Борис Бирюков - Жар холодных числ и пафос бесстрастной логики Страница 31

Итак, математическая часть нами изложена; перейдем к методологическому аспекту разговора. Рассмотрим характер тех действий, которые производятся при вычислении значений рекурсивных функций.

Если исходная функция принадлежит к типу (а), то для любого набора значений ее аргументов ее значением является нуль. Эта функция «аннулирует» любой набор. Операция очень проста, она не требует особой фантазии или интуиции.

Работа с исходной функцией (б) сводится к написанию вместо данного числа такого числа, которое непосредственно следует за ним в натуральном ряду. Такая операция необходима для математики —это некий ее «голодный минимум». Она необходима также для любого конструктивного процесса, независимо от области, в которой он осуществляется. Брауэр, как мы знаем, считал процесс порождения следующего натурального числа изначальным актом, на котором зиждется вся деятельность интеллекта математика. Оставляя в стороне философскую сторону взглядов Брауэра, следует согласиться с тем, что операция «взятие следующего» обладает определенной «первичностью» — не ясно, к чему более простому можно было бы ее редуцировать.

Смысл проектирующих функций тоже очень прост: каждая из них отыскивает i-тый по порядку аргумент и объявляет его значением функции. Вычисление значений такой Функции выполняется с помощью обыкновенного счета: если дан определенный набор значений аргументов некоторой функции типа (в), то считывается нижний индекс i в ее обозначении и в упомянутом наборе отыскивается (с помощью счета) i-тое число; это число и оказывается значением функции.

Что же представляют собой акции, позволяющие строить из одних рекурсивных функций другие, вообще говоря, более сложные рекурсивные функции?

Подстановка есть не что иное, как вычисление, разбитое на два этапа: сначала вычисляются значения всех «внутренних» функций, а потом — значение «внешней» функции при аргументах, равных полученным на предыдущем этапе числам. Это — акт суперпозиции, последовательного выполнения однотипных операций. Например, суперпозиция функций I3i и S (где S — внешняя функция) порождает функцию от трех аргументов: f(х1, х2, х3) = S (I3i (х1, х2, х3)); суперпозиция функций S, I11, N1 и I31 (внешняя функция) порождает одноместную функцию q(х) = I31 (S(х), I11(х), N1(х)) и т. д. Самый придирчивый критик не заподозрит в подобных процедурах присутствия чего-либо неясного.

Вычисление по схеме примитивной рекурсии тоже не вызывает недоверия с точки зрения своей четкости и общепонятности. Это мы уже видели на примерах вычисления значения функции «усеченное вычитание», определенной рекурсивно (см. с. 127)[4]. Собственно говоря, мы очень часто пользуемся методом построения какой-то последовательности, формируя каждый ее член по предыдущим членам. В данной схеме следует обратить внимание на то, что вычисление каждого последующего значения нуждается в знании только одного, непосредственно предыдущего, значения. Это, конечно, простейший вариант подобного типа вычислений. Но тем не менее при вычислении по схеме рекурсии значения некоторой функции для какого-то значения ее аргумента (например, для числа 137) приходится на промежуточных фазах вычисления находить значения функции для всех предыдущих значений аргумента: 0, 1, 2, ..., 136, хотя каждый раз все значения, кроме самого последнего, мы можем забывать, стирать с доски и т. д.

Акция, соответствующая четвертому пункту (мю-операция), иначе называется операцией взятия наименьшего числа. Ее включили в определение рекурсивных функций, так сказать, неохотно, под давлением суровой необходимости (в первоначальном определении у Гёделя мю-операции не было), поскольку без нее, как выяснилось, не могут быть получены некоторые функции, играющие в математике важную роль. Как мы отметили выше, функции, в которых участвуют только подстановка и рекурсия, называют примитивно рекурсивными, особо выделяя тем самым мю-операцию. Каков же познавательный статус этой операции? Чем существенным отличается она от подстановки и рекурсии?

Посмотрим сначала, как конкретно функционирует мю-операция. Пусть надо задать способ нахождения наименьшего числа у, для которого выполняется некое условие g°(x1, x2, y) = 0, имеющее вид 100 ∸ х1•хy2 = 0 (напомним, что это равенство равносильно неравенству х1 • хy2 >> 100). Это означает, что над функцией g° (х1, х2, у) надо произвести мю-операцию — определить функцию f° (х1,x2) = μy(g° (x1, x2, y) = 0) = μy(100 ∸ x1 • хy2 = 0).

Сделать это нетрудно, так как функция g° задана, и мы для каждого набора значений ее аргументов х1, х2 можем установить (путем перебора, начинающегося с нуля) то наименьшее значение ее аргумента у, при котором g°(х1, х2, у) = 0. В самом деле, пусть значения аргументов х1, и x2 например, таковы: х1 = 3, х2 = 2. Тогда для вычисления f° (3,2,) надо поступить следующим образом.

