Книга: Новый ум короля: О компьютерах, мышлении и законах физики

Некоторые примеры нерекурсивной математики

Некоторые примеры нерекурсивной математики

Существует немало областей математики, где возникают проблемы нерекурсивного характера. Это означает, что мы можем сталкиваться с задачами, ответ к которым в каждом случае либо «да», либо «нет», но определить, какой из них верен, — нельзя из-за отсутствия соответствующего общего алгоритма. Некоторые из этих классов задач выглядят на удивление просто.

Например, рассмотрим задачу об отыскании целочисленных решений системы алгебраических уравнений с целыми коэффициентами. Эти уравнения известны под именем диофантовых (в честь греческого математика Диофанта, который жил в третьем веке до нашей эры и изучал уравнения такого типа). Подобные уравнения выглядят, например, как

z³- y — 1 = 0,

yz² — 2x — 2 = 0,

у² — 2xz + z + 2 = 0,

и задача состоит в том, чтобы определить, могут ли они быть решены в целых x, y, z. Оказывается, что в этом конкретном случае существует тройка целых чисел, дающая решение этой системы:

х = 13, у = 7, 2 = 2.

Но для произвольной системы диофантовых уравнений никакого алгоритма не существует[87]. Арифметика Диофанта, несмотря на простоту входящих в нее выражений, является частью неалгоритмической математики!

(Несколько менее тривиальным является пример топологической эквивалентности многообразий. Я упоминаю об этом только вкратце, ибо в главе 8 будут рассматриваться вопросы, имеющие к данному определенное отношение. Чтобы понять, что такое «многообразие», представьте для начала петлю, которая является многообразием в одном измерении; затем представьте замкнутую поверхность — многообразие в двух измерениях. Далее попробуйте представить некую «поверхность», имеющую три и более измерений. «Топологическая эквивалентность» двух многообразий означает, что одно из них может быть деформировано в другое путем непрерывных преобразований — без разрывов и склеек. Так, сфера и поверхность куба являются топологически эквивалентными, хотя они не эквивалентны поверхности кольца или чашки с ручкой — хотя последние топологически эквивалентны друг другу. При этом для двумерных многообразий существует алгоритм, позволяющий определить, эквивалентны ли произвольные два многообразия друг другу или нет — в сущности, заключающийся в подсчете «ручек», которые имеет каждая из поверхностей. Для случая трех измерений вопрос о существовании такого алгоритма на момент написания книги остается без ответа; однако для четырех и более измерений уже известно, что такого алгоритма быть не может. Возможно, четырехмерный случай имеет некое отношение к физике, поскольку согласно теории общей относительности Эйнштейна пространство и время совместно образуют четырехмерное многообразие (см. главу 5, «Специальная теория относительности Эйнштейна и Пуанкаре»). Герох и Хартли в 1986 году высказали предположение о том, что свойство неалгоритмичности может иметь отношение к «квантовой гравитации» (см. также главу 8).)

Давайте теперь рассмотрим иной тип задач, называемых задачами со словами[88]. Допустим, у нас есть некий алфавит символов, и мы рассматриваем различные строки этих символов, трактуя их как слова. Слова могут сами по себе не иметь никакого значения, но мы должны иметь некоторый (конечный) список «равенств» между ними, которые мы сможем использовать для дальнейшего построения таких «равенств». Это делается путем подстановки слов из исходного списка в другие (как правило, более длинные) слова, которые содержат их в виде составных частей. Каждая такая часть может быть заменена на равную ей в соответствии с используемым списком. Тогда для любой данной пары слов мы должны решить задачу об их равенстве согласно этим правилам.

В качестве примера мы можем взять для нашего исходного списка, скажем, такие равенства:

EAT = АТ

АТЕ = А

LATER = LOW

PAN = PILLOW

CARP = ME.

Отсюда мы можем, например, вывести

LAP = LEAP,

используя последовательные замены из второго, первого и снова второго соотношения из нашего исходного листа:

LAP = LATEP = LEATEP = LEAP.

