用跑得最慢的电脑程序,理解最高深的哥德巴赫猜想

五条规则的图灵机可视化。每列像素代表一步计算,步骤从左到右。黑色代表1。最右边表示图灵机的停机。(图片来源:Peter Krumins/Quanta Magazine)

文章来源:环球科学

“忙碌的河狸”这个问题的目的是为了找到运行时间最长的电脑程序。对它的研究与哥德巴赫猜想、黎曼猜想等一系列数学难题建立了惊人而又深刻的联系。

程序员总想让代码跑的更快。可在1962年,匈牙利数学家蒂博尔·拉多(Tibor Radó)却提出了截然相反的问题:要怎么才能让一个简单的电脑程序在终止之前跑的尽可能久?拉多将这样跑得尽可能低效但仍有效的程序称为“忙碌的河狸”。

自从《科学美国人》于1984年刊载这则问题之后,众多程序员和业余数学爱好者们份份开始寻找“忙碌的河狸”。不过最近几年,由于与一些高大上的概念与数学未解的难题建立起联系,“忙碌的河狸”已经变成了非常严肃的数学问题,

得克萨斯大学的理论计算机科学家斯科特·亚伦森近日发表了一篇关于“忙碌河狸学”的调查,他说:“在数学上,娱乐和真正重要的问题,其边界非常模糊。”

最近一项研究表明,这些得跑到猴年马月的程序,或许能澄清一些数学命题,甚至告诉我们哪些内容是可知的。据研究者们称,忙碌的河狸能帮助我们判断一个数学问题的难易程度,比如哥德巴赫猜想和黎曼猜想。它能让人一目了然地看到数理逻辑到哪里就该走不下去了。逻辑学家库尔特·哥德尔(Kurt Gödel)在大半个世纪之前就证明了,有一些命题既不能证明也不能证伪,也就是所谓的“不可知”。不过现在,忙碌的河狸能为我们指出,这个“不可知”究竟位于什么地方,就如同一张古老的地图指引旅者走向世界的边缘。

无法计算的问题

“忙碌的河狸”这个问题,归根结底是关于图灵机——这是阿兰·图灵(Alan Turing)于1936年提出的一种理想化模型,其中有一条被分为正方形小块的长度无限的纸带,用笔在上面写或者擦去记号,这些操作需要满足一套给定的规则,比方说:

规则1. 如果正方形中含有0,则擦掉改成1;然后向右一格,使用规则2;

规则2. 如果正方形中含有1,那就不改,然后向左一格使用规则3;

……

每一项规则都像冒险棋一样。有些规则甚至可以让你跳回到之前的规则。在这些规则中,最终有一条“停机”的指令。图灵证明,如果时间充足,规则得当的话,图灵机就能做任何计算。

图灵称,为了真正计算出一个结果,图灵机最终必须得停机——不能卡死或者陷入循环。判别是否能停机的问题称为停机问题。他在1936年证明了世界上并不存在解决停机问题的万精油算法。

而“忙碌河狸”提出了以下问题:给定有限条规则,那么图灵机在停机之前最多能走多少步?

蒂博尔·拉多(图片来源:俄亥俄州立大学档案)

比方说,我们只用一条规则,又要保证图灵机停机,那么这条规则肯定就必须包含停机指令。我们把停机问题的最长步数称为忙碌河狸数,那么BB(1) =1,因为最多走一步就得停机。

自变量稍有增加,需要考虑的图灵机数量就会爆炸性增长。如果允许有两条规则,就有6561种图灵机,而它们中,只有一只“忙碌的河狸”,它最长可以走6步。其他大多数图灵机都不停机,这些不停机的肯定不是“忙碌的河狸”,不过对于一般的情况,要怎么才能区别出它们?毕竟前面图灵已经证明,不管图灵机跑了1000步还是100万步,都不能咬定图灵机不会停下来。

这样就使得寻找忙碌河狸的任务异常艰巨。规则的条数随便一改,我们就得从头开始找最长步数的图灵机,没有捷径。即是说,一般的“忙碌的河狸” 问题是“不可计算的“。

要证明 BB(2) =6和BB(3) =107就已经非常复杂了,拉多的学生Shen Lin做出了这个成果,并于1965年获得了博士学位。拉多认为, BB(4) 的问题是“彻底的绝望“,不过还是有人在1983年解决了这个问题。除此之外,研究人员对于5条规则的情况,已经找到了一种图灵机,它在运行47176870步之后停机,也就是说,BB(5) 起码比这个数字要大。而BB(6) 最小也得有7.4 × 1036534。亚伦森说:“除非能找到新观点新思路,否则这个问题根本不可能得到解决。”

不可知的阈值

威廉·加斯塔克(William Gasarch)是马里兰大学学院市分校的计算机科学家,他关心的不是如何解决忙碌河狸数问题,相反他对“一般的不可计算问题”非常感兴趣。他和其他数学家正以此为基础,来估计数学上一些未解之谜的困难程度,或是看看这些问题究竟是否是可知的。

