2、遞歸論

遞歸論討論的是從形式上刻劃一個(gè)運(yùn)算或一個(gè)進(jìn)程的“能行”性這種直觀的觀念,也就是從原則上講,它們能機(jī)械地進(jìn)行而產(chǎn)生一個(gè)確定的結(jié)果!澳苄小钡倪@個(gè)概念含有可具體實(shí)現(xiàn)的、有效的、有實(shí)效的等等意思。法國(guó)數(shù)學(xué)家保萊爾首先在1898年他的函數(shù)論教科書中引進(jìn)了這個(gè)詞,他把數(shù)學(xué)的對(duì)象局限于能行的對(duì)象,這種主張實(shí)際上就是“法國(guó)經(jīng)驗(yàn)主義”。因?yàn)楹瘮?shù)論主要討論集合、函數(shù)、積分等等,從這種觀點(diǎn)產(chǎn)生出描述集合論、拜爾函數(shù)等概念。

遞歸論中所討論的函數(shù)是比較簡(jiǎn)單的。它討論有效可計(jì)算的函數(shù),也就是遞歸函數(shù)。遞歸函數(shù)在歷史上曾從不同角度提出來(lái),后來(lái)證明它們都是等價(jià)的。

1931年秋天,丘奇在普林斯頓開了一門邏輯課,克林和羅塞爾當(dāng)時(shí)作為學(xué)生記了筆記。丘奇在講課中引進(jìn)了他的系統(tǒng),并且在其中定義自然數(shù)。這就很自然引起一個(gè)問(wèn)題,在丘奇系統(tǒng)中如何發(fā)展一個(gè)自然數(shù)理論。于是克林開始進(jìn)行研究,結(jié)果克林和丘奇得到一類可計(jì)算的函數(shù),他們稱之為A可定義函數(shù)。

1934年春天,哥德爾在普林斯頓做了一系列講演(克林和羅塞爾記了筆記)。在講演中,哥德爾引進(jìn)了另外一套可以精確定義的可計(jì)算函數(shù)類,他稱為一般遞歸函數(shù)。據(jù)他講,他是受了厄布朗的啟發(fā)得到的。

這時(shí)自然出現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題。一般遞歸函數(shù)類是否包括所有能行可計(jì)算的函數(shù),它是否與克林與丘奇研究的 A可定義函數(shù)類重合。1934年春末,丘奇和哥德爾討論一般遞歸函數(shù)問(wèn)題,結(jié)果丘奇明確提出他的“論點(diǎn)”,所有直覺(jué)上可看成能行可計(jì)算函數(shù)都是 λ可定義函數(shù),于是丘奇花了好幾個(gè)月反復(fù)思考。當(dāng)時(shí)克林表示懷疑,他認(rèn)為這論點(diǎn)不太可能是對(duì)的,他想如果從A可定義函數(shù)類用對(duì)角化方法可以得出另外一個(gè)能行可計(jì)算函數(shù),那么它就不是A可定義的。但他又想到這事行不通。不久之后,丘奇和克林在1936年分別發(fā)表論文,證明A可定義函數(shù)類正好就是一般遞歸函數(shù)類。有了這個(gè)有力的證據(jù),丘奇于是公開發(fā)表他的“論點(diǎn)”。

也是在1936年,英國(guó)年輕數(shù)學(xué)家圖林發(fā)表了另外一篇重要文章,這標(biāo)志著所謂圖林機(jī)的產(chǎn)生。在這篇文章中,圖林也定義了一類可計(jì)算函數(shù),也就是用圖林機(jī)可以計(jì)算的函數(shù)。同時(shí),他也提出他的一個(gè)論點(diǎn):“能行可計(jì)算的函數(shù)”與“用圖林機(jī)可計(jì)算的函數(shù)”是一回事。1937年圖林證明了用圖林機(jī)可計(jì)算的函數(shù)類與可定義函數(shù)類是一致的,當(dāng)然,也就和一般遞歸函數(shù)類相重合。這樣一來(lái),丘奇的論點(diǎn)與圖林的論點(diǎn)就是一回事。當(dāng)時(shí)許多人對(duì)于丘奇的論點(diǎn)表示懷疑,由于圖林的思想表述得如此清楚,從而消除了許多人的疑慮,哥德爾就是其中一位。從這時(shí)起大家對(duì)于丘奇—圖林論點(diǎn)一般都抱支持的態(tài)度了。

與圖林同時(shí),美國(guó)數(shù)學(xué)家波斯特也發(fā)表了一篇文章,類似于圖林的可計(jì)算函數(shù),他的文章過(guò)于簡(jiǎn)短, 一直到1943年波斯特才發(fā)表了第四個(gè)表述,結(jié)果證明他的與別人的也都一樣。

