Кіріспе

Пресбургер арифметикасы — 1929 жылы оны енгізген Мойзеш Пресбургердің құрметіне аталған, қосылумен табиғи сандардың бірінші реттік теориясы. Пресбургер арифметикасының сигнатурасында тек қосылу және теңдік операциялары бар, көбейту операциясы мүлдем жоқ. Теория есептеу арқылы аксиомаланады; аксиомалар индукция схемасын қамтиды. Пресбургер арифметикасы Пеано арифметикасынан әлдеқайда әлсіз, ол қосылу және көбейту операцияларын қамтиды. Пеано арифметикасынан айырмашылығы, Пресбургер арифметикасы — шешімді теория. Бұл, Пресбургер арифметикасы тіліндегі кез келген тұжырым үшін, сол тұжырымның Пресбургер арифметикасының аксиомаларынан дәлелдене алатынын немесе дәлелдене алмайтынын алгоритмдік түрде анықтауға болады дегенді білдіреді. Алайда, осы алгоритмнің асимптотикалық орындалу уақытының есептеу күрделілігі кем дегенде екі рет экспоненциалды болып табылады, көрсетілгендей .

Есептеу күрделілігі

Пресбургер арифметикасының шешім проблемасы есептеу күрделілігі теориясы мен есептеудің қызықты мысалы болып табылады. n – Пресбургер арифметикасындағы бір утверждениенің ұзындығы болсын. Содан кейін, ең нашар жағдайда, бірінші реттік логикадағы утверждениенің дәлелінің ұзындығы кем дегенде , кейбір тұрақты c>0 үшін екенін дәлелдеді. Сондықтан, Пресбургер арифметикасы үшін жасалған шешім алгоритмінің жұмыс істеу уақыты кем дегенде экспоненциалды болады. Фишер мен Рабин кез келген ақылға қонымды аксиоматизация үшін (олардың мақалаларында нақты анықталған), ұзындығы n болатын, бірақ екі рет экспоненциалды ұзындығы бар дәлелдері бар теоремалар бар екенін дәлелдеді. Бұл интуитивті түрде компьютерлік бағдарламалармен дәлелдеуге болатын нәрселердің есептеу шектері бар екенін көрсетеді. Фишер мен Рабиннің жұмысы сондай-ақ Пресбургер арифметикасын кез келген алгоритмді дұрыс есептейтін формулаларды анықтау үшін пайдалануға болатынын көрсетеді, егер кіріс салыстырмалы түрде үлкен шекаралардан кем болса. Шекараларды ұлғайтуға болады, бірақ жаңа формулаларды қолдану арқылы ғана. Басқа жағынан, Пресбургер арифметикасы үшін шешім қабылдау процедурасының үш рет экспоненциалды жоғарғы шегі дәлелденді. Күрделілік шегі ауыспалы күрделілік сыныптарын қолдану арқылы көрсетілді. Пресбургер арифметикасындағы (PA) шын мәлімдемелер жиыны TimeAlternations үшін толық болып табылады. Осылайша, оның күрделілігі екі рет экспоненциалдық емес детерминистік уақыт (2NEXP) және екі рет экспоненциалдық кеңістік (2EXPSPACE) арасында жатыр. Толықтығы полиномиалдық уақыт бойынша көптен бірге азайту арқылы анықталады. (Сонымен қатар, Пресбургер арифметикасы әдетте PA деп қысқартылса, жалпы математикада PA әдетте Пеано арифметикасын білдіреді.) Нақтырақ нәтиже алу үшін, PA(i) – шын Σi PA мәлімдемелер жиыны, ал PA(i, j) – әрбір квантор блогы j айнымалымен шектелген шын Σi PA мәлімдемелер жиыны болсын. '<' кванторсыз қарастырылады; мұнда шектелген кванторлар кванторлар ретінде есептеледі. PA(1, j) P класында, ал PA(1) NP-толық. i > 0 және j > 2 үшін PA(i + 1, j) ΣiP-толық. Соңғы квантор блогындағы қажеттілік j > 2 (j = 1 емес) болады. i > 0 үшін PA(i + 1) ΣiEXP-толық. Ұзындығы шектеулі Пресбургер арифметикасы толық (осылайша NP-толық). Мұнда "шектеулі" сөйлемнің шектелген (яғни ) өлшемді болуын қажет етеді, бірақ бүтін сан тұрақтылары шектелмейді (бірақ олардың екілік биттерінің саны кіріс өлшеміне қосылады). Сонымен қатар, екі айнымалы PA (шектеулі болмаса) NP-толық. Ұзындығы шектеулі (осылайша) PA P класында, және бұл тұрақты өлшемді параметрлік бүтін санды сызықтық бағдарламалауға дейін кеңейтіледі.

