什么是描述數
編輯描述數是圖靈機理論中出現的數字。它們與哥德爾數非常相似,在文獻中也偶爾被稱為哥德爾數。給定一些通用的圖靈機,每臺圖靈機都可以在該機器上給其編碼,并分配一個數字。這就是機器的描述號。這些數字在阿蘭-圖靈對停止問題的不可判定性的證明中發揮了關鍵作用,在推理圖靈機時也非常有用。
描述數的例子
編輯假設我們有一臺圖靈機M,狀態為q1,...qR,磁帶字母表上有符號s1,...sm,空白處用s0表示,轉換時給出當前狀態、當前符號和執行的動作(可能是覆蓋當前磁帶符號,向左或向右移動磁帶頭,也可能根本不移動),以及下一個狀態。在阿蘭-圖靈描述的原始通用機器下,這臺機器將被編碼為它的輸入,如下所示。狀態qi由字母'D'跟著字母'A'重復i次來編碼(單數編碼),磁帶符號sj由字母'D'跟著字母'C'重復j次來編碼,轉換是通過給出狀態、輸入符號、要寫在磁帶上的符號、移動方向(用字母'L'、'R'或'N'表示,代表左、右或不移動)和要進入的下一個狀態來編碼,狀態和符號的編碼方式同上。因此,UTM的輸入由分號分隔的過渡組成,所以它的輸入字母表由七個符號組成,'D'、'A'、'C'、'L'、'R'、'N'和';'。例如,對于一個非常簡單的圖靈機,它永遠在其磁帶上交替打印0和1。狀態:q1,輸入符號:空白,動作:打印1,向右移動,下一狀態:q2狀態:q2,輸入符號:空白,動作:打印0,向右移動,下一狀態:q1讓空白為s0,'0'為s1,'1'為s2,機器將被UTM編碼為。daddccrdaa;daaddcrda。但是,如果我們將七個符號'A'分別替換為1,'C'替換為2,'D'替換為3,'L'替換為4,'R'替換為5,'N'替換為6,';'替換為7,我們將得到圖靈機的編碼為一個自然數:這就是圖靈通用機器下該圖靈機的描述數。因此,上面描述的簡單圖靈機的描述號是313322531173113325317。對于每一種其他類型的通用圖靈機都有一個類似的過程。通常沒有必要以這種方式實際計算描述號:重點是每個自然數都可以被解釋為最多一個圖靈機的代碼,盡管許多自然數可能不是任何圖靈機的代碼(或者換一種說法,它們代表沒有狀態的圖靈機)。對于任何圖靈機來說,這樣的數字總是存在的,這通常是重要的事情。
應用于不可知性證明
編輯說明數在許多不可知性證明中起著關鍵作用,例如證明停止問題是不可知的。首先,自然數和圖靈機之間的這種直接對應關系的存在表明,所有圖靈機的集合是可數的,由于所有部分函數的集合是不可數的無限的,肯定有許多函數不能被圖靈機計算。通過利用類似于康托爾對角線論證的技術,可以展示這樣的不可計算的函數,例如,特別是停止問題是不可判定的。首先,讓我們用U(e,x)表示通用圖靈機的動作,給定一個描述數e和輸入x,如果e不是有效圖靈機的描述數,則返回0。
現在,假設有一些能夠解決停止問題的算法,即一個圖靈機TEST(e),它給定某個圖靈機的描述號,如果圖靈機在每個輸入上都停止,則返回1;如果有一些輸入會導致它永遠運行,則返回0。通過結合這些機器的輸出,應該可以構建另一個機器δ(k),如果TEST(k)為1,則返回U(k,k)+1,如果TEST(k)為0則返回0。既然δ是由我們假設的圖靈機建立起來的,那么它也必須有一個描述號,稱之為e。因此,我們可以再次將描述號e送入UTM,根據定義,δ(k)=U(e,k),所以δ(e)=U(e,e)。但由于TEST(e)是1,根據我們的另一個定義,δ(e)=U(e,e)+1,導致了矛盾。因此,TEST(e)不可能存在,這樣一來,我們就把停頓問題解決了,因為它是不可解的。
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