Проблема теперь заключается в том, чтобы выяснить, сможем ли мы для любой наперед заданной пары слов осуществить вышеописанным образом переход от одного из них к другому? Можем мы перейти от CATERPILLAR к MAN, или, скажем, от CARPET — к MEAT? Ответ в первом случае оказывается утвердительным, тогда как во втором — отрицательным. Когда ответ утвердителен, стандартный путь показать его справедливость заключается в построении цепочки равенств, где каждое из слов получается из предыдущего с учетом допустимых соотношений. Итак, имеем (обозначая буквы, назначенные к замене, жирным шрифтом, а только что измененные — курсивом):

Как мы можем утверждать, что посредством разрешенных подстановок невозможно получить MEAT из CARPET? Для демонстрации этого факта придется подумать чуть больше, однако показать это не так уж сложно, причем множеством разных способов. Простейшим представляется следующий: в каждом «равенстве» из нашего списка число букв А плюс число букв W плюс число букв М с каждой стороны одинаково. Значит, общая сумма указанных букв не может меняться в процессе преобразования по допустимым нашим списком правилам. Однако, для CARPET эта сумма равна 1, а для MEAT — 2. Следовательно, не существует способа получить из первого слова второе при помощи вышеприведенного списка равенств.

Заметьте, что когда два слова «равны», мы можем показать это, просто приведя допустимую формальную строчку символов, построенную с помощью заданных нами правил; тогда как в случае их «неравенства» мы должны прибегать к рассуждениям об этих самых правилах. Существует четкий алгоритм, который мы можем использовать для установления «равенства» между двумя словами в том случае, когда они действительно «равны». Все, что нам требуется, это составить лексикографический перечень всех возможных последовательностей слов, и потом вычеркнуть из этого списка любую строчку, где имеется пара слов, в которой последующее нельзя получить из предыдущего при помощи какого бы то ни было правила из исходного списка. Оставшиеся последовательности дадут нам набор всех искомых «равенств» между словами. Однако, в общем случае нет такого явного алгоритма для случая, когда два слова «неравны», и нам, возможно, пришлось бы применить «интеллект» для установления этого факта. (Конечно же, мне потребовалось некоторое время, прежде чем я заметил описанный выше «трюк», при помощи которого доказал, что CARPET и MEAT «неравны». А для другого примера «трюк» мог бы понадобиться совершенно иной. Кстати, интеллект помогает — хотя и не обязательно — и в случае, когда необходимо установить существование некоторого «равенства».)

В действительности, для нашего конкретного списка из пяти «равенств», которые составляют исходный список в рассмотренном выше примере, привести алгоритм, устанавливающий «неравенство» в случае, когда два слова и вправду «неравны» — не так уж сложно. Однако, чтобы отыскать алгоритм в этом случае, потребовалась изрядная работа интеллекта! И, конечно, оказывается, что не существует единого универсального алгоритма для всех возможных вариантов исходного списка. Общая задача со словами принадлежит области нерекурсивной математики!

Существуют даже определенные варианты выбора исходного списка, для которых нет алгоритма решения задачи сравнения двух слов. Один из них дается таким набором:

АН = НА

ОН = НО

АТ = ТА

ОТ = ТО

TAI = IT

HOI = IH

THAT = ITHT.

(Этот список взят из списка, предложенного Григорием Цейтиным и Даной Скотт в 1955 году (см. Гарднер [1958]).) Таким образом, эта частная задача со словами служит примером нерекурсивной математики в том смысле, что, используя такой исходный список, мы не можем алгоритмическим путем решить, «равны» два наперед заданных слова или нет.

Общая задача со словами возникает как следствие рассмотрения формализованной математической логики («формальных систем» и т. п., в соответствии с обсуждаемым ранее). Исходный список выполняет роль системы аксиом, а правила замены слов — правил вывода. Доказательство нерекурсивности задачи со словами вытекает из подобных рассуждений.

В качестве последнего примера задачи из области нерекурсивной математики давайте рассмотрим вопрос о покрытии Евклидовой плоскости многоугольниками, разнообразие форм которых ограничено, а сам вопрос при этом ставится так: можем ли мы выложить всю плоскость полностью, без разрывов и нахлестов, используя фигуры только данных нам форм? Такая укладка фигур называется замощением плоскости. Мы знаем, что такое замощение возможно при помощи только квадратов, только равнобедренных треугольников или только правильными шестиугольниками (как изображено на рис. 10.2 гл. 10 «Плиточные» структуры и квазикристалы»), но невозможно, если использовать только правильные пятиугольники. Многими иными фигурами, такими, как два неправильных пятиугольника на рис. 4.6, также можно выложить плоскость.

Замощение фигурами двух форм может стать более хитроумной задачей. Два простых примера даны на рис. 4.7.

Все эти замощения являются периодическими; это означает, что они в точности повторяются по всей плоскости в двух независимых направлениях. На языке математики мы бы сказали, что существует параллелограмм периодов — параллелограмм, который, будучи неким образом выделен и затем повторен снова и снова в двух направлениях, параллельных его сторонам, даст в результате заданный узор покрытия. На рис. 4.8. представлен пример, где периодическое покрытие слева состоит из «плиток» в форме шипов, а справа указан соответствующий параллелограмм периодов.

