에 일련의 숫자가 있는지 어떻게 알 수 있습니까?


130

우리는 다음과 같은 운동을 받았습니다.

허락하다

f(n)={10n occurs in the decimal representation of π0else

가 계산 가능 하다는 것을 증명하십시오 .f

이것이 어떻게 가능한지? 내가 아는 한, 우리는 가 모든 숫자의 시퀀스 (또는 어떤 숫자)를 포함 하는지 알지 못하며 알고리즘은 일부 시퀀스가 발생 하지 않는다고 확실히 결정할 수 없습니다 . 따라서 기본 문제는 반 결정 가능하기 때문에 는 계산할 수 없다고 생각 합니다.fπf


32
완전히 무지한 것에 대해 용서하십시오. 질문의 근본적인 부분이 분명히 누락되었지만 0 ^ n이 항상 0이 아닙니까? pi가 0이면 소수점 이하 32 번째 자리이므로 f (n)이 항상 1을 반환한다는 의미는 아닙니까?
— 코리 클라인

68
@CoryKlein : 이것은 공식 언어 표기법입니다. 위 첨자 여기서 배 연결을 의미합니다 ( 예 : . 은 숫자가 아닌 기호 일뿐입니다. n a 5 = a a a a a 0nna5=aaaaa0
— Raphael

답변:


133

고려해야 할 두 가지 가능성이 있습니다.

  • 모든 양의 정수 에 대해 문자열 은 의 10 진수 표현으로 나타납니다 . 이 경우 항상 1을 반환하는 알고리즘이 항상 정확합니다.n0nπ

  • 가장 큰 정수가 이되도록 십진수 표기로 표시 . 이 경우 다음 알고리즘 ( 값이 하드 코딩 됨)은 항상 정확합니다.N0NπN

    Zeros-in-pi(n):
     if (n > N) then return 0 else return 1
    

우리는 이러한 가능성 중 어느 것이 올바른지, 두 번째 경우 에 가치가 어떤 것인지 전혀 모른다 . 그럼에도 불구하고 이러한 알고리즘 중 하나가 올바른 것으로 보장됩니다. 따라서, 문자열의 여부를 결정하는 알고리즘가 제로가 나타나는 ; 문제는 결정 가능하다.Nnπ


gallais가 제안한 다음과 같은 증거 스케치로 미묘한 차이점을 확인하십시오 .

  1. 임의의 튜링 기계와 임의의 입력을 취하십시오.
  2. 계산이 영원히 진행되거나 어느 시점에서 중지되며 이러한 각 동작을 설명하는 (일정한) 계산 가능한 함수가 있습니다.
  3. ???
  4. 이익!

Alex ten Brink 는 다음과 같이 설명합니다.

Halting 정리의 상태를 살펴보십시오. 주어진 프로그램의 정지 여부를 결정할 수있는 단일 프로그램이 없다고 말합니다. 하나는 주어진 프로그램이 중단되었는지 여부를 계산하는 두 가지 프로그램을 쉽게 만들 수 있습니다. 첫 번째는 항상 '정지', 두 번째는 '정지하지 않습니다'-하나의 프로그램은 항상 옳습니다. 그들 중!

sepp2k 는 다음을 추가 합니다.

Alex의 예에서는 어떤 알고리즘도 모든 입력에 대해 올바른 결과를 반환하지 않습니다. 이 질문의 경우 그들 중 하나가 될 것입니다. 모든 입력에 대해 올바른 결과를 생성하는 알고리즘이 있다는 것을 알고 있기 때문에 문제를 결정할 수 있다고 주장 할 수 있습니다. 해당 알고리즘이 어느 것인지 아는 것은 중요하지 않습니다. 10


의견은 긴 토론을위한 것이 아닙니다. 이 대화는 채팅 으로 이동 되었습니다 .
— Gilles

12
누군가가 "모든 양의 정수 n에 대해, 문자열 0 ^ n은 π의 10 진수 표현으로 나타남"이라는 진술이 불가능하다는 것을 증명한다면 어떻게 될까요? 올바른 알고리즘을 구성 할 수는 없지만이 문제를 결정할 수 있다고 여전히 말할 수 있습니까?
— 기타

4
@Others 네, 그렇습니다.
— JeffE

1
@ 제프 직관 논리에서 증명이 가능합니까? 아니면 여기서 배제 된 중간 법칙이 필요합니까?
— 기타

@Others 내가 올바르게 이해한다면, 아이디어는 이것입니다 : 우리가 각각의 대해 튜링 머신 을 답의 첫 부분에서와 같이 정의 한다면 , 그것들 중 하나 가이 함수를 계산 한다는 것을 알고 있습니다. 우리는 어느 것을 알지 못하며 (당신의 진술이 입증되면 어떤 것을 알 수 없다는 것을 알 수도 있습니다) 그러나 우리는 여전히 그러한 Turing 기계가 있다는 것을 알고 있으므로 함수는 계산 가능합니다. M NNMN
— JiK

14

JeffE의 답변에 약간의 정교함을 게시하십시오.

함수 f (n)을 계산할 수있는 두 가지 함수 / 케이스가 존재한다는 것을 알고 있습니다.