Қолданбалар

Пресбургер арифметикасы шешімді болғандықтан, Пресбургер арифметикасы үшін автоматты теорема дәлелдеушілер бар. Мысалы, Coq дәлелдеу көмекші жүйесінде Пресбургер арифметикасы бойынша omega тактикасы бар, ал Isabelle дәлелдеу көмекшісінде кванторларды жою процедурасы бар. Теорияның қос экспоненциалдық күрделілігі теорема дәлелдеушілерді күрделі формулаларда қолдануды қиын жасайды, бірақ бұл жағдай тек ішкі кванторлар болғанда ғана орын алады: ішкі кванторларсыз кеңейтілген Пресбургер арифметикасының кейбір мысалдарындағы формулаларды дәлелдеу үшін симплекс алгоритмін қолданатын автоматты теорема дәлелдеушіні сипаттаңыз. Жақындағы қанағаттандыру модулі теориясы шешушілері Пресбургер арифметикасы теориясының кванторсыз фрагментін өңдеу үшін толық санмен бағдарламалау техникаларын қолданады. Пресбургер арифметикасын тұрақтыларға көбейтуді қосу арқылы кеңейтуге болады, себебі көбейту – қайталанған қосу. Көптеген массивтік индекс есептеулері шешілетін проблемалар аймағына кіреді. Бұл тәсіл компьютерлік бағдарламалардың дұрыстығын дәлелдейтін кем дегенде бес жүйенің негізі болып табылады, 1970-ші жылдардың соңындағы Стэнфорд Паскаль тексерушісінен бастап, 2005 жылғы Microsoft Spec# жүйесіне дейін жалғасады.

Пресбургермен анықталатын бүтін сандар қатынасы

Қазір Пресбургер арифметикасында анықталатын бүтін сандық қатынастар туралы кейбір қасиеттер келтіріледі. Айтарлықтай жеңілдік үшін, осы бөлімде қарастырылатын барлық қатынастар теріс емес бүтін сандармен байланысты. Қатынас Пресбургермен анықтамалы егер және тек қана ол жартылай сызықты жиын болса. Бірлік бүтін сандық қатынас, яғни теріс емес бүтін сандар жиыны, Пресбургермен анықтамалы егер және тек қана ол ақырында мерзімді болса. Яғни, белгілі бір шектен кейін және оң мерзімділік периоды бар болса, барлық бүтін сандар үшін , егер және тек қана егер . Кобхам-Семенов теоремасына сәйкес, қатынас Пресбургермен анықтамалы егер және тек қана ол Бюхи арифметикасында негізінде анықталса. Бюхи арифметикасында негізінде анықталған және , және көбейтіндісі тәуелсіз бүтін сандар үшін анықталған қатынас Пресбургермен анықтамалы. Бүтін сандық қатынас Пресбургермен анықтамалы егер және тек қана егер қосылу және (яғни, Пресбургер арифметикасы плюс үшін предикат) арқылы бірінші реттік логикада анықталатын бүтін сандар жиындары Пресбургермен анықтамалы болса. Балама ретінде, Пресбургермен анықтамалы емес әрбір қатынас үшін, қосылуды қолдана отырып анықтауға болмайтын бүтін сандар жиынын анықтайтын қосылу арқылы бірінші реттік формула бар.