Кіріспе
Математикалық логикада арифметикалық иерархия немесе Клейне-Мостовский иерархиясы (математиктер Стивен Коул Клейне және Анджей Мостовский атымен аталады) жиындарды анықтайтын формулалардың күрделілігіне қарай жіктейді. Кез келген жіктеме алған жиын арифметикалық деп аталады. Арифметикалық иерархия Клейне (1943) және Мостовский (1946) тарапынан тәуелсіз түрде ойлап табылды. Арифметикалық иерархия есептеу теориясында, тиімді сипаттамалық жиын теориясында және Пеано арифметикасы сияқты формальді теорияларды зерттеуде маңызды. Тарски-Куратовский алгоритмі формулаға тағайындалған жіктемелердің және оның анықтайтын жиынының жоғарғы шегін анықтаудың оңай жолын ұсынады. Гиперарифметикалық иерархия және аналитикалық иерархия арифметикалық иерархияны қосымша формулалар мен жиындарды жіктеу үшін кеңейтеді.
In mathematical logic, the arithmetical hierarchy, arithmetic hierarchy or Kleene–Mostowski hierarchy (after mathematicians Stephen Cole Kleene and Andrzej Mostowski) classifies certain sets based on the complexity of formulas that define them. Any set that receives a classification is called arithmetical. The arithmetical hierarchy was invented independently by Kleene (1943) and Mostowski (1946). The arithmetical hierarchy is important in computability theory, effective descriptive set theory, and the study of formal theories such as Peano arithmetic. The Tarski–Kuratowski algorithm provides an easy way to get an upper bound on the classifications assigned to a formula and the set it defines. The hyperarithmetical hierarchy and the analytical hierarchy extend the arithmetical hierarchy to classify additional formulas and sets.
Жазудың мәні
Формулалардағы арифметикалық иерархияның белгісіне мынадай мағыналар берілуі мүмкін. Символдардағы және әріптеріндегі төменгі индекс формулада қолданылатын әмбебап және экзистенциалдық бірінші реттік сандық белгілер блоктарының ауысу санына сілтеме жасайды. Бұған қоса, сыртқы блок формулаларда экзистенциалдық, ал формулаларда әмбебап болады. Символдардағы үстіңгі индекс , , және сандық белгінің қолданылатын нысандардың түрін көрсетеді. 0 типті нысандар – табиғи сандар, ал типті нысандар – типті нысандар жиынынан табиғи сандарға бейнелейтін функциялар. Жоғары типтегі нысандардағы, мысалы, табиғи сандардан табиғи сандарға дейінгі функцияларды сандық белгілеу, аналитикалық иерархиядағыдай, 0-ден үлкен үстіңгі индекспен сипатталады. 0 үстіңгі индексі сандар үстіндегі сандық белгілерді, 1 үстіңгі индексі сандардан сандарға функцияларға сандық белгілерді (1 типті нысандар), 2 үстіңгі индексі 1 типті нысандарды қабылдап, санды қайтаратын функцияларға сандық белгілерді білдіреді, және т.б.
