I n d o n e s i a n  J o u r n a l  o E l e c tr i c a l  E n g i n e e r i n g   a n d  C o m p u te r  S c i e n c e   V ol .  8,   N o.   1,  O c t ob er  20 17 ,  pp 36   42   D O I :  10. 115 91 / i j eec s . v 8 .i 1 . pp 36 - 42           36       R ec ei v ed   J une  6 ,  2 01 7 ;  R e v i s ed  A ugus t   16 ,   201 7 ;  A c c ept e S ept e mb er   1 ,  201 7   M ul ti s e t C ontr ol l e d G r a m ma r s A   N or ma l  F or a nd  Clo su r e  P r o p er t ies       S al b i ah  A sh a ar i 1 ,  Sh e rz o d  T u r a e v * 2 , M . Iz z u d d in   M .  T a m r in 3 ,   A b d u r a h i m  O k h u n o v 4 T am ar a Z h u kab a yev a 5   1 ,2 ,3 K ul l i y y ah of   I nf or m at i on  an d C om m un i c at i on  T ec hno l ogy ,  I nt er n at i o nal   I s l am i c  U n i v e r s i t y   M al ay s i 53100  K ual a Lu m p ur ,  M al ay s i a   4 K ul l i y y ah o f  E ng i ne er i ng ,  I nt e r nat i o nal   I s l am i c  U n i v er s i t y  M al ay s i a 531 00  K u al a Lu m pur ,  M al ay s i   5 F ac u l t y  of  I nf or m at i on T ec h no l ogy ,  L. N .  G u m i l y ov  E ur a s i an  N at i ona l  U ni v er s i t y ,   0 1000 8 A s t an a,   K az ak hs t an   * C o rre s po ndi ng a ut hor ,  e - m ai l :  s al bi ah . as h@ gm ai l . c o m 1 s her z od@ i i um . edu . m y 2 ,  i z z udd i n@ i i um . edu . m y 3 abdur a hi m ok hun@ i i u m . ed u. m y 4 ,  t am ar a_k ok e nov na@ m ai l . r u 5       A b st r act     M ul t i s et s  ar e  v er y  pow er f ul  a nd  y et   s i m pl c ont r ol   m ec h ani s m s   i n r e gul at ed  r ew r i t i ng  s y s t em s .  I t hi s  p aper ,  w e r e v i ew  ba c k  t he m ai n r es u l t s  o n t he ge ner at i v e pow er  of  m ul t i s et   c ont r ol l e d gr am m ar s   i nt r od uc e i r ec e nt   r es e ar c h.   I t   w a s   pr ov en   t hat   m ul t i s e t   c o nt r ol l ed  gr am m ar s   ar at   l ea s t   as   pow er f ul   a s   addi t i v v a l en c e gr am m ar s  a nd at  m os t   as   pow er f u l  a s   m at r i x  gr am m ar s .   I n t h i s  p a per ,  w e m ai n l y   i nv e s t i gat e t he c l o s ur e pr oper t i es  o f  m ul t i s et  c ont r o l l e d gr a m m ar s .  W s how  t h at  t h e f a m i l y  of  l angu age s   gener a t ed  b y   m ul t i s et   c on t r ol l ed  gr am m ar s   i s   c l os ed  un der   oper at i on s   un i on,   c on c at enat i on,   k l een e - s ta r ,   hom om or phi s m  and m i r r o r  i m a ge .         Ke y w o rd s m ul t i s et ,  r egu l at ed gr am m ar ,  m ul t i s et   c ont r ol l e d gr am m ar ,  gen er at i v c apac i t y ,  c l os ur e   pr oper t y         C o p y r i g h t   ©   2 01 7   I n s t i t u t e  o f  A d v a n c e d  E n g i n e e r i n g  a n d   S c i e n c e .  A l l  r i g h t s r es er ved .       1 .  I n tr o d u c ti o n   A   r egu l a t ed  gr am m ar   i s   depi c t ed  as   gr am m ar   w i t an  ad di t i o nal   ( c on t r ol )   m ec han i s m   t hat   ab l e  t o  r es t r i c t  t he  us of  t he  pr oduc t i o ns  ( a. k . a.   r ul es )  d ur i n der i v at i o n pr oc es s  i n  or der  t o   av o i c er t a i d er i v at i ons   a s   w el l   as   t o bt a i s ubs e t   of   t he  l ang uag ge ner a t e i us ua l   w a y .   T he  pr i m ar y   m ot i v at i on  f or   i nt r od uc i n r egu l at ed  gr am m ar s   c a m f r o m   t he  f ac t   t hat   p l en t y   of   l an gua ges  of  i nt er es t  ar e s een t o be  no n - c ont ex t  f r ee  s uc h as  t he  l an gu ages   w i t h  r edup l i c at i o n,   m ul t i pl e agr eem ent  or  c r o s s ed agr eem ent  pr oper t i e s .   T her ef or e,  t he  m ai n ai m  o f  r egul at e d   gr am m a r s  i s  t o ac h i e v a  hi gher  c om put at i on al   po w er  an y et   at  t he s am e t i m e does  n ot   i nc r eas e t he c om pl ex i t y  of  t he m odel  [ 1 ,   2] .   I t  i s  bel i ev ed  t hat   t he  f i r s t   r egul at ed  gr am m ar ,   w hi c i s   m at r i x  gr a m m a r ,  w as   in t r od uc ed  b y   A br a ham   i 196 w i t t h i dea  s u c i der i v at i o s t ep,   s eque nc of   pr oduc t i ons  ar app l i ed t o get h er   [ 3] .   