比方说哥德巴赫猜想,说的是对于任何大于2的偶数,总能分解为两个质数的和。要是这个问题能得到解决,那么数论这一学科将迎来史诗般的一刻,数学家对质数分布的了解也会更加深入。2015年,一位网名为Code Golf Addict的Github用户发布了一台27条规则的图灵机代码。这台图灵机非常特别,它当且仅当哥德巴赫猜想不成立时,才会停机。其实很简单,它一开始工作,就会从4开始,挨着检查哥德巴赫猜想(当然也是靠遍历)。如果找到了所需的两个质数,就往上继续,以此往复。如果发现了不能表示为质数和的偶数,就会停机。

这种暴力的方法是不可能解决哥德巴赫猜想的,因为如果不停机,我们永远也不会知道猜想是不是正确的。不过,“忙碌河狸”问题为我们提供了一些思路。假如我们能计算出 BB(27) ,那我们最多也只需运行 BB(27) 这么多步,再往上如果还没停机的话,就说明哥德巴赫猜想成立。毕竟 BB(27) 就是27规则停机问题的最大步数了。如果在此之前就停机,自然说明猜想不成立。

困难在于,BB(27) 是如此大的一个数,写下来都很难,要运行那么多次去检验哥德巴赫猜想,这在我们的宇宙中是远不可能的。虽然如此,那个巨大的数字仍然是一个具体的数,亚伦森称,这代表着我们对于数论领域“现有知识的陈述”。

2016年,亚伦森同尤里·马季亚谢维奇(Yuri Matiyasevich)、斯特凡·奥里尔(Stefan O’Rear)一同做了一项类似的工作。他们设计了一台744条规则的图灵机,当且仅当黎曼猜想不成立时停机。黎曼猜想同样与质数的分布有关,是七大千禧问题之一,奖金高达一百万美元。亚伦森的这台图灵机只要运行 BB(744) 步,就能解决黎曼猜想。当然这里也是同样暴力的算法,挨着遍历直到反例出现。

BB(744) 比 BB(24) 又大了很多很多。不过亚伦森说道,要是深入研究一些简单的问题,比如 BB(5) ,“就有可能从中发现一些本身就很有趣的数论问题。”例如,数学家帕斯卡尔·米歇尔(Pascal Michel)在1993年证明,目前保持着5规则步数记录的那个图灵机,其规则与考拉兹猜想中函数行为极其相似,而后者是数学中又一个著名的未解之谜。

亚伦森说道:“这么多问题可以归结为‘图灵机是否停机?’,那如果我们能知道所有的‘忙碌河狸数’,就能解决所有问题。”

最近,亚伦森又在使用一种基于“忙碌河狸”的方法去测量整个数学系统的“不可知阈值”。哥德尔1931年证明了他那著名的不完备定理:对任意的公理集合,要么公理不相容(也就是会产生矛盾),要么不完备(存在不可证明的真命题)。而现代数学赖以生存的ZF集合公理也毫不例外地存在哥德尔界限。而亚伦森想要用“忙碌河狸”去估计它的边界具体在哪里。

2016年,他和他的研究生亚当·叶迪迪亚(Adam Yedidia)鼓捣出了一台7910条规则的图灵机,当且仅当ZF集合理论不相容时停机。这就是说 BB(7910) 次计算就能得到ZF集合理论的相容性。而这些公理本身在计算 BB(7910) 的时候是用不到的,就像我们算2+2=4的时候用不到集合公理时一样。

奥里尔紧接着提出了一个更简单的748条规则的图灵机,同样用来检测ZF公理。这样就把不可知的阈值降低了。奥尔良州立大学名誉教授,数理逻辑学家哈维·弗里德曼(Harvey Friedman)说:“这有些戏剧性,规则数变得没那么夸张了。”弗里德曼认为,这些数字还能进一步降低:“我觉得最终答案应该在50左右。”而亚伦森认为,真正的阈值应该接近BB(20) 。

无论大小,不可知的阈值的确是存在的。亚伦森说道:“自从哥德尔以来,我们的世界就一直是如此(不可知);而‘忙碌河狸’函数得以让这一切更加清晰明了。”

原文链接:

https://www.quantamagazine.org/the-busy-beaver-game-illuminates-the-fundamental-limits-of-math-20201210/

未来智能实验室的主要工作包括:建立AI智能系统智商评测体系,开展世界人工智能智商评测;开展互联网(城市)云脑研究计划,构建互联网(城市)云脑技术和企业图谱,为提升企业,行业与城市的智能水平服务。

  如果您对实验室的研究感兴趣,欢迎加入未来智能实验室线上平台。扫描以下二维码或点击本文左下角“阅读原文”

本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如若转载,请注明出处:http://www.mzph.cn/news/485992.shtml

如若内容造成侵权/违法违规/事实不符,请联系多彩编程网进行投诉反馈email:809451989@qq.com,一经查实,立即删除!