С другой стороны, существует множество типов замощений плоскости, которые не являются периодическими.

Рис. 4.9 изображает три непериодических «спиральных» замощения из таких же шиповидных «плиток», как и на рис. 4.8.

Эта форма «плиток», известная как «универсальная» (по вполне понятным причинам!), была предложена Б. Грюнбаумом и Дж. К. Шепардом [1981, 1987] на основании форм, изученных X. Фодербергом. Обратите внимание, что универсальная форма позволяет замостить плоскость как периодически, так и непериодически. Это свойство характерно и для многих других форм единичных «плиток» и наборов «плиток». А могут ли существовать «плитки» (или конечные наборы «плиток»), которые бы покрывали плоскость только непериодически? Ответ на этот вопрос будет «да». На рис. 4.10 я изобразил сконструированный американским математиком Рафаэлем Робинсоном набор из фигур шести различных форм, которым можно замостить всю плоскость, но только непериодическим образом.

Небесполезно было бы сделать историческое отступление и посмотреть, как появился это непериодический набор (см. Грюнбаум, Шепард [1987]). В 1961 году американский логик китайского происхождения Хао Ванг поставил вопрос о существовании процедуры для решения задачи замощения, или, иными словами, о нахождении алгоритма, который позволил бы выяснить возможность замощения всей плоскости с помощью конечного набора многоугольников различной формы![89] Ему удалось показать, что такая процедура могла бы существовать, если бы получилось доказать следующую гипотезу: любой конечный набор разных «плиток», с помощью которого можно каким-нибудь способом выполнить замощение плоскости, пригоден также и для ее периодического замощения. Мне думается, в то время интуитивно казалось, что не может существовать набор «плиток», нарушающий это условие (т. е. не может существовать «непериодический» набор плиток). Однако в 1966 году, следуя в указанном Хао Вангом направлении, Роберт Бергер смог показать, что, на самом деле, процедуры решения задачи покрытия не существует: эта задача также принадлежит области нерекурсивной математики![90]

С учетом доказанного Хао Вангом это означало, что хотя бы один непериодический набор «плиток» должен существовать; и Бергер смог построить первый такой набор. Однако, из-за сложности выбранного им способа рассуждений, его набор состоял из ненормально большого числа «плиток» разной формы — изначально их насчитывалось 20 426. Использовав некоторый дополнительный искусный прием, Бергеру удалось сократить это число до 104. А в 1971 году Рафаэль Робинсон довел его до шести, которые изображены на рис. 4.10 выше.

Другой непериодический набор из шести «плиток» представлен на рис. 4.11. Это множество я придумал сам в 1973 году, следуя в своих рассуждениях несколько отличным путем. (Я вернусь к этой теме в главе 10 «Плиточные структуры и квазикристаллы», где на рис. 10.3, изображен массив, покрытый такими «плитками».)

После того, как, я познакомился с «шестиплиточным» набором Робинсона, я начал думать о том, как сократить их число; и путем различных манипуляций с разрезаниями и склеиванием я, в конечном счете, смог довести количество «плиток» до двух. Две альтернативные схемы представлены на рис. 4.12.

Узоры, которые получаются в результате полного замощения и имеющие с необходимостью непериодическую структуру, обладают рядом замечательных свойств, в том числе — кажущейся невозможной с точки зрения кристаллографии квазипериодической симметрией с осью пятого порядка. К этому вопросу я вернусь позднее.

Вероятно, это покажется удивительным, что такая очевидно «тривиальная» область математики, как замощение плоскости конгруэнтными «плитками», которая выглядит не более серьезно, чем «детская игра», на самом деле является частью нерекурсивной математики. В действительности эта область содержит множество трудных и не решенных пока задач. Пока неизвестно, например, есть ли единственная «плитка» такой формы, которая бы покрывала всю плоскость непериодически.

Задача замощения, в том виде, как она исследовалась Вангом, Бергером и Робинсоном, формулируется для «плиток», построенных на квадратах. Я же здесь допускаю рассмотрение многоугольников произвольной формы, и поэтому необходимо наличие какого-нибудь способа изображения каждой из «плиток», поддающегося адекватному вычислению. Одним из таких путей могло бы быть представление вершин «плиток» точками плоскости Аргана, которые превосходно задаются алгебраическими числами.

Оглавление книги