S i nc e t h en,  a   pl e nt y   of  r egul at ed  gr am m ar s  hav e be en  i nt r od uc ed  an i n v es t i gat ed  i n  s e v er al  p a per s  s uc h  as   [1 - 13] ,   w her e e ac has  a  d i f f er ent  c ont r o l   m e c hani s m ,  and pr o v i des   us ef ul  s t r uc t ur es   t han dl e   a v ar i et y   of  i s s ues  i n f or m al  l angu ages ,   pr ogr am m i ng l an gua ges ,  D N A  c om put i ng ,  s ec ur i t y ,   bi o i nf or m at i c s  and m an y   ot her  ar eas .     I n t hi s   p aper ,   w c ont i nue  our  r es ear c on m ul t i s et   c ont r ol l e d gr am m ar s   ( s ee [ 4] ) ;  w e   i n v es t i gat e  t he  c l os ur pr o per t i es   of  t he f am i l y  of  l an guag es  ge ner at ed b y  m ul t i s et  c ont r ol l e d   gr am m a r s .   T he  s t ud y   of   c l os ur pr op er t i es   i s   on of   c r uc i al   i n v es t i gat i o i f or m al   l an gua g e   t heor y  s i nc e  i t  pr o v i des  a   m eani ngf ul  m er i t  i n  bot h t h eor y   and  pr ac t i c e of  gr am m ar s .  T hi s  paper   i s   s t r uc t ur ed  as   f ol l o w s .   F i r s t ,   w g i v s om bas i c   not at i o ns   an k now l ed ge  c o n c er ni ng  t t he   t heor y  of  f or m al  l an gua ges   i w hi c i nc l ude  gr am m ar s  w i t h r e gu l at e d r e w r i t i ng a n d s et - t he or et i c   oper at i o ns   on  l a ngu ages   t h at   w i l l   be  us ed  t hr o ugh out   t he  s t ud y .   T hen,   w r ec a l l   t he  def i n i t i ons   of   m ul t i s et  c ont r ol l e d gr am m ar s  def i ned i n [ 4 ]  t og et h er  w i t h   r es u l t s  on t h ei r  ge ner at i v po w er .   T hen,   w dem ons t r at e t h at  f or  m ul t i s et  c ont r ol l ed   gr am m a r s  one c an  c ons t r uc t  eq ui v a l ent   nor m al  f or m s ,  w h i c w i l l  b e  us ed  i n s t u d y   of  t he  c l os ur e pr op er t i es .  I n t he  l as t  s ec t i on ,   w e  put  i n   a nut s he l l  al l  m at er i al s  s t udi e d   pr ev i ous l y   w i t h s om pos s i bl e f ut ur e r es ear c h t opi c s  on t hos e   gr am m a r s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E EC S     IS S N 2 502 - 4 752     Mul t i s et  C ont r o l l ed G r a mm ar s :   N or ma l  F or and  C l os ur e P r o per t i es   ( S al bi a h A s ha a r i )   37   2.   P r el i m i n ar i es   I n t hi s  s ec t i on,   w e pr es ent  s om e bas i c  not at i on s ,  t er m i nol og i es  an d c onc ept s   c onc er ni n g t o t h e f or m al  l angua ges  t he or i es ,  m ul t i s et   and r eg ul a t ed r e w r i t i ng gr a m m ar s  t h a t  w i ll  be us e i n t he  f ol l o w i n g s e c t i ons .  F or  det ai l s ,  t h e r e ad er  i s  r ef er r ed t o [ 1 ,   2,   14 - 1 6] .   T hr ough out   t he  pap er ,   w us e t he  f ol l o w i ng  b as i c  n ot at i o ns .   S y m b ol s     an   r epr es e nt  t he   s et  m e m ber s hi and n egat i o n of  s et   m e m ber s hi p of  an el em ent  t o a s et .   S ym b o l     s i gni f i es  t he s et   i nc l us i o n an d     m ar k s   t he   s t r i c t   i nc l us i on.   T hen,   f or   a   t w o   s et s     an   if     an .   F ur t her ,   not at i o | |   i s  us ed t o por t r a y   t he c ar di nal i t y  of  a s et     i n w hi c h i s  t he n um ber  of  el e m ent s  i n t h e   s et     as   w el l   as   n ot at i on   2   i s   us ed   t de pi c t   t he   po w er   s et   of   s et   .   S y m bol     den ot es   t h e   em pt y   s et .   T he  s et s   of   i n t e ger ,   na t ur al ,   r ea l   an r at i on al   n um ber s   ar denot ed  b y   , ,   and  r es pec t i v el y .       A al p hab et   i s   a f i n i t e  an d   non em pt y  s et  of   s y m bo l s   or   l e t t er s ,   w h i c i s  den ot e b y   Σ   and   a   s t r i ng   ( s om et i m es   r e f er r ed  as   w or d)   o v er   t he   a l phab et   Σ   i s   a   f i ni t s e que nc of   s y m bo l s   ( c onc at enat i o of  s y m bol s )  f r o m   Σ .  T he s t r i ng  w i t hou t  s y m bol s  i s  c al l ed  n ul l   or  em pt y   s t r i ng  an d   deno t ed  b y   .  T he s et  of  al l  s t r i ng s  ( i nc l ud i ng   )  o v er   t h e a l ph ab et ,   Σ   i s  de not ed  b y   Σ   a nd  Σ + = Σ { } .  A  s t r i ng    i s  a s ubs t r i n g of  a s t r i ng    i f  and onl y  i f  t he r e ex i s t   1 , 2   s uc h t ha t   = 1 2   w her e     1 , 2 , , Σ .   S t r in g     i s  a pr ope r  s ubs t r i ng   of     if     and   .  