Мысалдар
Сандар жиындары — тек шектелген кванторлармен ғана анықталатын формулалар арқылы сипатталатын жиындар. Бұл — рекурсивті саналатын жиындардың нақты жиынтығы. Толық функцияларды есептейтін Тьюринг машиналарын көрсетуге арналған натурал сандар жиыны . Интуитивті түрде, индекс осы жиынға тек қана егер әрбір үшін « белгілі бір қадамнан кейін индексі бар Тьюринг машинасы кіріс бойынша тоқтаса» жағдайы орындалса ғана кіреді. Толық дәлелдеу бұл қасиетті, алдыңғы сөйлемде тырнақшалармен берілгендей, Пиано арифметикасының тілінде формула арқылы анықтауға болатынын көрсетеді. Бэйр кеңістігінің немесе Кантор кеңістігінің кез келген ішкі жиыны кеңістіктегі стандартты топологияда ашық жиын болып табылады. Сонымен қатар, кез келген мұндай жиын үшін бастапқы жиынды құрайтын негізгі ашық жиындардың Гёдель сандарының санамалы тізімі бар. Осы себепті, мұндай жиындар кейде тиімді ашық деп аталады. Сол сияқты, әрбір жиын жабық болады және жиындар кейде тиімді жабық деп аталады. Кантор кеңістігінің немесе Бэйр кеңістігінің кез келген арифметикалық ішкі жиыны — Борель жиыны. Ақырғы Борель иерархиясы арифметикалық иерархияны қосымша Борель жиындарын қосу арқылы кеңейтеді. Мысалы, Кантор немесе Бэйр кеңістігінің кез келген ішкі жиыны — жиын, яғни санамалы көптеген ашық жиындардың қиылысына тең жиын. Бұған қоса, осы ашық жиындардың әрқайсысы және осы ашық жиындардың Гёдель сандарының тізімі санамалы түрде анықталады. Егер формула бос жиын айнымалысы және бос сан айнымалысы болса, онда жиын — натурал сандар жиыны бойынша өтетін нысан жиындарының қиылысы болып табылады. Мұндай формулаларды барлық жағдайларды бірінен соң бірі қарап тексеруге болады, себебі олардың барлық кванторлары шектелген. Мұндай тексеруге кеткен уақыт олардың аргументтеріне қатысты полиномдық (мысалы, үшін полиномдық); демек, олардың сәйкес шешім есептері E класына жатады ( санының биті бойынша экспоненциалды). Бұл, бастапқы рекурсивті функцияларды пайдалануға рұқсат ететін баламалы анықтамалар үшін енді дұрыс емес, себебі кванторлар енді аргументтердің кез келген бастапқы рекурсивті функциясымен шектеледі. Баламалы анықтамадағы формулалар, шектелген кванторлармен бастапқы рекурсивті функцияларды пайдалануға рұқсат ететін, бастапқы рекурсивті функция түріндегі натурал сандар жиындарына сәйкес келеді. Себебі шектелген кванторды қосу анықтамаға ештеңе қосқан жоқ: кез келген бастапқы рекурсивті үшін , және ; мәндердің рекурсиясы арқылы олардың әрқайсысы бір бастапқы рекурсивті функциямен анықталады.
Натурал сандар жиынтығының арифметикалық иерархиясы
X табиғи сандар жиыны, егер X элементтері φ-ны қанағаттандыратын сандардың дәл жиыны болса, Пеано арифметикасының тілінде (нөл үшін "0", ізбасар функциясы үшін "S", қосу үшін "+", көбейту үшін "×" және теңдік үшін "=" символдары бар бірінші реттік тіл) φ формуласымен анықталады. Яғни, барлық табиғи сандар n үшін, мұндағы сан арифметика тілінде А жиынына сәйкес келеді. Жиын Пеано арифметикасының тіліндегі қандай да бір формуламен анықталса, ол бірінші реттік арифметикада анықталады. Бірінші реттік арифметикада анықталатын табиғи сандардың әрбір X жиынына , , және түрлерінде жіктелімдер беріледі, мұндағы – табиғи сан. Егер X формуламен анықталса, онда X жиынына сыныптама беріледі. Егер X формуламен анықталса, онда X жиынына сыныптама беріледі. Егер X екеуі де болса, онда қосымша сыныптама беріледі. Формулалар туралы айтудың сирек мағынасы бар екенін ескеріңіз; формуланың бірінші кванторы экзистенциалдық немесе әмбебап болады. Сондықтан, жиын міндетті түрде екі де, және формуламен анықталмайды; керісінше, жиынды анықтайтын екі де, және формулалар бар. Мысалы, тақ табиғи сандар жиыны немесе арқылы анықталады. Табиғи сандар жиынының шекті Картезиандық дәрежелеріндегі арифметикалық иерархияны анықтау үшін параллель анықтама қолданылады. Бір бос айнымалысы бар формулалардың орнына, k бос бірінші реттік айнымалысы бар формулалар k табиғи санның топтамалары үшін арифметикалық иерархияны анықтау үшін қолданылады. Бұл, шындығында, жұптастыру функциясын қолдану арқылы байланысты.
