Изменения

Перейти к: навигация, поиск

Примитивно рекурсивные функции

1158 байт добавлено, 00:26, 20 марта 2019
Работа со списками фиксированной длины
== Рекурсивные функции ==
===Строительные блоки рекурсивных функций===
Рассмотрим примитивы, из которых будем собирать выражения:
<ol>
<tex>\mathbb{N} \rightarrow \mathbb{N}</tex>, <tex>\mathrm{Z}(x) = 0</tex>
<li> <tex>\mathrm{N}</tex> {{---}} функция следованияинкремент. </li>
<tex>\mathbb{N} \rightarrow \mathbb{N}</tex>, <tex>\mathrm{N}(x) = x'</tex>, где <tex>x' = x + 1</tex>.
<li> <tex>\mathrm{U^n_i}</tex> {{---}} проекция(<tex>i</tex>-ый аргумент среди <tex>n</tex>).</li>
<tex>\mathrm{U^n_i}: \mathbb{N}^{n} \rightarrow \mathbb{N}</tex>, <tex>\mathrm{U^n_i} (x_1, ... \ldots, x_n) = x_i</tex>
<li> <tex>\mathrm{S}</tex>{{---}} подстановка.</li>
Если <tex>\mathrm{f}: \mathbb{N}^{n} \rightarrow \mathbb{N}</tex> и <tex>\mathrm{g_1}, ... \ldots, \mathrm{g_n}: \mathbb{N}^{m} \rightarrow \mathbb{N}</tex>, то <tex>\mathrm{S}\langle{}\mathrm{f},\mathrm{g_1},...\ldots, \mathrm{g_n}\rangle: \mathbb{N}^{m} \rightarrow \mathbb{N}</tex>. При этом <tex>\mathrm{S}\langle{}\mathrm{f},\mathrm{g_1},...\ldots, \mathrm{g_n}\rangle (x_1,...\ldots, x_m) = \mathrm{f}(\mathrm{g_1}(x_1,...\ldots, x_m), ... \ldots \mathrm{g_n}(x_1,...\ldots, x_m))</tex>
<li> <tex>\mathrm{R}</tex> {{---}} примитивная рекурсия.</li>
Если <tex>\mathrm{f}: \mathbb{N}^{n} \rightarrow \mathbb{N}</tex> и <tex>\mathrm{g}:\mathbb{N}^{n+2} \rightarrow \mathbb{N}</tex>, то <tex>\mathrm{R}\langle{}\mathrm{f},\mathrm{g}\rangle: \mathbb{N}^{n+1} \rightarrow \mathbb{N}</tex>, при этом <tex>\mathrm{R}\langle{}\mathrm{f},\mathrm{g}\rangle (x_1,...\ldots, x_n,y) = \left\{\begin{array}{ll} \mathrm{f}(x_1,...\ldots, x_n) & , y = 0\\ \mathrm{g}(x_1,...\ldots, x_n,y-1,\mathrm{R}\langle{}\mathrm{f},\mathrm{g}\rangle(x_1,...\ldots, x_n,y-1)) &, y > 0
\end{array}\right.</tex>
<li> <tex>\mu</tex> {{---}} минимизация.</li>
Если <tex>\mathrm{f}: \mathbb{N}^{n+1} \rightarrow \mathbb{N}</tex>, то <tex>\mu \langle{}\mathrm{f}\rangle: \mathbb{N}^{n} \rightarrow \mathbb{N}</tex>, при этом <tex>\mu \langle{}\mathrm{f}\rangle (x_1,...\ldots, x_n)</tex> &mdash; такое минимальное число <tex>y</tex>, что <tex>\mathrm{f}(x_1,...\ldots, x_n,y) = 0</tex>. Если такого <tex>y</tex> нет, результат данного примитива неопределен.
</ol>
{{Определение
|definition=
Если некоторая функция <tex>\mathbb{N}^{n} \rightarrow \mathbb{N}</tex> может быть задана с помощью данных примитивов(англ. ''primitive''), то она называется '''рекурсивной'''(англ. ''recursive'').
}}
{{Определение
|definition=
'''Примитивно рекурсивными''' (англ. ''Primitively recursive'') называют функции, которые можно получить с помощью правил, описанных выше, рекурсии из константной функции <tex> \textbf 0 1</tex> и набора функций <tex> \mathrm{P_{n,k---}}(x_1,\ldots,x_n) = x_k,</tex> где <tex> k \leqslant n 5</tex>.