T he   l en gt h of  s t r i ng  ,  deno t ed b y   | | ,   i s  t he num ber  of  s y m bol s  i n t he s t r i n g.  O b v i ous l y ,   | | = 0   and   | | = | | + | | , , Σ   .  A  l a ng uag   i s  a s ubs et   of   Σ .  A  l a ngu age    is     - f r ee i f   F or  a  s et   ,   m ul t i s et   i s   m appi n :   .   T he  s et   of   al l   m ul t i s et s   ov er     i s   deno t ed  b y   .   T hen,   t he s e t     i s   a c a l l ed  t he  b as i c  s et   of   .  F or  a  m ul t i s et     an d e l em ent   ( )   r epr es ent s  t h e n um ber  of  oc c ur r enc es  of     in   .   A  C hom s k y  gr am m ar   i s  a  qua dr up l = ( , , , )   w her   i s  an al p ha bet  of   nont er m i nal s ,     i s   an  al p ha b et   of   t er m i nal s   and  =   i s   t he   s t ar t   s y m bol   and    is   a   f i ni t e s et  of  pr oduc t i ons  s uc h t hat   ( ) ( ) × ( ) .   W e  s i m pl y  us not at i o   f or  a pr od uc t i o ( , ) .  A   di r ec t  der i v at i o n r e l at i on  o v er   ( ) ,  d enot ed  b y   ,  is   def i ned as     pr ov i ded  i f  an d on l y   i f  t her e i s   a r ul   s uc h t hat   = 1 2   and  = 1 2   f or  s o m 1 , 2 ( ) .  Si nc   i s  a r el at i on,  t he n i t s   th 0 ,  pow er  i s  de not e d   b ,  i t s  t r a ns i t i v e c l os ur b y     + ,  a nd  i t s  r ef l ex i v and  t r ans i t i v e  c l os ur e  b y   . A  s tr i n g   ( )   i s   s e nt en t i a l   f or m   i f   If   ,   t hen     i s   c al l e s en t enc e   or   a   t er m i na l   s t r i ng an   i s  s ai d t o b e a s uc c es s f ul  der i v at i o n.   W e al s o us e t he n ot at i o ns     or   0 1 .   t deno t t h d er i v at i on  t hat   us es   t he  s eq ue nc of   r ul es   = 0 1 , , 1 .   T he  l an gua ge   ge ner at ed   b y   ,   de not ed   b y   ( ) ,   i s   d ef i ned   as   ( ) = {   |   } T w o   gr am m a r s   1   an 2   ar e c al l e t o be  eq ui v a l e nt  i f  a nd o nl y  i f  t he y  g ener a t e t he s am e l angu age ,   i .e .,   ( 1 ) = ( 2 ) .  T her e ar e  f i v e m ai n t y pes  of  gr am m ar s  de pend i n g on  t h ei r   pr od uc t i o ns  f or m s     a)   a r egu l ar   i f     and  ,   b)   a l i ne ar  i f     an ,   c)   a c ont ex t - f r ee i f   ( )   and    d)   a c ont ex t - s ens i t i v e i f   ( )   +   ( )   and   ( ) +   w her | | | |   and    e)   r ec ur s i v el y  en um er abl e   or  unr es t r i c t e d i f   ( ) +   a nd  ( )   w her e     c ont ai ns  at   l eas t   one  no nt e r m i nal  s y m b ol .     T he f a m i l i es  of  l ang uag es   gener at ed  b y   ar bi t r ar y ,  c o nt ex t  s ens i t i v e,  c o nt ex t  f r ee,  r egu l ar ,   l i n ear   an f i n i t gr am m ar s   ar den ot ed  b y    , , ,  ,  ,   and    ,   r es pec t i v el y .   F or   t hes l an gua ge f am i l i es ,  C h om s k y   h i er ar c h y  ho l ds :         .     B ef or e m ov i ng t t he o per at i o ns  on l ang uag es ,   w r ec al l  s om e def i ni t i o n of   r egul at ed   gr am m a r s   m ent i oned  i n t h i s  s t ud y .   A  m at r i x  gr am m ar   i s  a qua dr up l = ( , , , )   w her ,   and    ar e d ef i ned  as  f or  c ont ex t - f r ee gr am m ar  and    i s  a s et   of   m at r i c es ,  t hat  ar e f i ni t e   s equenc es   of  c ont ex t - f r ee r ul es  f r om   × ( ) . It s  l ang uag i s  def i ned  b y   ( ) = { |     a nd   } .   A n ad di t i v e v al enc e gr am m ar  i s  a 5 - t up l es   = ( , , , , )   w her , , ,   ar e def i ned   as  f or  a c ont ex t - f r ee gr am m ar  and    i s  a m appi n g f r om     i nt o s et     ( s et   ) .  T he l ang u age   gener at ed  b y  t h e gr am m ar  c ons i s t s  of  al l  s t r i ng     s uc h t hat  t her i s  a  der i v at i on   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                            I SSN :   25 02 - 4 752                    I J E EC S   V o l.  8 N o.  1,  O c t o ber  20 17  :   36     42   38     1 2       w her ( ) = 0 = 1   .   T h e f am i l i es  of   l a ngua ges   gen er at e b y  m a t r i x  an add i t i v v a l enc gr am m ar s   ( w i t er as i ng  r u es )   a r de not e b y   ,  ,   ( ,  ) ,   r es pec t i v e l y .   N o w ,   w e r ec a l l  s om e s et - t heor et i c   o per at i ons   t hat   w i l l   b us ed  t i n v es t i gat t h c l os ur e   pr oper t i es  of  a gr am m ar .  