Теорема о рекурсии — различия между версиями

Материал из Викиконспекты
Перейти к: навигация, поиск
(Добавил имена авторов теорем)
(Доказательство теоремы Успенского-Райса)
Строка 111: Строка 111:
 
</code>
 
</code>
 
Пусть <tex>p(\epsilon)=\perp</tex>. Тогда условие <tex>r(p)</tex> выполняется и <tex>p(\epsilon)=1</tex>. Противоречие. Если <tex>p(\epsilon) \ne \perp</tex>, то <tex>r(p)</tex> не выполняется и <tex>p(\epsilon)=\perp</tex>. Противоречие.
 
Пусть <tex>p(\epsilon)=\perp</tex>. Тогда условие <tex>r(p)</tex> выполняется и <tex>p(\epsilon)=1</tex>. Противоречие. Если <tex>p(\epsilon) \ne \perp</tex>, то <tex>r(p)</tex> не выполняется и <tex>p(\epsilon)=\perp</tex>. Противоречие.
 +
}}
 +
 +
Доказательство [[Свойства перечислимых языков. Теорема Успенского-Райса|теоремы Успенского-Райса]] с использованием теоремы о рекурсии:
 +
{{Теорема
 +
|id=th3
 +
|statement=Язык никакого нетривиального свойства не является разрешимым.
 +
|proof=
 +
Пусть <tex>F \subset RE, \varnothing \not= F \not= RE</tex>. Предположим, что язык свойства <tex>F</tex> разрешается программой <tex>d</tex>.
 +
Пусть <tex>f \in L(F), g \not\in L(F)</tex>. Напишем следующую программу:
 +
<code>
 +
Q(x,y)
 +
  if d(x)
 +
    return g(y)
 +
  else
 +
    return f(y)
 +
</code>
 +
По теореме о рекурсии, <tex>\exists p \; \forall y \; p(y) = Q(p,y)</tex>.
 +
 +
Если <tex>p \in L(F)</tex>, то <tex>Q(p,y) = g(y) \Rightarrow p(y) = g(y) \Rightarrow p \not\in L(F)</tex>.
 +
 +
Если же <tex>p \not\in L(F)</tex>, то <tex>Q(p,y) = f(y) \Rightarrow p(y) = f(y) \Rightarrow p \in L(F)</tex>.
 +
 +
В обоих случаях получаем противоречие.
 
}}
 
}}
  

Версия 21:35, 19 января 2014

Теорема о рекурсии

Теорема (Клини, о рекурсии / Kleene's recursion theorem):
Пусть [math]V(n, x)[/math] — вычислимая функция. Тогда найдётся такая вычислимая [math]p[/math], что [math]\forall y[/math] [math]p(y) = V(p, y)[/math].
Доказательство:
[math]\triangleright[/math]

Приведем конструктивное доказательство теоремы. Пусть есть вычислимая [math]V(x,y)[/math]. Будем поэтапно строить функцию [math]p(y)[/math].
Предположим, что у нас в распоряжении есть функция [math]getSrc()[/math], которая вернет код [math]p(y)[/math]. Тогда саму [math]p(y)[/math] можно переписать так: 

p(y){ 
     V(x,y) {...}

     main() {
         return V(getSrc(), y)
     }
 
     string getSrc() {...}
 }

Теперь нужно определить функцию [math]getSrc()[/math]. Предположим, что внутри [math]p(y)[/math] мы можем определить функцию [math]getOtherSrc()[/math], состоящую из одного оператора [math]return[/math], которая вернет весь предшествующий ей код. Тогда [math]p(y)[/math] перепишется так. 

 p(y){ 
     V(x,y) {...}

     main() {
         return V(getSrc(), y)
     }
 
     string getSrc() {
         string src = getOtherSrc();
         return src + "string getOtherSrc() {" + "\n" + "return" + src + "\n" + "}";
     }
 
     string getOtherSrc() {...} 
 }

Теперь [math]getOtherSrc()[/math] определяется очевидным образом, и мы получаем итоговую версию функции [math]p(y)[/math] 

 p(y){ 
     V(x,y) {...}

     main() {
         return V(getSrc(), y)
     }
 
     string getSrc() {
         string src = getOtherSrc();
         return src + "string getOtherSrc() {" + "\n" + "return" + src + "\n" + "}";
     }
 
     string getOtherSrc() {
         return "  p(y){             // Возвращаем весь предыдущий код
                    V(x,y) {...}

                     main() {
                         return V(getSrc(), y)
                     }
 
                     string getSrc() {
                         string src = getOtherSrc();
                         return src + "string getOtherSrc() {" + "\n" + "return" + src + "\n" + "}";
                 }";
     } 
 }
[math]\triangleleft[/math]

Если говорить неформально, теорема о рекурсии утверждает, что внутри программы можно использовать ее код. Это упрощает доказательство некоторых теорем.

Приведем так же альтернативую формулировку теоремы и альтернативное (неконструктивное) доказательство.

Теорема (Роджерс, о неподвижной точке / Rogers' fixed-point theorem):
Пусть [math]U[/math] — универсальная функция, [math]h[/math] — всюду определённая вычислимая функция. Тогда найдется такое [math]n[/math], что [math]U_n=U_{h(n)}[/math].