}}
Заметим, что если <tex> \mathrm{f} </tex> {{---}} <tex>n</tex>-местная примитивно рекурсивная функция, то она определена на всем множестве <tex> \mathbb{N}^{n} </tex>, так как <tex> \mathrm{f} </tex> получается путем правил преобразования из всюду определенных функций, и правила преобразования не портят всюду определенность. Говоря неформальным языком, рекурсивные функции напоминают программы, у которых при любых входных данных все циклы и рекурсий завершатся за конечное время. Если же говорить формально, то это свойство рекурсивных функций называется тотальностью.{{Определение|definition='''Тотальность''' (англ. ''Total Function'') {{---}} функция, определенная для всех возможных входных данных.}}
Благодаря проекторам мы можем делать следующие преобразования:
*В рекурсии не обязательно вести индукцию по последнему аргументу. Следует из того что мы можем с помощью проекторов поставить требуемый аргумент на последнее место.
*В дальнейшем вместо правиле подстановки можно использовать функции с разным числом аргументов. Например, подстановка <tex> \mathrm{P_F}(x,y) =\mathrm{n,kf}(\mathrm{g}(x_1y),\ldotsmathrm{h}(x,x_kx,y)) </tex> будем писать просто эквивалентна <tex> x_k \mathrm{F}(x,y,z) = \mathrm{f}(\mathrm{g}(\mathrm{U^2_2}(x,y)),\mathrm{h}(\mathrm{U^2_1}(x,y),\mathrm{U^2_1}(x,y),\mathrm{U^2_2}(x,y))) </tex>, подразумевая требуемое нам но если <tex> n \mathrm{F} </tex>не константная функция то все подставляемые функции должны иметь хотя бы один аргумент.
==== Арифметические операции на примитивно рекурсивных функциях ====
===== '''n'''-местный ноль =====
<tex> \textbf 0 </tex> {{---}} функция нуля аргументов.
Выразим сначала <tex> \textbf 0^{1 }(y) = \mathrm{Z}(y) </tex> <tex> \textbf 0^{n}(x_1,\ldots,x_{n-1},y) = \mathrm{Z}(y) </tex> Теперь вместо функции <tex>\mathrm{Z}(x)</tex> будем использовать константу <tex>\textbf 0</tex>, обозначив ее как <tex>\mathrm{Z}(x)</tex>. ====Константа <tex> \textbf M </tex>==== <tex> \textbf M(x) = \underbrace{\mathrm{N}(\ldots (\mathrm{N}}_{ \text{M раз} }(\mathrm{Z}(x))))</tex> <tex> \textbf M^n </tex> {{---}} <tex>n</tex>-местная константа, получается аналогичным к <tex> \textbf 0^n </tex> образом. ==== Сложение ====<tex> \mathrm{sum}(x, y) = \mathrm{R}\langle{}\mathrm{f},\mathrm{g}\rangle(x,y)</tex>, где
<tex> \textbf 0^mathrm{1f}(0x) = \textbf 0 x </tex>
<tex> \textbf 0^mathrm{1g}(x, y, z) = \textbf 0 mathrm{N}(z) </tex>
Теперь выразим <tex> \textbf 0^n </tex>
<tex> \textbf 0^mathrm{R}\langle{}\mathrm{f},\mathrm{ng}\rangle (x_1x,y) = \left\{\begin{array}{ll} \mathrm{f}(x) & y = 0\\ \ldotsmathrm{g}(x,x_{ny-1,\mathrm{R}\langle{}\mathrm{f},0) = \textbf 0^mathrm{ng}\rangle(x, y-1)) & y > 0\end{array} \right.</tex>
<tex> =\textbf left\{\begin{array} {ll} x & y = 0^\\ \mathrm{nN}(x_1\mathrm{R} \langle{}\mathrm{f},\ldots,x_mathrm{n-1g}\rangle(x,y-1)) = & y > 0 \textbf 0^end{narray} \right.</tex>
=====Константа <tex> =\left\{\textbf M </tex>begin{array} {ll} x & y =====0\\ Константа <tex> \textbf M </tex> равна <tex> \mathrm{N}(\textbfmathrm{Msum}(x, y-1)) & y > 0 \end{array}) \right. </tex>
<tex> \textbf M^n </tex> {{---}} <tex>n</tex>-местная константа, получается аналогичным к <tex> \textbf 0^n </tex> образомМожно преобразовать в более простой вид.