L et   1   and  2   be t w o l a ngu ag es .  T hen,  t he un i on   ( ) ,  in t e r se ct i o n   ( ) di f f er enc e   ( )   and c o nc at e nat i on  ( )   of   1   and  2   ar e def i ned  as :     1 2 = { 1     2 }   1 2 = { 1     2 }   1 2 = { 1     2 }   1 2 = { 1 2   1 1     2 2 }     T he c o m pl em ent  of   Σ   w i t r es pec t  t Σ   i s   d ef i ned  as    = Σ .   F or   a l ang uag , th e   i t er at i ons  of     i s  def i n ed as :       0 = { } ,       1 = ,         2 =  ,          = 0   ( it e r a ti on   c lo s u r e :   K lee n e  s t ar ) .   + = 1   ( pos i t i v e  i t er at i on c l os ur e :   K l e en e p l us ) .     G i v e t w a l ph ab et s   Σ 1 , Σ 2 ,   m appi ng   :   Σ 1 Σ 2   i s   c al l ed  m or phi s m   or   s y non y m ous l y   a hom om or p hi s m  i f  and onl y   i f :   ( i)   f or  ev er y   Σ 1 ,   t her e   e xi st Σ 2   s uc h t hat   = ( )   an   i s d i st i n ct ,   ( ii)   f or  ev er y   , Σ 1 ( ) = ( ) ( )   .   A   m or phi s m   i s   - f r ee  i f   f or   e v er y   Σ 1 , ( ) .   T hen,   m or phi s m   i s   k now as   a i s om or phi s m  w he n f or  ev er y   , Σ 1 ,  if   ( ) = ( )   t hen  = .   F or   w or = 1 2 ,       Σ , 1 ,   t he   m i r r or   i m age  of     ( a. k . a.   r ev er s al )   i s   obt a i n i ng   b y   w r i t i n t h w o r   i n   t h r e v er s or d er   s u c   1 2   and  i t   i s   den ot e b y   T her ef or e,  f or  a l angu ag Σ ,  w e def i n ed  i t s  m i r r or  i m age as   = { :   } .       3 .  M u l ti s e t C o n tr o l l e d  G r a m m a r s D e fi n i ti o n s  a n d  G e n e r a ti v e   P o w e r   I nf or m al l y ,  a  m ul t i s et  c ont r ol l e gr am m ar  i s  a c o nt ex t - f r ee gr am m ar   = ( , , , )   equ i pp ed   w i t an   ar i t hm e t i c   ex pr es s i on  o v er   m ul t i s et s   on   t er m i nal s .   F or   ea c pr od uc t i o n   :   , th e  m u l ti s e [ ]   ,  c al l ed “ c ount er ,  i s  def i n ed r e pr es ent i ng t he t er m i nal   oc c ur r enc es  i .  F or  ex am pl e,   i f   = { , }   and  :      i s  a pr oduc t i o n,  t hen  [ ] = ( 2 , 1 ) .  A  d er i v at i on  i t he  gr am m ar  i s  s uc c es s f ul  i f  onl y   i f  t he  v a l ue  of  t he ex pr es s i on  of  m ul t i s et s   r es ul t ed  f r o m  t he der i v at i on  i a t r ue  r el a t i o w i t a c er t ai n  t hr es h ol d     [ 4] .  T he f or m al  d ef i ni t i o of   m ul t i s et  c ont r ol l ed  gr am m ar s  i s  por t r a y e d i n t h e f ol l o w in g  d e f in it io n .   D e fi n i ti o n   1   [ 4]   A   m ul t i s et   c ont r ol l ed  gr am m ar   i s   6 - t upl es   = ( , , , , , )   w h er ,   and    ar def i n ed  as   f or   c ont ex t - f r ee  gr am m a r ,     i s   f i ni t s ubs et   of     × ( ) ×   and   :   i s   a   l i ne ar   or   non l i ne a r   f unc t i on .   A  t r i pl ( , , )   i s  w r i t t en as   [ ] .   If   ( 1 , 2 , , ) , , 1   i s  a l i n ear ,  t h en i t  i s  i n t he f or m  o f   ( 1 , 2 , , ) = ( ) + = 1 0   w h er , 0 .   T hen,  as  a no n l i n ear  f unc t i on  ,  w e c an  c ons i de r   l og ar i t hm s ,   pol y n om i al s ,   r at i on al ,   ex p one nt i al ,   p o w er   and  s on.   T hus ,   t he  l an gu age  ge ner at ed   b y  m ul t i s et  c o nt r ol l e d gr a m m ar  i s  def i ned b y   ( , , ) = {   [ ] ( ) , ( )   }   w h er t he r e l at i o   { = , < , > , , } ,   i s   a   c ut   poi n t   s et   a nd  ( ) = { [ ] ×   [ ]   w her e   = 1 2 } .     D e fi n i ti o n  2   A   m ul t i s et  c ont r ol l e d gr am m ar   = ( , , , , , )   is  c a lle d   a)   r egul ar  i f  e ac pr oduc t i o n  i n  t h gr am m ar  has  t h e  f or m  s uc [ ]   or   [ ]     w her     and   , .   b)   l i n ear  i f  eac h pr o duc t i on i n t he gr am m ar  has  t he f or m  s uc 1 2 [ ]   or   [ ]   w her , 1 , 2 and  , .   c)   c ont ex t - f r ee  i f   eac h pr odu c t i on i n t he gr am m ar   has  t he f or m  s uc [ ]   w h er ( )   and  .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E EC S     IS S N 2 502 - 4 752     Mul t i s et  C ont r o l l ed G r a mm ar s :   N or ma l  F or and  C l os ur e P r o per t i es   ( S al bi a h A s ha a r i )   39   T he  f a m i l i es   of   l ang uag es   gener at ed  b y   m ul t i s e t   c ont r ol l e r eg ul ar ,   l i near   and  c ont ex t - f r ee gr a m m ar s  w i t h  and  w i t ho ut  er as i ng r u l es  ar deno t ed b y    ,  ,   (  ,  , )   r es pec t i v el y .   