泵引理

在可计算性理论中的形式语言理论中，泵引理（Pumping lemma）声称给定类的任何语言可以被“抽吸”并仍属于这个类。一个语言可以被抽吸，如果在这个语言中任何足够长的字符串可以分解成片段，其中某些可以任意重复来生成语言中更长的字符串。这些引理的证明典型的需要计数论证比如鸽笼原理。

两个最重要例子是正则语言的泵引理和上下文无关语言的泵引理。鄂登引理是另一种更强的上下文无关语言的泵引理。

这些引理可以用来确定特定语言不在给定语言类中。但是它们不能被用来确定一个语言在给定类中，因为满足引理是类成员关系的必要条件，但不是充分条件。

泵引理是1961年由 Y. Bar-Hillel、M. Perles 和 E. Shamir首次发表的Y. Bar-Hillel, M. Perles, E. Shamir, "On formal properties of simple phrase structure grammars", Zeitschrift für Phonetik, Sprachweissenshaft und Kommunikationsforschung 14 (1961) pp. 143-172. 。

 正则語言的泵引理 
定义
假设是正则语言，则存在整数，对任意字符串且（n为泵长度，可理解为正则语言等效的极小化DFA的状态个数），可以将写成的形式，使得以下说法成立：
，
，
。

正确性的证明
因为L是正则语言，所以存在一个与之等价的确定有限状态自动机，
假设n是这个确定有限状态自动机中状态的数量，
假设和
在这个自动机读入w的前n个字符后一定有一个状态达到过两次，
也就是说对于其中一种w的分解方式w=xyz有
因此对于所有的都有

應用
通过泵引理可以用反證法證明L不是正则語言。证明的时候需要注意以下几点：
假设要证明的语言为正则语言
是未知的
可以在满足和的条件下自由选择
也是未知的
找到一个，使得，也就是说和泵引理的第三条矛盾
一个证明L不是正则语言的例子
证明不是正则语言
假设是正则语言，令n為泵引理常數
选择，则
于是存在使得满足条件，，。
因为且，所以中不包含但最少有一个
当的时候，，中的数量比多，所以
与泵引理的第三条矛盾，因此不是正则语言

普遍化的泵引理Jeffery Jaffe: A necessary and sufficient pumping lemma for regular languages 
并不是所有满足泵引理的语言都是正则语言。就是这样的一个例子，它虽然满足泵引理，但并不是正则语言。Jeffrey Jaffe发展出了一个普遍化的泵引理，使它可以证明一个语言是正则语言。它的描述如下：
一个语言是正则语言，当且仅当存在一个自然数，使得任意字符串可以通过至少一种方式被写成的形式时，以下说法成立：
，
，
，。
一个可行的用于判断一个语言是否为正则语言的方法，可以参见迈希尔－尼罗德定理。一般来说证明一个语言是正则的，可以通过对该语言构造一个有限状态机或正则表达式来实现。

 上下文無關語言的泵引理 
定義
若 L 是上下文無關語言，則存在一常數 n > 0 使得語言 L 中每個字串 w 的長度 |w| ≧ n，而當 w = uvxyz 時：
|vxy| ≦ n，
|vy| ≧ 1，且
對所有的 k ≧ 0，字串 uvkxykz 屬於 L 。

應用
透過泵引理以反證法證明 L 不是上下文無關語言。

 或  或 ，換句話說，L 就是包含  所有字串且 a、b、c 三者數目相同的語言。
令 n 為泵引理常數， 屬於 L，w = uvxyz，而 |vxy| ≤ n，|vy| ≥ 1，則 vxy 不可能同時包含 a 與 c。
當 vxy 不包含 a 時，vy 只可能包含 b 或 c，則 uxz 包含 n 個 a 及不到 n 個的 b 或 c，使得 uxz 不屬於 L。
當 vxy 不包含 c 時，uxz 會包含 n 個 c 及不到 n 個的 a 或 b，使得 uxz 不屬於 L。
因此，無論是上述何種狀況，L 都不會是上下文無關語言。 

令 n 為泵引理常數，，w = uvxyz，而 |vxy| ≤ n，|vy| ≥ 1
若 vxy 只包含 a，則 uxz 會包含不到 n 個 a 及  個 b，不屬於 L；
若 vxy 只包含 b，則 uxz 會包含 n 個 a 及不到  個 b，不屬於 L；
若 vxy 裡有 a 也有 b，
若 v 或 y 包含 a 與 b， 不在  裡；
若 v 只包含 l 個 a，且 y 只包含 m 個 b， 會包含 n + lk 個 a 與  個 b，由於兩者都是線性成長，不可能永遠滿足  的條件，不屬於 L。
因此，無論是上述何種狀況，L 都不會是上下文無關語言。

令 n 為泵引理常數， 屬於 L，w = uvxyz，而 |vxy| ≤ n，则 vxy 必然为  或形式（此处有）。即 vxy无法同时包含前后两组0，也无法同时包含前后两组1。将uvxyz转变成uxz必然导致前后两组0或两组1的数目产生差异。使得uxz不再满足ww形式。亦即uxz不属于L。
因此，L 都不會是上下文無關語言。

 引用 

  Section 1.4: Nonregular Languages, pp.77–83. Section 2.3: Non-context-free Languages, pp.115–119.

B
Category:引理