1. Положим y = 0; вычислим g°(3, 2, 0). Получим:

100 ∸ 3 • 2° = 100 ∸ 3 • 1 = 100 ∸ 3 = 97. Условие не выполнено, поэтому сделаем следующий шаг, перейдем к значению y = 1.

2. Положим y = 1; вычислим g°(3, 2, 1). Получим:

100 ∸ 3 • 21 = 100 ∸ 3 • 2 = 100 ∸ 6 = 94. Требуемое условие не выполнено, так что возьмем следующее значение у.

3. Положим y = 2; вычислим g° (3, 2, 2). Получим:

100 - 3 • 22 = 100 ∸ 3 • 4 = 100 ∸ 12 = 88. Условие не выполнено. Перейдем к следующему значению у,

4. Положим y = 3; вычислим g° (3, 2, 3). Получим:

100 ∸ 3 • 23 = 100 ∸ 3 • 8 = 100 ∸ 24 = 76. Требуемое условие не выполнено; берем следующее значение у.

5. Положим y = 4; вычислим g° (3, 2, 4). Получим:

100 ∸ 3 • 24 = 100 - 3 • 16 = 100 - 48 = 52. Требуемое условие не выполнено; сделаем еще один шаг.

6. Положим y = 5; вычислим g° (3, 2, 5). Получим:

100 ∸ 3 • 25 = 100 ∸ 3 • 32 = 100 ∸ 96 = 4. Требуемое условие не выполнено, и мы возьмем на единицу большее значение у.

7. Положим у = 6; вычислим g° (3, 2, 6). Получим:

100 ∸ 3 • 26 = 100 ∸ 3 • 64 = 100 ∸ 192 = 0. Условие на этот раз выполнено, поэтому в качестве значения функции f° берется число 6—мы пишем: f° (3, 2) = μy(g° (3, 2, 6) = 0) = 6.

Таким же образом, конечно, можно вычислить значение функции f° для любых значений двух ее аргументов.

Продемонстрированная нами серия однообразных действий показывает те «микроакции», из которых складывается мю-операция. Главная особенность вычислительного процесса данного типа состоит в том, что в качестве его кирпича фигурирует условный оператор, очень важный в кибернетике.

Условным операторам называется такое предписание, которое определяет действие не единственным образом, а предусматривает два его варианта: первый осуществляется в случае, когда условие, входящее в состав оператора, выполнено, а второй реализуется в противном случае, если условие не выполнено. Условие, конечно, должно быть таково, чтобы проверка его выполнения носила конструктивный — осуществимый по ясным правилам в течение конечного времени — характер. Можно еще сказать, что условный оператор образует «точку ветвления» процесса вычисления, зависящего от выполнения или невыполнения некоторого конструктивно проверяемого условия.

Наличие условного оператора вносит элемент своего рода неопределенности (осуществляя вычислительный процесс по схеме, содержащей такой оператор, мы не знаем заранее, на каком шаге будет выполнено заключенное в нем условие и будет ли выполнено вообще), не принятый в классической теории функций прием отыскания значений с помощью «проб и ошибок», прямым перебором натурального ряда. Однако этот элемент вполне естествен, если смотреть на математику как на результат человеческого творчества, как на процесс созидания знаковых моделей.

Перебор значений натурального аргумента с проверкой на каждом этапе простого условия не вызывает опасений в отношении своей ненадежности; во всяком случае он более надежей, чем такие процессы, санкционированные классическим анализом, как, скажем, переход к пределу или оперирование с действительными числами, большинство из которых остаются не выразимыми ни в какой символике. Каждый отдельный шаг в мю-операции общепонятен, элементарен и целиком и одновременно обозрим; акты же ветвления процессов в зависимости от выполнения условий пронизывают всю природу и человеческое поведение и всем хорошо знакомы.

Изложенные соображения и привели к мысли, что для обеспечения гарантированной работы математики без возникновения парадоксов (типа расселовского или других, не открытых еще, антиномий) следует считать осуществимыми (хотя, в общем случае, только потенциально) лишь те вычислительные процессы, которые реализуются рекурсивными функциями. Но не будет ли такое ограничение обеднять математику, лишать ее ценных вычислительных средств, которые не могут быть сведены к «композицию рекурсивных функций?

По мере углубления в проблему выяснялось, что все «обиходные» функции, принятые в анализе, выражаются через рекурсивные функции, так что в этом плане обеднения не происходит. Учитывая этот факт, А. Чёрч в 1936 году выдвинул гипотезу, получившую название тезиса Чёрча, которая может быть сформулирована следующим образом: вычислимы те, и только те, математические объекты, которые могут быть получены с помощью общерекурсивиых функций. Другими словами, Чёрч предположил, что общерекурсивных функций достаточно для реализации любой строгой и однозначно определяемой вычислительной процедуры.