W al s us br ac k et   not at i on  [ ] ,   {  ,  , }   t o s h o w   t hat  a  s t at em ent  h ol ds   bot h c as es   of  w i t h  a nd   w i t hou t  er as i ng  r ul es . T he   f ol l o w i ng  t he or em  s how s  t h e c om put at i on al   po w er s  po s s es s ed b y  m ul t i s et  c o nt r ol l ed gr am m ar s .   C om bi ni ng  t he  r es ul t s   abo v e,   w e f or m  t he f ol l o w i ng  r el at i o ns  as  i n F i gur e 1 .   T h eo r em  1 [ 4]         .              .     .      .     [ ] [ ] .         F i gur 1.  T he h i er ar c h y   of  f am i l i es  of  l an gua ge  gen er a t ed b y  m ul t i s et  c o nt r o l l e d gr am m a r .       4 A  M u l ti s e t C h o m s k y  N o r m a l  F o r m   A  nor m al  f or m  i s  i nt r oduc e w i t h t h e i nt en t  t t r ans f or m  a gr a m m a r  i nt o a s t and a r d f o r m   b y   i m pos i ng  i t   w i t r es t r i c t i ons .   I f or m al   l an gu age  t h eor y ,   v a r i et y   of   nor m al   f or m s   w er f i r s t   i n v es t i gat e and  de v e l o ped  t o s o l v e t he r udi m ent ar y   p r obl em s  i nv ol v i ng c o nt ex t - f r ee  l an gua ges   s uc f or   m a k i ng  i t   eas y   t ana l y z a nd  t c ons t r uc t   pr oof s   r egar di ng  par t i c ul ar   pr oper t i es   of   t he  gr am m a r s ,  i . e. ,  f or  t es t i ng  e m p t i nes s  and d ec i d i ng  m e m ber s hi m at t er s  w i t h m or e eas i l y .  O n e of   t he m os t  us ef ul ,  w e l l - c ons t r uc t ed an d po pu l ar  nor m al  f or m s  t o deal   w i t h c on t ex t - f r ee gr am m ar  i s   C hom s k y  n or m al  f or m  ( C N F )  due t o i t s  s i m pl e s t r uc t ur e ( bi n ar y  t r ee) .  T he us of  C N F  al l o w s   eas i l y  t o d et er m i ne  w het h er  a s t r i ng i s  gen er at e d b y   t he c ont ex t - f r ee gr am m a r  or  not  us i ng   pol y n om i al  t i m e al g or i t hm s  ( f or  i ns t anc e,  C Y K   al gor i t h m ) .   A   c ont ex t - f r ee  gr am m ar   i s   s ai t be  i C N F   i f   and  on l y   i f   al l   i t s   pr oduc t i ons   ar i f o r m   of      and    w h er , ,   ar e v ar i a bl e s  and    i s  ex ac t l y  a t er m i nal .  H er e,   w e  pr o v e t hat   our  m ul t i s et  c ont r ol l ed c o nt ex t - f r ee gr am m ar s  c an al s o be t r a ns f or m ed i n t eq ui v al e nt  C N F s .   T h eo r em   F or   an y   m ul t i s et   c ont r o l l ed  c on t ex t - f r ee  gr am m ar   ,   t her ex i s t s   an  equ i v al e nt   m ul t i s et   c o nt r ol l ed  c o nt ex t - f r ee  gr am m ar     i m ul t i s et   C hom s k y   n or m al   f o r m   ( m CNF ) .   P r oof :   Let     be  m ul t i s et   c ont r ol l e c ont ex t - f r ee  gr am m ar .   T hen,   an y   s uc gr am m ar   c an be  c on v er t e d i nt an  equ i v al ent   gr am m ar     w h er e a l l   i t s  pr o duc t i ons  ar e  i n f or m  of      or / and    w it h   > 0 ,  w her   i s  t he  z er o v ec t or ,   , ,   ar e v ar i a bl es  an   is  a   t er m i nal .  I t   i s  do ne  i n t hr ee  phas es .     P has e   1 .   W e c ons t r uc t   gr am m a r   1   t hat   i s  e qu i v al e n t  t gr am m ar     an d oes  n ot   hav e an y  pr o duc t i on i n t he  f or m  of     w her , .  S up pos e   t hat   w e h av e pr od uc t i o ns     in     t hat   l e ad t o a s er i es  of  f or m  o f  der i v at i o n s uc h     1 1 2 2 3 + 1 + 2   w it h   .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                            I SSN :   25 02 - 4 752                    I J E EC S   V o l.  8 N o.  1,  O c t o ber  20 17  :   36     42   40   A c c or di n gl y ,   w e s u bs t i t ut al l  s uc h “ s eq uenc e”   pr odu c t i ons   1 1 , 1 2 2 , , + 1   in     b y   a s i ng l e  pr od uc t i o ,  w her e   = 1 + 2 + + + 1 .  T hus ,  t he  g r amma r   1   is   equ i v al e nt  t o t h e gr am m ar   .   P has e 2 .   W e c ons t r uc t  a  gr am m a r   2   t hat  i s  eq ui v a l en t  t o gr am m ar   1   w i t h c on di t i o n   s uc h al l  pr o duc t i ons  i 2   ar not   i n t he f or m  o f       1 2   , > 0 , > 2     w her s   ar t er m i nal s .   