001 上一章注释[001]

    【写在8月25日20:53，发布后发现上下标给我全滤了，我调整一下，过会儿再看】

    硬核程度：☆☆☆☆☆

    涉及领域：计算理论

    大标题：三种函数外加三种cao作怎样解决所有可计算问题？为什么偏递归函数可以制造无限循环？

    可能是全网最不报菜名、最不装比的解释。

    以下开始：

    首先，什么是可计算？

    可计算就是指，有一个算法，我们把它交付给计算机后，计算机可以像执行一个函数一样，接受我们给它的输入，然后返回输出，这个输出就是我们想要的答案。

    为了方便描述，先行约定一下数学符号。

    假设我们有一个乘法器，叫做mult，它可以接受一对整数作为输入，把它们相乘后输出一个整数。

    比如，输入(3，4)输出12

    输入(6，2)输出12

    输入(0，6)输出0

    这时，我们把这些输入数对叫做domain，输出的一个数叫做codomain。如果我们用Z来代表全体整数集，那么这个平平无奇的乘法器就可以用数学符号表示为：

    mult:Z^2→Z

    中间的这个→表示这个mult是一个totalfunction，也许可以称作“全函数”吧，意思是每一个domain里的输入，都能对应一个codomain里的输出。

    与全函数相对应的是，是“偏函数”。对于偏函数，对于有些输入，它并不能给出输出。比如一个除法器，当我们给它(6，0)时，它输出不了任何东西。这个除法器可以表示为：

    div:Z^2—Z

    这里的单横线代表这是一个偏函数（其实应该用半箭头表示，但在这里打不出来）

    好了，定义好符号之后，就可以清爽地描述我们的三种基本函数：后继函数、零函数、投影函数。

    后继函数：succ:N→N，succ(x)=x 1，N代表自然数集。我们给它2，它输出3；给它3它输出4。总之就是往上 1.

    零函数：zero:Nn→N，zero()=0。不管给它什么，它都输出0.

    投影函数：projn:Nn→N，projin(x1，...，xn)=xi。它接受长度为n的输入，输出第i个自然数。比如，proj22(1，3)=3。

    好了，盖大楼的砖块一共就这么三种，接下来把它们组合在一起就行了。

    我们定义一个叫“组合”的函数f，它的功能是把n个函数组合在一起：

    f:Nn—N

    具体的，如果每一个被组合的函数g都可以接受同一组参数(x1，...，xm)，那么组合n个g函数的cao作可以被表示为：

    f·[g1，...，gn]:Nm—N

    展开为：

    f·[g1，...，gn](x1，...，xm)=f(g1(x1，...，xm)，...，gn(x1，...，xm))

    举个栗子：

    我们构造一个函数one，one(x)=1，即：不论给它什么输入，它都输出为1，那么：

    one(x)=succ(0)=succ(zero(x))

    即：succ·[zero]=one

    验证一下：

    succ·[zero](x)=succ(zero(x))=succ(0)=1

    succ和zero两个基本函数组成了我们要的one，完美。

    如果栗子再复杂一点，我们想要一个加法器add，add(x，y)=x y，怎么用那三种基本函数组合？

    也很简单，从具体输入入手：

    add(3，2)=succ(add(3，1))=succ(succ(add(3，0)))=succ(succ(3))

    似乎只需要组合多个后继函数就可以了呢。

    当然，这里面有一个毛病，在于我们在没有定义好add的前提下，先入为主地认为add(3，0)=3.

    所以我们不能认为自己就这么简单地构造了add，只能退而求其次地得到以下关系：

    add(x，y 1)=succ(add(x，y))，这个式子是十分严谨的。

    更具体地，要想算出add(x，y 1)，就要知道add(x，0)=x，我们称add(x，0)=x为基准条件；add(x，y 1)=succ(add(x，y))为递归条件。

    看起来就差临门一脚了，只要我们能用三种基本函数构造出add(x，0)=x，就能得到add(x，y 1)，也就能构造出我们想要的加法器。

    也很显然，add(x，0)=x=proj11

    于是，我们的加法器有了。

    这种看起来很像左脚踩右脚登天的构造方式叫做“原始递归”，它的定义是这样的：

    基准函数f:Nn—N

    递归函数g:Nn 2—N

    使用f和g的原始递归h=ρn(f，g):Nn 1—N

    对于h:

