Кіріспе

Есептеу теориясындағы түсінік. Есептеу теориясында, шешім проблемасынан шешім проблемасына Тьюринг азайтуы – бұл проблеманы шешетін оракул машинасы, егер оған проблема үшін оракул берілсе (Роджерс 1967, Соар 1987). Бұл оны шешуге қолданылатын алгоритм ретінде түсінуге болады, егер ол проблеманы шешуге арналған қосалқы бағдарламаға қол жеткізе алса. Егер проблемадан проблемаға Тьюринг азайтуы болса, онда проблемаға арналған әрбір алгоритмді, оракул машинасы оракулға сұраныс жасайтын әрбір жерге проблемаға арналған алгоритмді қою арқылы, проблемаға арналған алгоритмді жасау үшін пайдалануға болады. Дегенмен, оракул машинасы оракулға көптеген рет сұраныс жіберуі мүмкін болғандықтан, нәтижедегі алгоритмға асимптотикалық тұрғыдан проблемаға арналған алгоритмге немесе оракул машинасына қарағанда көбірек уақыт қажет болуы мүмкін. Оракул машинасы полиномдық уақытта жұмыс істейтін Тьюринг азайтуы Кук азайтуы деп аталады. Салыстырмалы есептеуді, содан кейін салыстырмалы азайтуды алғаш рет 1939 жылы Алан Тьюринг оракул машиналары тұрғысынан анықтады. Кейін 1943 және 1952 жылдары Стивен Клин рекурсивті функциялар тұрғысынан эквивалентті ұғымды анықтады. 1944 жылы Эмиль Пост осы ұғымды "Тьюринг азайтуы" терминімен атады.

Тьюрингтік толықтықтың есептеу универсалдылығына қатынасы

Жоғарыда анықталғандай, Тьюрингтің толықтығы, есептеу универсалдығы мағынасындағы Тьюринг толықтығына толыққанды сәйкес келмейді. Нақтырақ айтқанда, Тьюринг машинасы, егер оның тоқтау мәселесі (яғни, ақырында тоқтатын кірістер жиыны) рекурсивті түрде саналатын жиындар жиынына көп-бірлік редукцияланатын болса, әмбебап Тьюринг машинасы болып саналады. Демек, машинаның есептеулік жағынан әмбебап болуы үшін қажетті, бірақ жеткіліксіз шарты – машинаның тоқтау мәселесінің Тьюринг толықтығы болып табылады. Бұл жеткіліксіз, себебі машина қабылдайтын тілдің өзі рекурсивті түрде саналатын тілдерге жатпауы мүмкін.

Мысал

Тьюринг машинасының индексі e үшін тоқтатын кіріс мәндерінің жиынын белгілейік. Содан кейін, жиындар және Тьюринг эквивалентті болады (мұнда тиімді жұптастыру функциясы көрсетілген). Берілген жұп үшін, smn теоремасын қолданып, жаңа индекс құрастыруға болады, осылайша кодталған бағдарлама өз кірісін назарға алмай, тек n кірісіндегі e индексі бар машинаның есептеуін симуляциялайды. Атап айтқанда, e индексі бар машина кез келген кірісте тоқтайды немесе ешқандай кірісте тоқтамайды. Осылайша, бұл барлық e және n үшін орындалады. i функциясы есептелуге болатындықтан, бұл көрсетілгендер Тьюринг редукциялары ғана емес, сонымен қатар төменде талқыланатын көптеген бір редукциялар екенін көрсетеді.

Қасиеттері

Кез келген жиын өзінің толықтырғышымен Тьюринг теңдес. Кез келген есептелетін жиын кез келген басқа жиынға Тьюринг азайтылады. Кез келген есептелетін жиын оракулсыз есептелуі мүмкін болғандықтан, берілген оракулға назар аудармайтын оракул машинасы оны есептей алады. Қатынас транзитивті: егер және болса, онда . Бұған қоса, кез келген A жиыны үшін осы қатынас орындалады, сондықтан қатынас алдын ала тәртіп болып табылады (ол толық тәртіп емес, себебі және міндетті түрде білдірмейді). A жиыны B жиынына, ал B жиыны A жиынына азайтылмайтын жиын жұптары бар. Осылайша, бұл толық тәртіп емес. Бұл қатынас бойынша жиындардың шексіз азаятын тізбектері бар, сондықтан бұл қатынас жақсы негізделмеген. Кез келген жиын өзінің Тьюрингтік секіруіне азайтылады, бірақ жиынның Тьюрингтік секіруі ешқашан бастапқы жиынға азайтылмайды.

