Кіріспе

Математикада есептеуге болатын сандар — кез келген қажетті дәлдікпен шекті, аяқталатын алгоритм арқылы есептеуге болатын нақты сандар. Олар рекурсивті сандар, тиімді сандар немесе есептеуге болатын нақты сандар, сондай-ақ рекурсивті нақты сандар деп те аталады. Эмиль Борел 1912 жылы сол кездегі есептеудің интуитивті түсінігін пайдалана отырып, есептеуге болатын нақты сан тұжырымдамасын енгізді. Алгоритмдердің формалды бейнелеуі ретінде μ-рекурсивті функциялар, Тьюринг машиналарын немесе λ-есептеуді қолдана отырып, эквивалентті анықтамалар беруге болады. Есептеуге болатын сандар нақты жабық өріс құрайды және көптеген, бірақ барлық емес, математикалық мақсаттар үшін нақты сандардың орнына қолданылуы мүмкін.

Тьюринг машинасын мысал ретінде пайдаланған бейресми анықтама

Марвин Мински 1936 жылы Алан Тьюрингтің анықтамасына ұқсас тәсілмен есептелетін сандарды анықтайды, яғни 0 мен 1 арасындағы "ондық бөлшек ретінде қарастырылған цифрлар тізбегі" ретінде: мәтін = Есептелетін сан – бұл бастапқы лентасында n саны берілгенде, сол санның n-ші цифрымен аяқтайтын Тьюринг машинасы бар сан. Анықтамадағы негізгі түсініктер: (1) n бастапқыда көрсетіледі, (2) кез келген n үшін есептеу тек шекті қадамдардан тұрады, содан кейін машина қажетті нәтижені шығарып, тоқтайды. (2) нұсқасының тағы бір түрі – машина лентаға барлық n цифрды тізбектеп басып шығарады және n-ші цифрды басып шығарғаннан кейін тоқтайды, бұл Минскидің байқауын күшейтеді: (3) Тьюринг машинасының көмегімен машинаның күй кестесі түріндегі шекті анықтама ондық цифрлардың потенциалды шексіз тізбегін анықтау үшін қолданылады. Дегенмен, бұл қазіргі заманғы анықтама емес, ол тек нәтижелердің кез келген берілген дәлдікпен сәйкес келуін талап етеді. Жоғарыдағы бейресми анықтама "үстел жасаушының дилеммасы" деп аталатын дөңгелектеу мәселесіне ұшырайды, ал қазіргі заманғы анықтама осы мәселеге ұшырамайды.

Есептеу арқылы санауға болмайтын

Әрбір Тьюринг машинасының анықтамасына Гёдель санын тағайындау, есептеуге болатын сандарға сәйкес келетін табиғи сандардың ішкі жиынын тудырады және есептеуге болатын сандарға сюръекцияны анықтайды. Тьюринг машиналарының тек санауға болатын саны бар, бұл есептеуге болатын сандардың санауға болатындығын көрсетеді. Дегенмен, бұл Гёдель сандарының жиыны есептеу арқылы санауға болмайды (соның салдарынан, оның ішкі жиындары да осылай). Себебі, есептеуге болатын нақты сандарды шығаратын Тьюринг машиналарына қай Гёдель сандары сәйкес келетінін анықтауға алгоритм жоқ. Есептеуге болатын нақты санды шығару үшін Тьюринг машинасы толық функцияны есептеуі керек, бірақ сәйкес шешім мәселесі Тьюринг дәрежесі 0′′-да орналасады. Осыдан келіп, табиғи сандардан есептеуге болатын нақты сандарды бейнелейтін машиналар жиынына сюръективті есептеуге болатын функция жоқ, ал Кантордың диагональдық аргументін олардың көптігін конструктивті түрде көрсету үшін қолдануға болмайды. Нақты сандар жиыны санауға болмайтын болса, есептеуге болатын сандар жиыны классикалық түрде санауға болады, демек, нақты сандардың басым көпшілігі есептеуге болмайды. Мұнда, кез келген берілген есептеуге болатын сан үшін жақсы реттелу принципі сол санға сәйкес келетін ішкі жиында ең кіші элемент бар екенін көрсетеді, сондықтан картада биекция болатын ең кіші элементтерден тұратын ішкі жиын бар. Бұл биекцияның керісі – есептеуге болатын сандардың табиғи сандарына инъекция, олардың санауға болатындығын дәлелдейді. Бірақ, қайтадан, бұл ішкі жиын есептеуге жарамсыз, тіпті есептеуге болатын нақты сандардың өзі реттелген болса да.

Елі ретінде қасиеттер

Есептелетін сандардағы арифметикалық амалдардың өзі есептелетін болып табылады, себебі егер a және b нақты сандары есептелетін болса, онда келесі нақты сандар да есептелетін болады: a + b, a – b, ab және a / b (егер b нөлге тең болмаса). Бұл амалдар шын мәнінде біркелкі есептелетін; мысалы, кіріс ретінде (A, B) алғанда шығыс ретінде r-ді беретін Тьюринг машинасы бар, мұнда A – a санын жуықтап есептейтін Тьюринг машинасының сипаттамасы, B – b санын жуықтап есептейтін Тьюринг машинасының сипаттамасы, ал r – a + b санының жуықтамасы. Есептелетін нақты сандар өріс құрайтынын алғаш Генри Гордон Райс 1954 жылы дәлелдеген. Дегенмен, есептелетін нақты сандар есептелетін өріс құрамайды, себебі есептелетін өрістің анықтамасы тиімді теңдік талап етеді.