    基准条件：h(x1，...xn，0)=f(x1，...，xn)

    递归条件:h(x1，...，xn，y 1)=g(x1，...，xn，y，h(x1，...，xn，y))

    回到我们的加法器add：

    add:N2→N

    add(x，y)=x y=ρ1(f，g)

    基准条件：add(x，0)=f(x)=proj11

    递归条件：add(x，y 1)=g(x，y，add(x，y))=succ(add(x，y))，g=succ·[proj33]

    add=ρ1(proj11，succ·[proj33]）

    完美无瑕。

    类似地，乘法器mult=ρ1(zero，add·[proj13，proj33])

    前继函数，减法器等等基本运算都可以据此定义，只需要proj，zero，succ三种原始函数和组合·，原始递归ρ这两种基本cao作。所有完全函数都可以据此构造。

    那么“偏函数”呢？

    构造偏函数还需要额外的一个cao作：最小化。

    如果我们有一个函数f:N^n 1—N(这里^代表上标，虽然不好看，但实在是敲得太麻烦没有耐心了)，具体的f(a1，...an，x)，其中a1，...an是固定参数，x是可变参数。

    那么最小化cao作为：μ^nf:N^n—N它会找到给它输入的n个参数里，最小的一个，并输出

    比如f(5，4，3，2，1，0)=0

    如果遇到重复参数，那么就输出第一个最小的。

    比如f(5，4，3，2，1，1)=1

    假设我们有一个投影函数长这样：

    proj21:N2—N(proj21中的2是上标，1是下标，下同，写不动摆烂了)

    那么μ^1proj21:N—N

    举个栗子：

    假如我们给proj21弄一个最小化cao作：μ^1proj21(1)，其中1是固定参数。

    如果我们穷举一下可变参数，就会发现：

    proj21(1，0)=1

    proj21(1，1)=1

    我们永远也拿不到0，也就不存在最小化。也就是说，对于μ^1proj21而言，并不是每一个输入都对应一个输出，所以应用最小化cao作，我们成功地构建了一个偏函数。

    加减乘三种cao作都在上文构建过了，现在就只剩下一个除了。除法div需要用最小化cao作来构建。

    假设，我们收到两参数a和b，想求a/b，那么其中存在如下关系：

    a=q×b r，其中0≤r＜b

    我们想要的就是满足式子q×b≤a的最大的q，这等同于满足(q 1)×b＞a，于是带余除法被转化为了一个最小化问题：

    找到最小的q使其满足(q 1)×b＞a

    也就是构造一个函数f:N^3—N

    f(a，b，q)=1如果(q 1)b≤a，=0如果(q 1)b＞a

    f(a，b，q)=lessthanequal(mult(succ(q)，b)，a)

    f=lessthaneual·[mult·[succ·[proj33]，proj32]，proj31]

    其中lessthanequal=iszero·sub

    iszero=sub·[succ·zero，proj11]

    sub是减法器

    对f进行最小化cao作即可得到我们想要的结果。

    验证一下：

    f(8，5，0)=lessthanequal(mult(1，5)，8)=1不等于0，所以0不是输出。

    f(8，5，1)=lessthanequal(mult(1，5)，8)=0，最小，所以1是输出。

    div(8，5)=8//5=1没错，十分完美。

    如果我们想计算一下8//0:

    f(8，0，0)=lessthanequal(mult(1，0)，8)=1不等于0，所以0不是输出。

    f(8，0，1)=lessthanequal(mult(2，0)，8)=1不等于0，所以0不是输出。

    无论我们给f(8，0，x)传入什么x，都找不到最小的x，所以div(8，0)=8//0无解，符合现实。

    如果把最小化cao作运用在原始递归函数上，得到的新函数就叫做偏递归函数。

    好了，现在加减乘除我们都有了，只要是可计算的算法，我们都能执行。

    至于无限循环怎么制造出来，从μ^1proj21(1)和div的栗子都可以看出来，如果最小化cao作找不到最小值，就永远不会给出输出，这相当于while语句的功能。

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