遞歸的概念并不難理解,它就是由前面的結(jié)果可以遞推得到后面的結(jié)果。哥德爾等人引進(jìn)的實(shí)際上是一般遞歸函數(shù),一股遞歸函數(shù)都可以由原始遞歸函數(shù)算出來(lái)。

另一個(gè)復(fù)雜一些的概念稱為遞歸集合S,它的定義是存在一種能行的辦法來(lái)判斷任何正整數(shù)n是否屬于S。正數(shù)數(shù)集合是遞歸的當(dāng)且僅當(dāng)它與它在N中的補(bǔ)集都是遞歸可枚舉的。任何無(wú)窮遞歸可枚舉集都包含一個(gè)無(wú)窮遞歸集。但是,存在正整數(shù)的遞歸可枚舉集而不是遞歸集。

于是波斯特提出問(wèn)題:是否存在兩個(gè)遞歸可按舉但是非遞歸的集合,使得第一個(gè)集合相對(duì)于第二個(gè)是遞歸的,但第二個(gè)相對(duì)于第一個(gè)卻不是遞歸的。一直到十二年后的1956年,蘇聯(lián)人穆其尼克及美國(guó)人弗里德伯格才獨(dú)立地肯定地解決了這個(gè)問(wèn)題。

蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家馬爾科夫在1947年發(fā)表《算法論》,首先明確提出算法的概念。但是它同以前定義的遞歸函數(shù)及可計(jì)算函數(shù)的計(jì)算過(guò)程都是等價(jià)的。這幾個(gè)定義表面上很不相同,并有著十分不同的邏輯出發(fā)點(diǎn),卻全都證明是等價(jià)的。這件事看來(lái)決非巧合。它表明:所有這些定義都是同一個(gè)概念,而且這個(gè)概念是自然的、基本的、有用的。這就是“算法”概念的精確的數(shù)學(xué)定義。大家都接受了這個(gè)定義之后,判定問(wèn)題從我們平時(shí)直觀的概念也上升為精確的數(shù)學(xué)概念,判定問(wèn)題也成為一門數(shù)理邏輯的重要分支了。從這時(shí)起,判定問(wèn)題有突飛猛進(jìn)的發(fā)展。

判定問(wèn)題有了精確的數(shù)學(xué)表述之后,立即在數(shù)學(xué)基礎(chǔ)乃至整個(gè)數(shù)學(xué)中產(chǎn)生了巨大的影響。因?yàn)檫@時(shí)一些不可判定命題的出現(xiàn),標(biāo)志著人們?cè)跀?shù)學(xué)歷史上第一次認(rèn)識(shí)到:有一些問(wèn)題是不可能找到算法解的。在過(guò)去,人們一直模模糊糊地覺(jué)得,任何一個(gè)精確表述的數(shù)學(xué)問(wèn)題總可以通過(guò)有限步驟來(lái)判定它是對(duì)還是錯(cuò),是有解還是沒(méi)有解。找到不可判定問(wèn)題再一次說(shuō)明用有限過(guò)程對(duì)付無(wú)窮的局限性,它從另外一個(gè)角度反映了數(shù)學(xué)的內(nèi)在固有矛盾。

怎樣得到這些結(jié)果的呢?丘奇的論點(diǎn)發(fā)表之后,不難看出存在不可計(jì)算的函數(shù),也就是非一般遞歸的函數(shù)。因?yàn)樗锌赡懿煌乃惴ü灿锌蓴?shù)無(wú)窮多(粗淺來(lái)講,算法都是用有限多個(gè)字來(lái)描述的),可是所有數(shù)論函數(shù)的集合卻是不可數(shù)的。

不過(guò),頭一個(gè)明顯的不可判定的結(jié)果是1936年丘奇得到的。他首先得到與λ可定義性有關(guān)的不可判定結(jié)果。然后,他把這個(gè)結(jié)果應(yīng)用到形式系統(tǒng)的判定問(wèn)題上,特別他證明,形式化的一階數(shù)論N是不可判定的。也是在1936年,丘奇證明純粹的謂詞演算也是不可判定的。當(dāng)時(shí)大家的反應(yīng)是:這種不完全性的范圍到底有多廣?