F or   ev er y   r ul of   t he  f or m   abo v e,   w i nt r o duc ne w   r ul 1 2     w h er al l   w h er   t er m i nal s   ar r epl ac ed  w i t n e w   v ar i ab l es   s ,   and  r ul es   of   t he   f o rm     f or  eac   w h er   i s  t he  v ec t or  c ont ai ni n g a s i g nl one  w hi c i s  at  p os i t i o .   T her ef or e,   w get   2   w i t al l   i t s   pr oduc t i o ns   ar onl y   i t he  f or m s   ,   or / and  1 , 2 ,   1 , 2 , , .  H er e,  i t   i s  o bv i ous  t h at  gr am m ar   2   i s  e qu i v al e nt  t gr am m a r   1 .   P has e  3 .   W e c ons t r uc t  a  gr am m a r     t hat   i s  eq ui v a l e n t  t gr am m ar   2   w her e al l  i t s   pr oduc t i ons   ar o nl y   i t he  f or m   o f     or      wi t h   > 0 , ,   and  .   C o ns i de r   a pr oduc t i on  i fo r m  o 0 1   w it h   > 2   in   2 .  T hen,  w e s ubs t i t ut e t hi s  pr od uc t i o w i t h t h e   pr oduc t i ons     0 1   1   1 0 2   2           2 0 1       w her   ar e ne w  no nt er m i na l s .  T hus ,  t he o bt a i ne d gr am m ar     i s  equ i v al e nt  t o gr am m ar   w hi c i s  m ul t i s et  C h om s k y   nor m al  f or m .   E xam p l 1   L et   1 = ( { , , } , { , , } , , , , )   be  m ul t i s et   c ont ex t - f r ee  gr a m m ar   w her   c ons i s t s  of  t he f ol l o w i ng  pr od uc t i o ns :     0 [ ( 0 , 0 , 0 ) ] ,   1 [ ( 1 , 1 , 0 ) ] ,   2 [ ( 0 , 0 , 1 ) ] ,   3 [ ( 1 , 1 , 0 ) ] ,   4 [ ( 0 , 0 , 1 ) ] ,   and  ( , , ) = ( ) + ( ) + ( 1 ) ( ) + ( 1 ) ( ) .     T hen,  t o c on v er t   t he  gr am m ar   1   i nt C hom s k y  n or m al  f or m ,  w e pr oc ee d as  b el o w :   F i rs t ,  re p l ac [ ( 1 , 1 , 0 ) ]   w it h   [ ( 0 , 0 , 0 ) ] , [ ( 1 , 0 , 0 ) ] , [ ( 0 , 1 , 0 ) ] .  T hen,   [ ( 0 , 0 , 1 ) ]   b [ ( 0 , 0 , 0 ) ] , [ ( 0 , 0 , 1 ) ] N e x t,  [ ( 1 , 1 , 0 ) ]   b [ ( 0 , 1 , 0 ) ] Las t ,  r ep l ac [ ( 0 , 0 , 0 ) ]   b [ ( 0 , 0 , 0 ) ]   and  [ ( 0 , 0 , 0 ) ] .   H enc e,   w e c an ha v e a m ul t i s et  c ont r ol l e d c ont ex t  f r ee gr am m ar  i n C hom s k y   no r m a f or m  w i t pr oduc t i ons  s uc h:       0 [ ( 0 , 0 , 0 ) ] ,   1 [ ( 0 , 0 , 0 ) ] ,   2 [ ( 0 , 0 , 0 ) ] ,   3 [ ( 0 , 0 , 0 ) ] ,   4 [ ( 0 , 0 , 0 ) ] ,   5 [ ( 0 , 0 , 1 ) ] ,   6 [ ( 1 , 0 , 0 ) ] ,   7 [ ( 0 , 1 , 0 ) ] ,   8 [ ( 0 , 0 , 1 ) ] ,   and  ( , , ) = ( ) + ( ) + ( 1 ) ( ) + ( 1 ) ( ) .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E EC S     IS S N 2 502 - 4 752     Mul t i s et  C ont r o l l ed G r a mm ar s :   N or ma l  F or and  C l os ur e P r o per t i es   ( S al bi a h A s ha a r i )   41   5 C l o s u re  Pr o p e r ti e s   C l os ur pr op er t i es   ar e of t e n ha nd y  i n pr o v i ng  t he or et i c al   pr oper t i es  of  gr am m ar s  and   l an gua ges  as   w e l l  as  i n c ons t r uc t i n g n e w  a nd c om pl ex   l an gua ges  f r o m  ex i s t i ng l ang uag es .   T her ef or e,   her b y   us i n t he  s t a ndar d   pr o of ,   w i n v e s t i gat t h c l os ur pr o p er t i es   t hat   c an   be   o w ne d b y  m ul t i s et  c o nt r ol l e d gr am m ar s .     T he  f a m i l i es   of   l ang uag es   gener at ed  b y   m ul t i s e t   c ont r ol l e r eg ul ar ,   l i near   and  c ont ex t - f r ee gr am m ar s  w i t l i near  c ount er   ( )   f unc t i o ns  ar e d enot ed b y    ,  , .     L em m ( u ni o n)   T h e   f a m ilie s       an   ar e   c l os e u nder   un i on   oper at i o n.   P r oof :   Let   1   and  2   be   t w o   l a n guag es   i   w it h   {  , ,  }   gener a t ed   b y   m ul t i s et   c ont r o l l ed   gr a m m ar s   1 = ( 1 , , 1 , 1 , 1 , 1 )   an 2 = ( 2 , , 2 , 2 , 2 , 2 ) r es pec t i v el y ,  w h er 1   an 2   ar l i n ear   f unc t i ons .   W i t hout   l os s  of  g ener a l i t y ,   w e   a s s u m t hat   1 2 = ,   an s et   = 1 2 { }   w her e     i s   a   ne w   no nt er m i nal   s y m bol .   T hen ,   w e   def i n e   t he gr am m ar s   = ( , , , , , )   w h er = 1 2 { 1 , 2 }   an = 1 + 2 .  T hus ,  i t   i s  not   di f f i c ul t  t o  not i c e t hat     ( , , ) = ( 1 , , ) ( 2 , , ) .     L em m a 2  ( K l ee ne - s t ar )   T he f am i l y   of      and    ar e c l o s ed und er  K l ee ne - s t ar   oper at i o n.   