where is the numeral in the language of arithmetic corresponding to A set is definable in first order arithmetic if it is defined by some formula in the language of Peano arithmetic. Each set X of natural numbers that is definable in first order arithmetic is assigned classifications of the form , , and , where is a natural number, as follows. If X is definable by a formula then X is assigned the classification If X is definable by a formula then X is assigned the classification If X is both and then is assigned the additional classification
Note that it rarely makes sense to speak of formulas; the first quantifier of a formula is either existential or universal. So a set is not necessarily defined by a formula in the sense of a formula that is both and ; rather, there are both and formulas that define the set. For example, the set of odd natural numbers is definable by either or
A parallel definition is used to define the arithmetical hierarchy on finite Cartesian powers of the set of natural numbers. Instead of formulas with one free variable, formulas with k free first order variables are used to define the arithmetical hierarchy on sets of k tuples of natural numbers. These are in fact related by the use of a pairing function.
Салыстырмалы арифметикалық иерархиялар
Жинақ X-тің басқа жинақ Y-ға қатысты рекурсивті екенін анықтау үшін, X-ті анықтайтын есептеуге Y жинағын оракул ретінде кеңес беруге рұқсат ету арқылы, біз бұл ұғымды бүкіл арифметикалық иерархияға дейін кеңейте аламыз және X-тің Y-де болуын немесе Y-де анықталуын, тиісінше және деп белгілейміз. Мұны істеу үшін, Y табиғи сандар жиынын бекітіп, Пеано арифметикасының тіліне Y-ге мүшелік туралы предикатты қосыңыз. Содан кейін, егер X осы кеңейтілген тілдегі формуламен анықталса, онда X деп айтамыз. Басқаша айтқанда, X – егер ол Y-ге мүшелік туралы сұрақтар қоюға рұқсат етілген формуламен анықталса. Сонымен қатар, жинақтарын Y-де рекурсивті жинақтардан бастап, осы жинақтардың одақтары мен қиылыстарын кезектесіп n ретке дейін алып құрастырылатын жинақтар ретінде қарастыруға болады. Мысалы, Y – табиғи сандар жиыны болсын. X – Y жинағының элементіне бөлінетін сандар жиыны болсын. Онда X формуламен анықталады, сондықтан X жинағында болады (әрине, ол жинағында да болады, себебі екі кванторды да n-мен шектеуге болады).