甚至于象丘奇這樣的數(shù)學(xué)家,也想找到一條出路能避開哥德爾的結(jié)果。比如說(shuō),可以采用伺哥德爾所用的系統(tǒng)完全不同的其他的特殊系統(tǒng)。一旦算法的精確定義和丘奇論點(diǎn)出現(xiàn)之后,大家就認(rèn)識(shí)到躲不過(guò)哥德爾不完全性定理的影響,可計(jì)算性和不完全性這兩個(gè)概念是緊密聯(lián)系在一起的。

實(shí)際上克林在1936年就證明了(作為丘奇論點(diǎn)的應(yīng)用):甚至在能夠能行地認(rèn)出公理和證明的形式系統(tǒng)中,哥德爾的定理仍然成立。消去量詞方法對(duì)許多理論行不通。一般的判定問(wèn)題是試圖找出一個(gè)能行的步驟,通過(guò)這個(gè)步驟可以決定什么東西具有某種指定的元數(shù)學(xué)特征。

在純粹邏輯演算的元理論中,有最明顯的一類判定問(wèn)題:對(duì)于給定的演算和給定類的公式,求出一個(gè)步驟,能夠在有限多步內(nèi)判定這類的任何特殊公式是否可以形式地推導(dǎo)出來(lái)。有些情形、問(wèn)題已經(jīng)得到肯定的解決,在另外一些情形,答案是否定的,可以證明不存在這樣一個(gè)步驟。這種否定的證明,特別對(duì)于數(shù)學(xué)理論,很大程度上依賴于遞歸論。

最早明確提出的數(shù)學(xué)判定問(wèn)題是希爾伯特第十問(wèn)題。他在1900年國(guó)際數(shù)學(xué)家大會(huì)上提出了著名的二十三個(gè)問(wèn)題,其中第十個(gè)問(wèn)題是:給定一個(gè)有任意多未知數(shù)的、系數(shù)為有理整數(shù)的丟番圖方程,設(shè)計(jì)一個(gè)步驟,通過(guò)它可以經(jīng)有限步運(yùn)算判定該方程是否有有理整數(shù)解。這個(gè)到1970年才被否定解決的問(wèn)題不僅解決了一個(gè)重大問(wèn)題,而且解決問(wèn)題過(guò)程中所得到的工具和結(jié)果對(duì)數(shù)理邏輯和數(shù)學(xué)發(fā)展有著極大影響,比如表示素?cái)?shù)的多項(xiàng)式,尤其與整個(gè)數(shù)理邏輯有關(guān)的是得出了一個(gè)更確切的哥德爾不完全性定理。

現(xiàn)在我們來(lái)看希爾伯特第十問(wèn)題,為了清楚起見(jiàn),我們考慮多項(xiàng)式方程,看看一般的多項(xiàng)式丟番圖方程的次數(shù)和未定元的數(shù)目是否可以降低。

1938年斯科蘭姆證明,任何丟番圖方程的次數(shù)可約化成次數(shù)小于等于4的方程;1974年馬蒂亞謝維奇和羅濱遜證明未定元的數(shù)目可約化成小于等于3。對(duì)于齊次方程,阿德勒在1971年證明,任何齊次方程可以能行地約化為二次齊次方程組,從而等價(jià)于一個(gè)四次齊次方程。對(duì)于一次方程早就有具體方法解丟番圖方程了。對(duì)于任意多未定元的二次方程,1972年西格爾也找到一個(gè)算法。四次方程不能判定,三次方程尚不知道。

解決丟番圖方程解是否存在的判定問(wèn)題的方法是引進(jìn)丟番圖集。我們把丟番圖方程的變?cè)殖蓛捎幸唤M解。每個(gè)丟番圖集合是遞歸可枚舉集。1970年,蘇聯(lián)大學(xué)生馬蒂亞謝維奇證明了每個(gè)遞歸可枚舉集也是丟番圖集合。這樣一來(lái),由于存在不可判定的遞歸可枚舉集,所以存在一些特殊的丟番圖方程,使得對(duì)是否有解的判定問(wèn)題不可解。當(dāng)然對(duì)一般丟番圖方程的判定問(wèn)題就更不可解了。

另一個(gè)判定問(wèn)題是半群和群論中字的問(wèn)題,半解問(wèn)題是挪威數(shù)學(xué)家圖埃在1907年首先提出來(lái)的。問(wèn)題是對(duì)于一個(gè)半群,如果給定它的有限多生成元和有限多關(guān)系,那么能否找到一個(gè)方法來(lái)判定任何一個(gè)特殊的字是否等于單位元素。1947年,波斯特否定地解決了這個(gè)問(wèn)題。

群論中字的問(wèn)題更為重要,它是在1911年由德恩首先研究的,一直到1955年才由蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家諾維科夫否定解決。這些結(jié)果給數(shù)學(xué)家指明了新的方向:不要妄圖去解決一大類問(wèn)題。不過(guò)對(duì)于更窄的一類的對(duì)象比如一類特殊的群,群的字問(wèn)題是可解的。
 

 
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