===== Сложение =====
<tex> \mathrm{sum}(x,0) = x </tex>
<tex> \mathrm{sum}(x,y+1) = \\mathrm{N}(\mathrm{sum}(x,y-1)) </tex>
===== Умножения =====<tex> \mathrm{prod}(x,0) = \textbf 0^1mathrm{Z}(x) </tex>
<tex> \mathrm{prod}(x,y+1) = \mathrm{hsum}(x,y,\mathrm{prod}(x,y-1)) </tex>, где <tex> \mathrm{h}(x,y,z)=\mathrm{sum}(x,z) </tex>
===== Вычитания =====Если <tex> x < \leqslant y </tex>, то <tex> \mathrm{sub}(x,y) = 0 </tex> , иначе <tex> \mathrm{sub}(x,y) = x - y </tex>.
Рассмотрим сначала вычитания единицы <tex> \mathrm{sub_{1}}(x) = x - 1 </tex>
<tex> \mathrm{sub_1}(0) = \textbf mathrm{Z}(0 ) </tex>
<tex> \mathrm{sub_1}(x+1) = \mathrm{h}(x,\mathrm{sub_1}(x)) </tex>, где <tex> \mathrm{h}(x,y) = x </tex>
Теперь рассмотрим <tex> \mathrm{sub}(x,y) </tex>
<tex> \mathrm{sub}(x,0) = x </tex>
<tex> \mathrm{sub}(x,y+1) = \mathrm{hsub_1}(x,y,\mathrm{sub}(x,y-1)) </tex>, где <tex> \mathrm{h}(x,y,z) =\mathrm{sub_1}(z) </tex>
===== Операции сравнения =====
<tex> \mathrm{eq}(x,y) = 1 </tex> если <tex> x = y </tex>, иначе <tex> \mathrm{eq}(x,y) = 0 </tex>
<tex> \mathrm{eq_0}(0) =\mathrm{N}(0) </tex>
<tex> \mathrm{eq_0}(y+1) = \mathrm{h}(y-1,\mathrm{eq}(y-1)) </tex> , где <tex> \mathrm{h}(y-1,\mathrm{eq}(y-1)) = \textbf 0^2mathrm{Z}(x,y-1) </tex>
Теперь все остальные функции
<tex> \mathrm{lower}(x,y) = \mathrm{mul}(\mathrm{le}(x,y),\mathrm{le}(\mathrm{N}(x),y)) </tex>
===== IF =Условный оператор ====
<tex> \mathrm{if}(0,x,y) = y </tex>
<tex> \mathrm{if}(c+1,x,y) = \mathrm{h}(c,x,y,\mathrm{if}(c,x,y)) </tex> , где <tex> \mathrm{h}(c,x,y,d) = x </tex>
===== Деление ===== <tex> \mathrm{divide}(x,y) = \Bigl \lfloor \dfrac{x}{y} \Bigr \rfloor </tex>, если <tex> y > 0 </tex>. Если же <tex> y = 0 </tex>, то <tex> \mathrm{divide}(x,0) </tex> и все связанные с делением значение функции равны каким то ,нас не интересными для насинтересует, числамии можно определить её как угодно.
Сначала определим <tex> \mathrm{divmax}(x,y) </tex> {{---}} функция равна максимальному числу меньшему или равному <tex> x</tex>, которое нацело делится на <tex> y </tex>.