Кантор және Бейр кеңістігінің субжиындарының арифметикалық иерархиясы
Кантор кеңістігі, белгіленіп , — 0 және 1 сандарының барлық шексіз тізбектерінің жиыны; Байр кеңістігі, белгіленіп немесе , — натурал сандардың барлық шексіз тізбектерінің жиыны. Кантор кеңістігінің элементтерін натурал сандар жиындарымен, ал Байр кеңістігінің элементтерін натурал сандардан натурал сандарға дейінгі функциялармен сәйкестендіруге болады. Екінші реттік арифметиканың стандартты аксиоматизациясы жиынтық негізделген тілді қолданады, онда жиынтық кванторларын Кантор кеңістігіндегі кванторлар ретінде қарастыруға болады. Кантор кеңістігінің ішкі жиынына егер ол формуласымен анықталса, жіктеме беріледі. Жиынға егер ол формуласымен анықталса, жіктеме беріледі. Егер жиын екеуіне де жатса, онда оған қосымша жіктеме беріледі. Мысалы, барлық 0 емес шексіз екілік тізбектердің жиыны болсын (немесе, эквивалентті, натурал сандардың бос емес жиындарының жиыны). дегеніміз, ол формуласымен анықталады, сондықтан ол жиыны болып табылады. Кантор кеңістігінің элементтері (натурал сандар жиындары ретінде қарастырылғанда) және Кантор кеңістігінің ішкі жиындары арифметикалық иерархияда жіктеледі, бірақ бұл бір иерархия емес. Шындығында, екі иерархия арасындағы байланыс қызықты және тривиальды емес. Мысалы, Кантор кеңістігінің элементтері (жалпы жағдайда) Кантор кеңістігінің элементтерімен сәйкес келмейді, сондықтан ол Кантор кеңістігінің ішкі жиыны болып табылады. Дегенмен, көптеген маңызды нәтижелер екі иерархияны байланыстырады. Байр кеңістігінің ішкі жиынын арифметикалық иерархияда жіктеудің екі жолы бар. Байр кеңістігінің ішкі жиынына карта арқылы әрбір функцияны оның графигінің сипаттамалық функциясына айналдыратын Кантор кеңістігінде сәйкес ішкі жиын сәйкес келеді. Байр кеңістігінің ішкі жиынына , , немесе жіктемесі беріледі, егер және тек қана Кантор кеңістігінің сәйкес ішкі жиынына бірдей жіктеме берілсе. Байр кеңістігіндегі арифметикалық иерархияның эквивалентті анықтамасы екінші реттік арифметиканың функционалдық нұсқасын қолдана отырып, формулалардың арифметикалық иерархиясын анықтау арқылы беріледі; содан кейін Кантор кеңістігінің ішкі жиындары үшін арифметикалық иерархия Байр кеңістігіндегі иерархиядан анықталады. Бұл баламалы анықтама бірінші анықтамамен бірдей жіктемелерді береді. Бірнеше еркін айнымалылары бар формулаларды қолдана отырып, Байр кеңістігінің немесе Кантор кеңістігінің шекті декартылық дәрежелері үшін арифметикалық иерархияны анықтау үшін параллель анықтама қолданылады. Арифметикалық иерархия кез келген тиімді поляк кеңістігінде анықталуы мүмкін; анықтамасы әсіресе Кантор кеңістігі мен Байр кеңістігі үшін қарапайым, өйткені олар стандартты екінші реттік арифметика тіліне сәйкес келеді. Кантор және Байр кеңістіктерінің ішкі жиындарының арифметикалық иерархиясын натурал сандардың кейбір жиынына қатысты да анықтауға болады. Шындығында, қалың әріптер — Y натурал сандар жиынының барлық жиындарының бірігуі. Қалың әріпті иерархия — Борель жиындарының стандартты иерархиясы.
Қасиеттері
Келесі қасиеттер табиғи сандар жиындарының арифметикалық иерархиясы мен Кантор немесе Байр кеңістігінің кіші жиындарының арифметикалық иерархиясы үшін сақталады. және жиындары өз элементтерінің шекті біріктірулері мен шекті қиылыстары бойынша жабық. Жиын -ға тең, тек және ғана оның толықтығы -ға тең болса. Жиын -ға тең, тек және ғана ол бірдей және -ға тең болса, онда оның толықтығы да -ға тең болады. және кіріктірулері барлығы үшін де сақталады. Осылайша, иерархия құламайды. Бұл Пост теоремасының тікелей салдары. кіріктірулері сақталады. Мысалы, универсалды Тьюринг машинасы T үшін, T n-де тоқтайды, бірақ m-де тоқтамайтын (n,m) жұптары жиыны -да болады (тоқтату мәселесіне оракулмен есептелетін болса да), бірақ -да болмайды. Бұл мақалада берілген анықтама бойынша кіріктіру қатаң, бірақ жоғарыда берілген анықтаманың бір түрі бойынша теңдік сақталады.