Тапсырыс берудің есептелмеуі

Есептелетін сандардағы реттік қатынас есептелмейді. А санының жуықтауын жасайтын Тьюринг машинасының сипаттамасы болсын. Онда А кірісіне "Иә" деп шығаратын, егер және "Жоқ" деп шығаратын, егер Тьюринг машинасы жоқ. Мұның себебін түсіну үшін, А сипаттаған машина мәнін жуықтау ретінде 0-ді үздіксіз шығарып жатыр делік. Машина ешқашан мәнін оң деп есептейтін жуықтауды шығара алмайды деп шешкенге дейін қанша уақыт күту керектігі белгісіз. Сондықтан машина шығыс беру үшін сан 0-ге тең болатынын болжауы керек; бірақ тізбек кейіннен 0-ден өзгеше болуы мүмкін. Бұл идеяны машина толық функцияны есептеген жағдайда, кейбір тізбектерде дұрыс емес екенін көрсету үшін пайдалануға болады. Есептелетін нақты сандар Дедекинд кесулері түрінде берілгенде де ұқсас мәселе туындайды. Теңдік қатынасы үшін де солай: теңдік тесті есептелмейді. Толық реттік қатынас есептелмейді, бірақ оның тең емес сандар жұбына шектелуі есептелуге болады. Яғни, екі Тьюринг машинасы А және В, сәйкесінше және сандарын жуықтап есептейтін, мұнда және болғанда, олардың тең немесе тең емес екенін анықтайтын бағдарлама бар. үшін жеткілікті түрде көп жуықтауларды қолдануға болады, мұнда сондықтан үлкендеген шамамен кішірек (0-ге жақындағанда) мәндерді алып, соңында тең немесе тең емес екенін анықтауға болады.

Басқа қасиеттері

Есептелетін нақты сандар талдауда қолданылатын нақты сандардың барлық қасиеттеріне ие емес. Мысалы, шектелген, өсуі кемеліп жатқан есептелетін нақты сандар тізбегінің ең кіші жоғарғы шегі міндетті түрде есептелетін нақты сан болуы керек емес. Мұндай қасиеті бар тізбек Спекер тізбегі деп аталады, себебі алғашқы құрастырушысы 1949 жылы Эрнст Спекер болған. Осындай қарсы мысалдардың болуына қарамастан, есептеулер және нақты талдаудың бір бөліктері есептелетін сандар саласында дамытылуы мүмкін, бұл есептелетін талдауды зерттеуге алып келеді. Кез келген есептелетін сан арифметикалық тұрғыдан анықталады, бірақ керісінше дұрыс емес. Арифметикалық тұрғыдан анықталатын, бірақ есептелетін емес көптеген нақты сандар бар, олардың ішінде: таңдалған кодтау схемасына сәйкес тоқтау мәселесінің (немесе кез келген басқа шешілмейтін мәселенің) шешімін кодтайтын кез келген сан. Чайтин тұрақтысы, , – бұл тоқтау мәселесіне тең болатын нақты санның бір түрі. Бұл екі мысалдың өзінде анықталатын, есептелетін емес сандардың шексіз жиынтығы бар, әрбір Universal Turing машинасы үшін біреуінен. Нақты сан есептелетін болады, егер және тек қана оның білдіретін натурал сандар жиыны (екілік түрде жазылғанда және сипаттамалық функция ретінде қарастырылғанда) есептелетін болса. Есептелетін нақты сандар жиыны (сондай-ақ, есептелетін нақты сандардың әрбір саналатын, тығыз реттелген ішкі жиыны) рационал сандар жиынымен рет бойынша изоморфты болады.

Реалдар орнына қолдану

Есептелетін сандарға практикада кездесетін нақты сандар, оның ішінде барлық нақты алгебралық сандар, сондай-ақ e, π және көптеген басқа трансценденттік сандар жатады. Есептелетін нақты сандар біз есептей немесе жуықтай алатын нақты сандардың барлық жиынын қамтиды, бірақ барлық нақты сандар есептелетін деген тұжырым нақты сандар туралы түбегейлі басқа ойларға алып келеді. Сондықтан, нақты сандардың толық жиынынан бас тартуға және математиканың барлық саласында есептелетін сандарды қолдануға бола ма деген сұрақ туындайды. Бұл идея конструктивтік көзқарас тұрғысынан тартымды және Эррет Бишоп пен Фред Ричман оны конструктивтік математиканың орыс мектебі деп атайды. Есептелетін сандарда талдауды дамыту үшін сақтық қажет. Мысалы, егер тізбектің классикалық анықтамасы қолданылса, есептелетін сандар жиыны шектелген тізбектің жоғарғы шегін алу операциясы бойынша жабық болмайды (мысалы, Спекер тізбегін қараңыз, жоғарыдағы бөлімге сілтеме жасаңыз). Бұл қиындық тек конвергенция модулі есептелетін тізбектерді қарастыру арқылы шешіледі. Осыдан туындаған математикалық теория есептелетін талдау деп аталады.

Дәл арифметиканың орындалуы

Нақты сандарды жуықтап есептейтін бағдарламалар түрінде ұсынылған компьютерлік пакеттер 1985 жылдан бері "нақты арифметика" деген атаумен ұсынылып келеді. Қазіргі заманғы мысалдарға CoRN кітапханасы (Coq) және RealLib пакеті (C++) жатады. Бұл бағыттағы тағы бір жұмыс – нақты RAM бағдарламасын алып, оны жеткілікті дәлдігі бар рационалды немесе қозғалмалы нүктелі сандармен, мысалы, пакетпен іске қосуға негізделген.