对象在内的类的表示。
[0018]所述方法还可以包括:接收输入并用于触发所述演绎模块针对所述输入和所述知识库中存储的数据执行演绎以从所述知识库中检索表示包含由所述输入表示的对象在内的类的数据。
[0019]所述方法还可以包括:接收输入并用于触发所述化简模块针对所述输入和所述知识库中存储的数据执行演绎以从所述知识库中检索表示作为由所述输入表示的类的成员的对象的数据。
[0020]根据以下描述和权利要求，本发明的各种方案和实施例的其他特征和优点将变得明显。
【附图说明】
[0021]图1是根据本发明的一个实施例的非确定性图灵机的示意图；
[0022]图2是本发明的实施例的以阿拉伯数系统和空间二进制数系统来表示的数的说明图；
[0023]图3A?3G是示出了本发明的实施例的3维空间二进制枚举系统的示意图；以及
[0024]图4是示出了根据本发明的一个实施例的双射集合存储器的示意图。
【具体实施方式】
[0025]—般而言，根据本发明的实施例来实现的非确定性图灵机(NTM)包括四个子系统:⑴空间二进制枚举系统；(2) 3维关系系统；(3)模拟人类逻辑系统；以及⑷双射集合存储器系统。
[0026]例如，参见图1，示出了根据本发明的一个实施例的非确定性图灵机(NTM) 100的示意图。NTM 100包括本文中被称为“双射集合”存储器的存储器102，因为其包含如下文将更详细描述的表示双向关系的数据。在本文中存储器102也被称为“知识库”，如图该术语在美国专利N0.6，611，841中的使用。NTM 100还包括模拟人类逻辑系统104，在本文中其也被称为认知逻辑单元或并行信息处理器。认知逻辑单元104与传统中央处理单元(CPU)并不以相同方式工作。相反，认知逻辑单元104作为“集合算符”来工作，其使得整个NTM100作为集合算符来工作。认知逻辑单元104读取输入106，并基于该输入和存储器102的内容来产生输出108。例如，且如下文将更详细描述的，认知逻辑单元104可以针对其输入106执行一个或多个集合运算(例如，以演绎的方式和/或以化简的方式)，以产生其输出108，该输出108表示针对输入106执行集合运算的结果。由于NTM 100是非确定性的，双射集合存储器102可以包含(在上面“【背景技术】”节中描述的意义下的)表示数据之间的关系的数据。然而，整个NTM 100可以使用确定性图灵机(DTM)来实现。在这种实施例中，NTM 100使用DTM来执行NTM的功能。NTM 100因此可以使用DTM来构造NTM。
[0027]双射集合存储器102的示例以及用于在双射集合存储器中存储数据的技术的不例在 2003 年 8 月 26 日颁发的题为 “Knowledge Acquisit1n and RetrievalApparatus and Method”的美国专利N0.6，611,841、2013年3月15日提交的题为“Sequence Alignment”的美国临时专利申请N0.61/798，848、以及2014年3月14日提交的题为“Spatial Arithmetic Method of Sequence Alignment” 的 PCT 申请 N0.PCT/US2014/027455中更详细地描述，它们都以引用的方式并入本文中。
[0028]此处将提供双射集合存储器102的非常简要的概要。进一步的细节可以在上面引用的文献中找到。一般而言，双射集合存储器102基于对人脑运转的理解，并以类似于人脑运转的方式来工作。具体地，双射集合存储器102可以包含两种存储器:感知存储器110和概念存储器112。感知存储器110存储表示感知的数据，例如对象的感知。概念存储器112存储表示观念(concept1n