Есептелетін жиынтықтар
Егер S Тьюрингтік есептелетін жиын болса, онда S және оның толықтығы рекурсивті түрде санауға болады (егер T машинасы S жиынына жататын кіріс үшін 1, ал басқа жағдайда 0 берсе, онда біз тек алғашқысында ғана тоқтайтын Тьюринг машинасы мен екіншісінде ғана тоқтайтын тағы бір Тьюринг машинасы құра аламыз). Пост теоремасы бойынша, S және оның толықтығы да рекурсивті түрде санауға болады. Демек, S жиыны да, оның толықтығы да рекурсивті түрде санауға болады, сондықтан ол есептелуге болады. Сол сияқты, жиынындағы әрбір S жиыны үшін, S және оның толықтығы да рекурсивті түрде санауға болады, және демек (Пост теоремасы бойынша) T1 және T2 Тьюринг машиналарымен рекурсивті түрде санауға болады. Кез келген n саны үшін осы екі машинаның біреуі ғана тоқтайды. Сондықтан біз T1 және T2 арасында кезектесіп, біріншісі тоқтағанда 1-ді қайтаратын, ал екіншісі тоқтағанда 0-ді қайтаратын Тьюринг машинасы T құра аламыз. Осылайша, T машинасы кез келген n саны үшін тоқтайды және n саны S жиынына жата ма, жоқ па, соны анықтайды; демек, S есептелуге болады.
Similarly, for every set S in , both S and its complement are in and are therefore (by Post's theorem) recursively enumerable by some Turing machines T1 and T2, respectively. For every number n, exactly one of these halts. We may therefore construct a Turing machine T that alternates between T1 and T2, halting and returning 1 when the former halts or halting and returning 0 when the latter halts. Thus T halts on every n and returns whether it is in S; so S is computable.
Негізгі нәтижелердің жиынтығы
Тьюринг есептелетін табиғи сандар жиыны – арифметикалық иерархия деңгейіндегі жиындармен сәйкес келеді. Рекурсивті түрде саналатын жиындар дәл сол деңгейдегі жиындар болып табылады. Ешқандай оракул машинасы өзінің тоқтау мәселесін шеше алмайды (Тьюрингтің дәлелінің вариациясы қолданылады). Оракул үшін тоқтау мәселесі, шындығында, жатады. Пост теоремасы табиғи сандар жиынының арифметикалық иерархиясы мен Тьюринг дәрежелері арасындағы тығыз байланысты белгілейді. Атап айтқанда, ол барлық n ≥ 1 үшін келесі фактілерді анықтайды: Жинақ (бос жиынның n-ші Тьюринг секіруі) -де көп-бірлікке толық. Жинақ -де көп-бірлікке толық. Жинақ -те Тьюринг толық. Көптамалық иерархия – арифметикалық иерархияның «жұмыс істеуге болатын, ресурстармен шектелген» нұсқасы болып табылады, онда қатысатын сандардың көптамалық ұзындығына (немесе, эквивалентті түрде, қатысатын Тьюринг машиналарының көптамалық уақытына) шектеулер қойылады. Ол арифметикалық иерархия деңгейіндегі кейбір табиғи сандар жиындарының нақтырақ жіктелуін ұсынады.
No oracle machine is capable of solving its own halting problem (a variation of Turing's proof applies). The halting problem for a oracle in fact sits in
Post's theorem establishes a close connection between the arithmetical hierarchy of sets of natural numbers and the Turing degrees. In particular, it establishes the following facts for all n ≥ 1:
The set (the nth Turing jump of the empty set) is many one complete in The set is many one complete in The set is Turing complete in
The polynomial hierarchy is a "feasible resource bounded" version of the arithmetical hierarchy in which polynomial length bounds are placed on the numbers involved (or, equivalently, polynomial time bounds are placed on the Turing machines involved). It gives a finer classification of some sets of natural numbers that are at level of the arithmetical hierarchy.