<tex> \mathrm{divmax}(0,y) =\textbf 0^{1} </tex> <tex> \mathrm{divmax}(x+1,y) = \mathrm{h}(x,y,\mathrm{divmax}(x,y)) </tex>, где <tex> \mathrm{h}(x,y,z) = \mathrm{if}(\mathrm{eq}(\mathrm{sub}(\mathrm{NZ}(x),z),y),\mathrm{N}(x),z) </tex>,
или не формально если <tex> \mathrm{divmax}(x+1 - ,y ) = z </tex> то <tex> \mathrm{hif}(\mathrm{eq}(\mathrm{sub}(\mathrm{N}(x-1),\mathrm{divmax}(x-1,y)),zy) = x+1 ,</tex>, иначе <tex> \mathrm{hN}(x-1),\mathrm{divmax}(x-1,y,z) = z )</tex>
Теперь само деления
<tex> \mathrm{divide}(0,y) =\textbf 0^mathrm{1Z} (y) </tex>
<tex> \mathrm{divide}(x,y) = \mathrm{h}(x,y,\mathrm{divide}(x,y)) </tex>, где <tex> \mathrm{h}(x,y,z) = \mathrm{sum}(z,\mathrm{eq}(\mathrm{N}(x),\mathrm{divmax}(\mathrm{N}(x),y))) </tex>
 
или не формально если <tex> x+1~\vdots~y </tex>, то <tex> \mathrm{h}(x,y,z) = z+1 </tex>, иначе <tex> \mathrm{h}(x,y,z) = z </tex>
Остаток от деления выражается так:
<tex> \mathrm{mod}(x,y) = \mathrm{sub}(x,\mathrm{mul}(y,\mathrm{divide}(x,y))) </tex>
===== Работа со списками фиксированной длины =====С помощью описанных выше арифметических операций можно выразить проверку на простоту числа и поиск <tex> n </tex> - ого простого числа.Рассмотрим список из натуральны чисел <tex> [x_1,\ldots,x_n] </tex>, тогда ему в соответствия можно поставить число <tex> p_1^{x_1+1} \cdot p_2^{x_2+1} \cdot \ldots \cdot p_n^{x_n+1} </tex>, где <tex> p_i </tex> {{- --}} <tex>i</tex>-тое простое число. Как видно из представления,создания списка, взятие <tex> i </tex> - того
элемента и остальные операции являются простыми арифметическими операциями, а следовательно примитивно рекурсивными. Поэтому будем считать что у примитивно рекурсивной функций аргументы и результат могут быть списками из натуральных чисел.
==Теоремы===== Теорема о примитивной рекурсивности вычислимых функций ====
{{Теорема
|statement= Если для [[Вычислимые функции|вычислимой функции]] <tex> \mathrm{F} </tex> существует примитивно рекурсивная функция <tex> \mathrm{T} </tex>, такая что для любых аргументов <tex> args </tex> максимальное количество шагов, за которое будет посчитана <tex> \mathrm{F}(x) </tex> на [[Машина Тьюринга|МТ]] равно <tex> \mathrm{T}(args) </tex>, то <tex> \mathrm{F} </tex> примитивно рекурсивная функция.
Каждому состоянию [[Машина Тьюринга|МТ]] поставим в соответствие список из четырех чисел <tex> [L,R,S,C] </tex>, где:
*<tex> L </tex> {{---}} состояние [[Машина Тьюринга|МТ]] слева от головки ленты, представлено в виде числа в системы счисления с основанием равным алфавиту [[Машина Тьюринга|МТ]]. Младшие разряды находятся возле головки. Пробелу соответствует ноль, чтобы число было конечным.
*<tex> R </tex> {{---}} состояние [[Машина Тьюринга|МТ]] справа от головки, представлено аналогично <tex> L </tex> только возле головки [[Машина Тьюринга|МТ]] находятся старшие разряды.
*<tex> S </tex> {{---}} номер текущего состояния.
*<tex> C </tex> {{---}} символ на который указывает головка ленты.
Тогда всем переходам соответствует функция <tex> \mathrm{f}([L,R,S,C]) </tex> принимающая состояние [[Машина Тьюринга|МТ]] и возвращающая новое состояние.
==Источники информации ==
* Н. К. Верещагин, А. Шень. [http://www.mccme.ru/free-books/shen/shen-logic-part3-2.pdf Лекции по математической логике и теории алгоритмов. Часть 3. Вычислимые функции. 4-е изд., испр., М.: МЦНМО, 2012]
*[http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B5%D0%BA%D1%83%D1%80%D1%81%D0%B8%D0%B2%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%84%D1%83%D0%BD%D0%BA%D1%86%D0%B8%D1%8F_(%D1%82%D0%B5%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%8F_%D0%B2%D1%8B%D1%87%D0%B8%D1%81%D0%BB%D0%B8%D0%BC%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8) Википедия {{---}} Рекурсивная функция]*[https://en.wikipedia.org/wiki/Primitive_recursive_function Wikipedia {{---}} Primitive recursive function]
[[Категория: Теория формальных языков]]
[[Категория: Теория вычислимости]]
[[Категория: Вычислительные формализмы]]
Анонимный участник

Навигация