  1. 항상 true를 리턴하는 함수 (모든 n에 대해 n 개의 연속 0이 존재 함)
  2. n이 정수 N보다 작 으면 true를 리턴하는 함수. 여기서 N은 주어진 비이성적 인 수에 존재하는 연속 0의 최대 길이로 정의됩니다 (그렇지 않으면 false를 리턴 함).

이러한 기능 중 하나만 정확할 수 있습니다. 우리는 어느 것을 알지 못하지만 답이 존재한다는 것을 확실히 알고 있습니다. 계산에는 유한 한 단계 내에서 답을 결정할 수있는 함수가 있어야합니다.

경우 1의 단계 수는 단지 1을 반환하는 것으로 간단하게 바인딩됩니다.

2의 경우 단계 수도 유한합니다. 모든 정수 대해 튜링 머신 을 구성하여 경우를 허용 하고 그렇지 않으면 유한 시간 내에 거부합니다. 따라서 의 상한을 아는 것은 중요하지 않습니다. 모든 대해 튜링 머신, 즉 이 존재하여 인지 여부를 정확하게 계산합니다 .T N ( N ) N < N N N T N ( N ) N < NNTN(n)n<NNNTN(n)n<N

두 경우 중 하나를 선택하는 것이 불가능할 수도 있지만 (하나는 다른 것보다 가능성이 높지만) 그 중 하나가 정확해야한다는 것을 알고 있습니다.

참고로, 우리의 솔루션은 어떤 기능이 올바른 값을 이끌어 낼지 결정할 수는 없지만 계산의 본질이 증거의 구성 가능성에 의존하지 않는다고 가정합니다. 순수한 존재로 충분합니다.


9
모든 수학자들이 이것을 받아 들일 수있는 것은 아닙니다 – 예를 들어 직관 론자들은 그렇지 않습니다.
— reinierpost

당신은 기본적으로 배제 된 중간 법칙 , lol 의 긴 예를 만들고 있습니다. 직관 논리 또는 모든 유형 이론 기반 논리 시스템에서이 증명은 거부됩니다. P∨¬P
— Kaa1el

5

다음 증명 시도의 5 단계는 정당화되지 않았으며 실제로 잘못 되었습니다 . 여기서 반대의 예를 찾을 수 있습니다 . (감사합니다, Yuval; 그것은 스케치의 스케치 부분처럼 느껴졌습니다). 실수가 유익하다고 생각할 때 여기에 답을 남겼습니다.


우선 : JeffE의 답변은 충분합니다. f 는 어느 쪽이든 계산 가능합니다.

그러나 귀납법에 의한 증명 스케치를 시도하는 간단한 우회 :
Premise R : 는 반복되지 않습니다. 1. 기본 2의 를 보십시오 . 이것은 대부분 사례 수를 줄이기위한 것입니다. 2. 줄을 얼마나 아래로가더라도 관계없이 항상 다른 1을 찾을 수 있습니다 . 대안은 모두 0입니다. 이는 가 반복되기 시작하여 R 에 대해 진행됨을 의미 합니다. 3. 아래로 내려 가서 0을 찾는 것도 마찬가지입니다 . 4. 두 자리 시퀀스로 확장 : 그렇지 않으면 01 또는 10 (즉, 스위치가있는 위치)을 찾을 수 없습니다.π π π ππ
π
π

π 는 1 또는 0 에서 반복되기 시작 합니다. 마찬가지로, 1010101 ... 5 에서 반복하기 시작하므로 11 또는 00 찾기를 멈출 수 없습니다 . 유도 단계 : 각 유한 시퀀스는 반복이 시작 되기 때문에 각 유한 시퀀스는 무한한 횟수로 나타나야합니다 . R 과 모순되는 더 짧은 시퀀스 중 하나입니다 .
π


10
우선, 우리의 바이너리 확장 알고 있기 때문에 반복하지 않습니다 비이성적이다. 둘째, 이진 확장에 000 또는 111을 포함하지 않는 비합리적인 숫자가 있습니다. 예를 들어 Thu-Morse 시퀀스에 해당하는 숫자 : 0.0110100110010110 ...πππ
— Yuval Filmus

1
아, 유도 도약의 위험 : P 잘 잡아라. 고마워.
— 스티븐 보리스 1

1
또한 결론이 잘못되면 결론을 삭제하거나 그대로두고 편집을 통해 틀렸다는 것을 인정하는 것이 더 의미가 있습니까?
— Stephen Voris

4
@StephenVoris 그것은 실수라고 생각하는 교육 방법에 달려 있습니다. 가 정상 인지 여부에 대한 문제 (즉, 확장은 무한대 의 ary 자릿수 의 모든 유한 시퀀스를 포함하는 경우가 많음)는 숫자 이론의 가장 큰 문제 중 하나입니다. b bπbb
— David Richerby

2
@DavidRicherby Big open problem, 당신은? 네, 알아두면 좋습니다. OP의 질문에 기반을 둔 문제가 얼마나 까다로운 지에 대한 증거이기 때문에 이것이 합리적으로 교육적인 실수라고 생각합니다.
— Stephen Voris
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