P r oof   (  ) F or  a  g i v en m ul t i s et  c ont r ol l e d r eg ul ar   l ang uag e   , l e = ( , , , , , )   be  m ul t i s e t   c ont r o l l ed  r e gul ar   gr am m ar   w i t h   = ( ) .   T hen,   i t   i s   n ot   d i f f i c ul t   t not i c t h at   t he l an gua ge    i s  ge ner at ed  b y  m ul t i s et  c o nt r o l l e d r eg ul ar  gr am m ar       = { { } , , { , } { :   , } , , , }     w her   i s  a n e w   nont er m i nal  s y m bo l .   P r oof   ( ) Le t  a  l a ngu age     i s  gen er at e d b y   m ul t i s et  c ont r ol l e d c on t ex t - f r ee gr a m m ar   = ( , , , , , ) .   T hen,   i t   i s   eas y   t s ee  t h a t   t he  l a ngu age    i s   gener at e b y      g r am m ar   s uc =   { { } , , { |   } , , , }   w her   i s  a  ne w  no nt er m i nal  s y m bol .   L em m a 3  ( h om o m or phi s m )   T h e  f a m ilie s       an   ar e c l os e und er   hom o m or phi s m .   P r oof :   Let   ,   {  ,  , }   be a  l a n gu age  g ener a t ed  b y   m ul t i s et   c ont r ol l ed   gr am m ar   = ( , , , , , )   an l e t   : 1   be   a   hom o m or phi s m .   T h en,   t her e   i s   a m ul t i s et  c ont r o l l ed  gr am m ar   = ( , 1 , 1 , 1 , , )   s uc h t hat   ( ) = ( )   1.   re g u l a r :   f or   ev er y   pr od uc t i on   i t h f or m   of   :   [ ]   in   ,   w c ons t r uc t   t he   pr oduc t i on  ( ) :   ( ) [ ]   in   1   w her e   { }   and  , 1 ;   2.   l i n ear :   f or  e v er y   pr o duc t i on  i n  t h e f or m  of   :   1 2 [ ]   in   ,   w e c ons t r uc t   t he   pr oduc t i on  ( ) :   ( 1 ) ( 2 ) [ ] ,   w her 1 , 2 { }   and  , 1 ;   3.   co n t ext - f r ee:   f or   ev er y   p r oduc t i o i t he  f or m   of   :   1 1 2 2   + 1 [ ] 0 ,   w e c o ns t r uc t  t he   pr od uc t i on   ( ) :   ( 1 ) 1 ( 2 ) 2   ( ) ( + 1 ) [ ] 0   w her , , 1 + 1 { } , 1   and  , 1 .   W e  def i ne    i n t h e a bo v pr oduc t i ons  as   = 0   if   | ( ) | = 0 =   if   | ( ) | = 1 ,  an d   = / | ( ) |   if   | ( ) | > 1 .  T hen    has  t h e s am e c oof i c i ent  f or  eac h s y m bol   = ( ) 1   as   .  I n ev er y  s uc c es s f ul  der i v at i o n i   gener at i n g t he s t r i ng  ,  w e r ep l ac   wi t h   ( ) 1   i n t he c or r es po nd i n der i v at i o n a nd o bt a i ( ) 1 .  T hus   ( ) = ( ) .   L em m a 4   ( m i r r or   i m age)   T he   f a m ilie s       an   ar e  c l o s ed  u nder  m i r r or   i m age oper at i o n.   P r oof :  Let     be a  l an gua ge  g ener at ed  b y   a m ul t i s et  c o nt r ol l e d r eg ul ar  gr am m ar  ( l i ne ar  gr am m ar ,   c ont ex t - f r ee i n C hom s k y  n or m al   f or m  gr a m m ar )   = ( , , , , , ) , i .e . = ( ) .  T hen,  w e   def i ne  m ul t i s et   c ont r o l l ed   r egu l ar   gr am m ar   ( l i near   gr am m a r ,   c ont ex t - f r ee  i n   C h om s k y   nor m al   f or m  gr a m m ar )   = ( , , , , , )   s uc h t hat   ( ) = ( )   b y   per f or m i ng r ev er s e op er at i o n   on pr o duc t i on r u l es  of  t h e g r am m ar   .  I t  i s  c l ear  t hat :     1.    :  f or   eac pr oduc t i on r u l e of  t he f or m   [ ]   in   ,  w def i ne t he  pr oduc t i on  [ ]   w her e   { }   and  ;   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                            I SSN :   25 02 - 4 752                    I J E EC S   V o l.  8 N o.  1,  O c t o ber  20 17  :   36     42   42   2.    :  f or  eac h pr oduc t i o n r ul e  of  t he f or m   1 2 [ ]    in   ,  w e d e f i ne t he   pr oduc t i on  2 1 [ ]   w her e   1 , 2 { }   and  ;   3.   :  f or  ev er y   pr oduc t i on r u l e  of  t he f or m s    [ ]   and  [ ]    wi t h   , ,   and  ,   w def i ne  t he  pr od uc t i ons   [ ]   and   [ ] .     T hen,  i t   i s  not   di f f i c ul t  t o  s e e t ha t   ( ) = .   T h eo r em      an   ar c l os ed  u nder   un i o n,   K l een e - s t ar ,   hom om or phi s m   and   m i r r or  i m age oper at i ons .   T h eo r em  3      i s  c l os ed  und e r  uni o n,  h om o m or phi s m  and m i r r or  i m age oper a t i ons .       6 .  C o n c l u s i o n   I nu t s hel l ,   w ha v r ev i e w e bac k   t he  def i n i t i on  an c om put at i o na l   po w er s   of   m ul t i s et   c ont r ol l ed  gr am m a r s   def i ned  i [ 4]   w her i a ddi t i o w h av i nv es t i g at e t he  c l os ur e   pr oper t i es   of   m ul t i s et   c ont r ol l ed  gr am m ar s .   