Төмендеуді қолдану

Жинақтан жиынға кез келген қысқарту бір элементтің жинақта бар-жоғын тек шекті қадамдарда анықтауы керек болғандықтан, ол жинақта мүшелікке қатысты тек шекті санда ғана сұрау жасай алады. Жиын туралы қанша ақпарат бір битті есептеу үшін қолданылғанын талқылау кезінде, бұл «пайдалану функциясы» арқылы нақтыланады. Формальды түрде, қысқартудың пайдалануы – бұл әрбір табиғи санды осы қысқарту жинақта мүшелігін анықтау кезінде сұраған ең үлкен табиғи санға жіберу функциясы.

Күшейтілген қысқартулар

Тьюрингтік редукцияланудан күштірек редукцияларды жасаудың екі жалпы жолы бар. Біріншісі – оракул сұранымдарының санын және жасалу жолын шектеу. Егер жалпы есептелетін функция болса, онда жинақ көпке-бір редукцияланады, яғни элемент тек қана егер болса ғана екінші жинақта болса, онда ол бірінші жинақта болады. Мұндай функцияны Тьюрингтік редукция жасау үшін пайдалануға болады (есептеу арқылы, оракулға сұрау салу арқылы және содан кейін нәтижені түсіндіру арқылы). Шындық кестесі арқылы жасалатын редукция немесе әлсіз шындық кестесі арқылы жасалатын редукция барлық оракул сұранымдарын бір уақытта ұсынуы керек. Шындық кестесі арқылы жасалатын редукцияда, редукция сонымен қатар бульдік функцияны (шындық кестесін) береді, ол сұранымдарға жауаптар берілген кезде редукцияның соңғы жауабын шығарады. Әлсіз шындық кестесі арқылы жасалатын редукцияда, редукция оракул жауаптарын берілген жауаптарға байланысты қосымша есептеулер үшін негіз ретінде пайдаланады (бірақ оракулды пайдаланбай). Балама ретінде, әлсіз шындық кестесі арқылы жасалатын редукция – азайтуды пайдалану есептеу функциясымен шектелетін редукция. Осы себепті, әлсіз шындық кестесі арқылы жасалатын редукцияларды кейде «шекараланған Тьюринг» редукциялары деп атайды. Редукциялау түсінігін күшейтудің екінші жолы – Тьюрингтік редукцияны іске асыратын бағдарламаның пайдалана алатын есептеу ресурстарын шектеу. Редукцияның есептеу күрделілігінің осы шектері P сияқты субрекурсивті сыныптарды зерттегенде маңызды. Егер Тьюрингтік редукция полиномиалдық уақытта орындалса, онда A жиыны B жиынына полиномиалдық уақыт редукцияланады. Логарифмдік кеңістік редукциясының түсінігі де ұқсас. Бұл редукциялар эквиваленттік сыныптарды нақтырақ ажыратады және Тьюрингтік редукцияларға қарағанда қатаң талаптарға жауап береді, сондықтан олар күштірек. Сәйкесінше, мұндай редукцияларды табу қиын. Тіпті бір жинақтан екінші жинаққа көпке-бір редукцияны құрудың жолы болмауы мүмкін, егер сол жинақтар үшін Тьюрингтік редукция бар болса да.

Жеңіл төмендетулер

Church-Turing тезисіне сәйкес, Тьюрингтік редукция тиімді есептелетін редукцияның ең жалпы түрі болып саналады. Бірақ, одан әлсіз редукциялар да қарастырылады. Егер жиын Peano арифметикасының формуласымен, параметр ретінде көрсетілсе, онда ол арифметикалық жиын деп аталады. Егер рекурсивті ординал бар болса, онда жиын гиперарифметикалық болып саналады, яғни жиынының α рет қайталанған Тьюрингтік секіруінен есептелуге болады. Салыстырмалы құрастырылу ұғымы жинақтар теориясындағы маңызды редукция ұғымы болып табылады.