Кіріспе

Есептеуге қабілеттілік теориясындағы теорема, Эмиль Посттың есімімен аталатын Пост теоремасы, арифметикалық иерархия мен Тьюринг дәрежелері арасындағы байланысты сипаттайды.

Өмірбаян

Пост теоремасының тұжырымында анықталуға және рекурсия теориясына қатысты бірнеше ұғымдар қолданылады. Бұл бөлімде осы ұғымдардың қысқаша шолуы берілген, олар тиісті мақалаларда егжей-тегжейлі қарастырылған. Арифметикалық иерархия Пеано арифметикасының тілінде анықталатын натурал сандардың белгілі бір жиындарын жіктейді. Формула, егер ол пренекс қалыпты түріндегі (барлық кванторлар басында) экзистенциалдық мәлімдеме болса, онда экзистенциалдық және жалпы кванторлардың арасында тек шектелген кванторлары бар формулаға қолданылатын кванторлардың саны m рет ауысады. Peano арифметикасының тіліндегі формула, егер ол тек шектелген кванторларды қамтитын болса және Q егер m жұп болса, ал егер m тақ болса, онда формуласы болып табылады. Натурал сандар жиыны, егер ол формуласымен анықталса, яғни әрбір сан жиынында тек және ғана орындалса, онда анықталатын болады деп айтылады. Егер жиын болса, онда ол кез келген үшін болады, бірақ әрбір m үшін болмайтын жиын бар екені белгілі. Осылайша, жиынды анықтау үшін қажетті кванторлардың ауысу саны жиынның күрделілігін көрсетеді. Пост теоремасы салыстырмалы арифметикалық иерархияны, сондай-ақ жаңа ғана анықталған салыстырмалы емес иерархияны пайдаланады. жиыны, егер жиынына қатысты оракул болса, деп жазылады, егер жиыны жиынындағы мүшелікке қатысты предикатты қамтитын кеңейтілген тілдегі формуласымен анықталса. Арифметикалық иерархия натурал сандар жиындарының анықталуын өлшейтін болса, Тьюринг дәрежелері натурал сандар жиындарының есептелмейтін деңгейін өлшейді. жиыны, егер жиынына қатысты Тьюринг азайтылатын болса, деп жазылады, егер жиыны үшін оракул берілгенде функциясын есептейтін оракул Тьюринг машинасы болса. жиынының Тьюринг секіруі – бұл жиынына қатысты тоқтау мәселесінің бір түрі. жиыны берілген болса, Тьюринг секіруі – бұл оракулмен жұмыс істегенде кірісінде тоқтайтын оракул Тьюринг машиналарынң индекстерінің жиыны. Пост теоремасы шекті қайталамалы Тьюринг секірулерін қолданады. Кез келген натурал сандар жиыны үшін жазуы жиынының рет қайталамалы Тьюринг секіруін көрсетеді. Осылайша дегеніміз ал, – жиынының Тьюринг секіруі.

Бірінші реттік арифметикада Тьюринг машиналарын формализациялау

Тьюринг машинасының кіріспен жұмыс істеуін бірінші реттік арифметикада логикалық түрде формалдауға болады. Мысалы, таспа конфигурациясы, машинаның күйі және қадамдардан кейін таспа бойымен орналасуы үшін біз , , және символдарды қолдана аламыз. Машинаның өту жүйесі арасындағы қатынасты анықтайды; олардың бастапқы мәндері ( кіріс үшін) – сәйкесінше кіріс, бастапқы күй және нөл. Машина тоқтайды, егер және тек қана тоқтау күйі болатын сан болса. Нақты қатынас Тьюринг машинасы ұғымының нақты іске асырылуына байланысты (мысалы, олардың әліпбиі, таспа бойымен қозғалудың рұқсат етілген режимі және т.б.). Егер машина уақытпен тоқтаса, онда арасындағы қатынас тек жоғарыдан шектелген болатын үшін ғана орындалуы керек. Осылайша, бірінші реттік арифметикада шектелмеген кванторлары жоқ формула бар, егер және тек қана орындалса, онда машина кіріспен уақыттың ішінде тоқтайды.

Қайталап саналатын жиынтықтар

Тьюринг машинасымен рекурсивті санауға болатын жиынтық болсын. Онда, әрбір x ∈ A үшін, x-ті кіріс ретінде алғанда тоқтайтын Тьюринг машинасы бар. Бұл жоғарыда келтірілген бірінші реттік арифметикалық формуламен формальдастырылуы мүмкін. А жиынтығының мүшелері келесі формуламен қанағаттандырылатын сандар болып табылады:

Бұл формула Σ₀-да. Сондықтан, А жиынтығы Σ₀-да. Осылайша, кез келген рекурсивті саналатын жиынтық Σ₀-да болады.

Керісі де дұрыс: кез келген φ формуласы k экзистенциалды кванторлармен Σ₀-да болса, біз натурал сандардың k-тіктерін санап шыға аламыз және формула қанағаттандырылғанша олардың барлығын қарастыратын Тьюринг машинасына жүгіртеміз. Бұл Тьюринг машинасы φ-ні қанағаттандыратын натурал сандар жиынтығында тоқтайды, демек оның сәйкес жиынтығын санайды.

Тьюрингтің жоғары секіруі

Жалпырақ айтқанда, егер кез келген жиын оракул машинасы арқылы санамалы болса, онда ол жиын ішінде болады. Оракул машинасы үшін, оракулмен жабдықталған болса, онда ол жиын ішінде болады.
-ның алдыңғы Тюринг секірісімен бірдей болғандықтан, оны (жоғарыдағы -мен жасағанымыздай) осылай құруға болады, сонда ол ішінде болады. Жаңадан алынғаннан кейін, жаңа жиын ішінде болады.
Индукция бойынша, оракул машинасымен оракул үшін санамалы болатын кез келген жиын ішінде болады.
Кері бағытта да индукция арқылы дәлелдеуге болады: егер -дегі барлық формула оракул машинасымен оракул үшін санамалы болса, демек.
Енді, -дегі формуланы қарастырайық, онда экзистенциалдық сандықтардан кейін жалпылама сандықтар келеді және т.б. Балама түрінде, -да > экзистенциалдық сандықтардан кейін -дегі формуланың жоғарысы келеді; соңғы формула оракул машинасымен оракул үшін санамалы және осылайша оракулмен бірден тексеріледі.
Осылайша, біз табиғи сандардың топтамаларын санап, оракул машинасымен оракул үшін олардың барлығын формулаға қанағаттанғанша ашамыз. Бұл оракул машинасы нақты қанағаттандыратын табиғи сандар жиынында тоқтап, осылайша оның сәйкес жиынын санап шығарады.