H ow e v er ,   t her ar s t i l l   v as t   qu es t i o n s   about   ot her   c l os ur e pr o per t i es ,  dec i da bi l i t y  pr o bl em s  and et c  t o b ans w er ed .       A c k n o w l e d g e m e n ts   T hi s   r es ear c has   be en  s u ppor t e b y   t he  gr ant s   R I G S 16 - 3 68 - 0 532   an F R G S 1 3 - 074 - 0315  of  Mi n i s t r y   of  E duc a t i on,  M al a y s i a t hr oug h I nt er n at i o na l  I s l am i c  U ni v er s i t y   M al a y s i a .       R ef er en ces   [1   D as s ow  J ,  P aun G .   R eg ul at e d R ew r i t i ng i n F or m a l  Lan gu age T heor y .  S pr i n ger  B er l i H ei del ber g:   N ew   Y or k ,  1 989 .   [2   M eduna  A ,   Z e m ek   P .   R eg ul a t ed  G r am m ar s   a nd  A u t om at a.   S pr i ng er   B er l i H ei d el ber g:   N ew   Y or k ,   2014.   [3   A br aha m  A .  S om e Q ues t i o ns   of  P hr as e S t r u c t ur e G r am m ar s .   C om put at i o nal  Li ngu i s t i c s .  19 65;  4:  61 - 70.   [4   A s haar i  S ,  T ur aev  S ,  M  T am r i n M I ,  O k hunov  A ,  Z huk aba y ev a   T .   M ul t i s et   C o nt r ol l ed G r am m ar s .   J our n al  o f  T h eor et i c a l  an d A pp l i ed  I nf or m at i on  T ec hno l og y .  2 017.   [5   A s haar i  S ,  T ur aev  S ,  O k huno v  A .   S t r uc t ur al l y  an d A r i t hm et i c al l y  C o nt r o l l ed   G r am m ar s .  I n t er nat i ona l   J our n al  o n P er c ept i v e an d C o gni t i v e C om p ut i n g .   2 016;  2( 2) :   25 - 35.   [6   Lobo  D ,  V i c o  F J ,  D a s s ow   J .  G r ap h G r a m m ar s  w i t h  S t r i ng - R e gul a t ed  R ew r i t i ng.   T heor et i c a l   C om put er  S c i en c e .   2011 ;  41 2( 43) :  61 01 - 6 111.   [7   S t i ebe   R .   O n   G r am m ar s   C on t r ol l e by   P ar i k V ec t or s .   I n:   Langu age   A l i v e,   LN C S   7300 .   S pr i n ger   B er l i n H ei de l ber g:  N ew  Y o rk .   2012:  246 - 264.   [8   D as s ow  J ,  T ur aev  S .  P et r i  N et  C ont r ol l ed G r am m ar s  w i t h a B ounded N u m ber  o f  A ddi t i on al  P l ac es .   J our n al  o f  A c t a C y b er net i c a .  2 010;  1 9:  6 09 - 6 34.   [9   D as s ow  J ,  T ur aev  S .  k - P et r i   N et  C ont r ol l ed G r a m m ar s .  I n :  Langu age a nd A ut o m at a T heor y  and   A ppl i c at i on s ,  LA T A  200 8,  LN C S  5196,   S pr i n ger  B er l i n  H ei d el ber g:  N ew  Y or k .  200 8:  20 9 - 22 0.   [1 0   D as s ow   J ,   T ur aev   S .   A r b i t r ar y   P et r i   N et   C ont r o l l e G r am m ar s .   P r o c eed i ng s   o f   2 nd  I nt er nat i ona l   W o r k s hop  on N o n - C l a s s i c a l  F or m al  Lan gua ges  i Li n gui s t i c s .  T ar r agon a,  S p ai n.  2 0 08 :  27 - 40.   [1 1   S t i ebe R ,  T ur aev  S .   C apa c i t y  B ound ed G r am m ar s  an d P et r i  N et s .  In J . D a s s o w , G . P i g h i z z i n i , B .   T r ut he ( E ds . ) ,  11t h I nt er n at i o nal   W o r k s h op on D es c r i p t i on al  C om pl ex i t y  of  F or m al  S y s t em s  ( D C F S   2009)  E P T C S  3.  2 009:   193 - 20 3.   [1 2   C as t an o J . M .  G l obal  I nde x   G r am m ar s  and D es c r i p t i v e P ow er .   J our nal  of  Lo gi c ,  L ang uage an d     I nf or m at i on .  2 004;  13( 4) :  40 3 - 419.   [1 3   K udl e k  M ,   M ar t i n C ,  P aun G .  T o w ar d a F or m al  M ac r o s et  T heor y .  I n:  C al u de,  C . S  P aun,  G ,   R oz enber g,   G . ,   S a l om aa,   A .   ( E ds . ) ,   M ul t i s e t   P r oc es s i ng ,   W M C   200 0,   LN C S   223 5,   S pr i nger   B er l i n   H ei del ber g:  N ew  Y or k .  2001:   1 23 - 133 .   [1 4   S al om aa A .   F or m al   l ang uag es .  A c ad em i c  P r e s s :  N ew  Y or k .  1973.   [1 5   S i ps er   M .   I nt r oduc t i on  t t h T heor y   of   C om put at i on.   3 rd   e dn.   C enga ge  Lear ni n g:   U ni t e S t at es   o f   A m er i c a.  2013 .   [1 6   Ma r t i n - V i de C .  F or m a l   L an guage s  f or  L i ng ui s t s :  C l as s i c al   and  N on c l a s s i c a l  M odel s .  O x f or H andbo ok  o f  C om put a t i o nal   Li ngui s t i c s .  O x f or d U ni v er s i t y  P r es s :  O x f or d.  2001.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.