Другими словами: нельзя найти алгоритма, преобразующего про- граммы, который бы по каждой программе давал другую (не эквива-

лентную ей).
Доказательство:
[math]\triangleright[/math]

Начнём с доказательства леммы.

Лемма:
Пусть на натуральных числах задано отношение эквивалентности [math]\equiv[/math]. Тогда следующие два утверждения не могут быть выполнены одновременно:
  1. Пусть [math]f[/math] — вычислимая функция. Тогда существует всюду определённое вычислимое [math]\equiv[/math] — продолжение [math]g[/math] функции [math]f[/math], то есть такая [math]g[/math], что [math]D(g)=N[/math] и [math]\forall x[/math] такого, что [math]f(x) \ne \perp[/math], выполнено [math]f(x) \equiv g(x)[/math].
  2. Найдётся такая всюду определенная вычислимая [math]h[/math], что [math]\forall n [/math] выполнено [math]h(n) \not\equiv n[/math].
Доказательство:
[math]\triangleright[/math]

Приведем доказательство от противного. Пусть оба утверждения выполнены.

Определим функцию [math]f[/math] так: [math]f(x)=U(x,x)[/math]. Заметим, что никакая всюду вычислимая функция не отличается от [math]f[/math] всюду.
Согласно первому утверждению найдётся всюду определённое вычислимое [math]\equiv[/math] — продолжение [math]g[/math] функции [math]f[/math].
Определим функцию [math]t[/math] так: [math]t(x)=h(g(x))[/math], где [math]h[/math] — функция из второго утверждения.
Если [math]f(x) \ne \perp[/math], то [math]f(x)=g(x) \ne h(g(x))=t(x)[/math], то есть [math]f(x) \ne t(x)[/math]. Если [math]f(x)= \perp[/math], то [math]f(x) \ne t(x)[/math], так как [math]t[/math] всюду определена. Значит, [math]f[/math] всюду отлична от [math]t[/math], получили противоречие.
[math]\triangleleft[/math]

Теперь определим отношение [math]\equiv[/math] так: [math]x \equiv y \Leftrightarrow U_x = U_y[/math]. Покажем, что для него выполнено первое утверждение леммы.
Для заданной [math]f[/math] определим [math]V(n,x) = U(f(n), x)[/math].
Так как [math]U[/math] — универсальная функция, то найдётся такая всюду определенная вычислимая функция [math]s[/math], что [math]V(n,x) = U(s(n), x)[/math].
Тогда [math]\forall x [/math] и [math] n [/math] будет выполнено [math]U(f(n), x) = U(s(n), x)[/math]. Значит, [math]\forall n [/math] [math] s(n) \equiv f(n)[/math], то есть [math]s[/math] — всюду определенное [math]\equiv[/math] — продолжение [math]f[/math].

Значит, для нашего отношения эквивалентности второе утверждение леммы не верно, то есть для любого вычислимого всюду определенного [math]h[/math] [math] \exists n[/math] такое, что [math]U_{h(n)} = U_n[/math].
[math]\triangleleft[/math]

Пример использования

Используя теорему о рекурсии, приведём простое доказательство неразрешимости языка [math]L=\{p|p(\epsilon)=\perp\}[/math].

Лемма:
Язык [math]L=\{p|p(\epsilon)=\perp\}[/math] неразрешим.
Доказательство:
[math]\triangleright[/math]

Предположим обратное, тогда существует программа [math]r[/math] разрещающая [math]L[/math]. Рассмотрим следущую программу: 

p(x)
  if r(p)
     return 1
  while true

Пусть [math]p(\epsilon)=\perp[/math]. Тогда условие [math]r(p)[/math] выполняется и [math]p(\epsilon)=1[/math]. Противоречие. Если [math]p(\epsilon) \ne \perp[/math], то [math]r(p)[/math] не выполняется и [math]p(\epsilon)=\perp[/math]. Противоречие.
[math]\triangleleft[/math]

Доказательство теоремы Успенского-Райса с использованием теоремы о рекурсии:

Теорема:
Язык никакого нетривиального свойства не является разрешимым.
Доказательство:
[math]\triangleright[/math]

Пусть [math]F \subset RE, \varnothing \not= F \not= RE[/math]. Предположим, что язык свойства [math]F[/math] разрешается программой [math]d[/math]. Пусть [math]f \in L(F), g \not\in L(F)[/math]. Напишем следующую программу: 

Q(x,y)
  if d(x)
    return g(y)
  else
    return f(y)

По теореме о рекурсии, [math]\exists p \; \forall y \; p(y) = Q(p,y)[/math].

Если [math]p \in L(F)[/math], то [math]Q(p,y) = g(y) \Rightarrow p(y) = g(y) \Rightarrow p \not\in L(F)[/math].

Если же [math]p \not\in L(F)[/math], то [math]Q(p,y) = f(y) \Rightarrow p(y) = f(y) \Rightarrow p \in L(F)[/math].

В обоих случаях получаем противоречие.
[math]\triangleleft[/math]

Источники

  • Верещагин Н. К., Шень А. Лекции по математической логике и теории алгоритмов. Часть 3. Вычислимые функции — М.: МЦНМО, 1999 - С. 176
  • Kleene, Stephen On notation for ordinal numbers - The Journal of Symbolic Logic, 1938 - С. 150-155
Источник — «http://neerc.ifmo.ru/wiki/index.php?title=Теорема_о_рекурсии&oldid=35927»