相关文章

Leetcode--42.接雨水

给定 n 个非负整数表示每个宽度为 1 的柱子的高度图,计算按此排列的柱子,下雨之后能接多少雨水。 上面是由数组 [0,1,0,2,1,0,1,3,2,1,2,1] 表示的高度图,在这种情况下,可以接 6 个单位的雨水(蓝色部分表示雨水&#…

(4)Python3笔记 之 流程控制

一、条件控制 # 语法规则 if 变量(或表达式):语句块1 elif 变量(或表达式):语句块2 else:语句块3#示例 score 83 if score > 90:print(优秀) elif score > 60 and score < 90:print(及格) else:print(不及格) 二、循环 1&#xff09;. while循环 i 0 sum 0 while i…

云专网和云专线的区别_传统IDC行业与云计算的区别?

1.传统IDC行业和云计算在服务类型上的区别&#xff1a;传统IDC行业主要是有两种模式&#xff1a;租用和托管租用是自己没有服务器&#xff0c;机房提供服务器、带宽、IP地址、机位、服务器维护等。这种模式是租用。托管是自己购买配置服务器&#xff0c;通过快递、物流等方式把…

计算机插件技术应用原理,计算机软件技术中插件技术的运用

计算机软件技术中插件技术的运用在我国科技水平的不断提升下,计算机软件方面的功能也在持续更新。其中插件技术作为计算机软件中实用性比较强的一项功能,一直被研究分析。下面是小编搜集整理的相关内容的论文&#xff0c;欢迎大家阅读参考。摘要&#xff1a;随着经济和科学技术…

未来30年,这20项技术将颠覆人类生活

来源&#xff1a;嵌入式资讯精选美国公布了一份长达35页的《新兴科技趋势报告》。该报告是在美国过去五年内由政府机构、咨询机构、智囊团、科研机构等发表的32份科技趋势相关研究调查报告的基础上提炼形成的。通过对近700项科技趋势的综合比对分析&#xff0c;最终明确了20项最…

攻克数据库核心技术壁垒,实现百万级QPS的高吞吐

CynosDB是腾讯云自研的新一代高性能高可用的企业级分布式云数据库。融合了传统数据库、云计算与新硬件的优势&#xff0c;100%兼容开源数据库&#xff0c;百万级QPS的高吞吐&#xff0c;不限存储&#xff0c;价格仅为商用数据库的1/10。 CynosDB设计出发点: 随着云计算2.0时代的…

Leetcode--55. 跳跃游戏

给定一个非负整数数组&#xff0c;你最初位于数组的第一个位置。 数组中的每个元素代表你在该位置可以跳跃的最大长度。 判断你是否能够到达最后一个位置。 示例 1: 输入: [2,3,1,1,4] 输出: true 解释: 从位置 0 到 1 跳 1 步, 然后跳 3 步到达最后一个位置。 示例 2: 输…

ccxprocess启动项可以禁用么_Mac怎么禁用Adobe无用自启项?

最近有使用Mac的用户询问小编Mac如何禁用Adobe无用自启项&#xff1f;每次开机Adobe都会无用自启&#xff0c;那么Mac如何禁用Adobe无用自启项&#xff0c;跟着小编一起来看看Mac禁用Adobe无用自启项教程。Mac禁用Adobe无用自启项教程&#xff1a;一&#xff1a;通过以下路径找…

某中学要对学校运动会进行计算机管理,2020年新编高职入学考试适应性试卷信息技术试卷定稿名师精品资料....

2015年福建省高等职业教育入学考试(面向普通高中考生)信息技术适应性试卷考试时间&#xff1a;120分钟&#xff0c;满分&#xff1a;150分一、选择题&#xff1a;(60分)1. 下列关于信息的说法&#xff0c;正确的是A.信息的形态不能转化B.信息有多种传播形式C. 载体本身就是信息…

CLion之C++框架篇-安装工具,基础框架的搭建(一)

CLion之C框架篇-安装工具&#xff0c;基础框架的搭建&#xff08;一&#xff09; 背景日常学习C&#xff0c;也就是看看书、在vim里写写代码。在日常项目开发中&#xff0c;也是边看书&#xff08;一是系统性理解、二是找找有什么更好的代码编写方式&#xff09;边写代码&#…

学术评论:“类脑计算完备性(Neuromorphic completeness)”概念定义中的问题

作者&#xff1a;程京德文章出处&#xff1a;程京德科学网博客链接地址&#xff1a;http://blog.sciencenet.cn/blog-2371919-1262267.html 2020年10月&#xff0c;“Nature”杂志发表了清华团队题为“A system hierarchy for brain-inspired computing”的论文 [1]&#xff0c…

Leetcode--12. 整数转罗马数字

罗马数字包含以下七种字符&#xff1a; I&#xff0c; V&#xff0c; X&#xff0c; L&#xff0c;C&#xff0c;D 和 M。 字符 数值 I 1 V 5 X 10 L 50 C 100 D 500 M 1000 例…

python三国演义人物 统计分析前20个_使用python统计《三国演义》小说里人物出现次数前十名,并实现可视化。...

一、安装所需要的第三方库jieba (jieba是优秀的中文分词第三分库)pyecharts (一个优秀的数据可视化库)使用pycharm安装库打开Pycharm选择【File】下的Settings出现下面页面,选择右边的【】出现下面页面&#xff0c;在此页面顶端搜索想要的库&#xff0c;然后安装就可以了二、编…

沈航计算机考研上岸,【图片】一战厦大计算机上岸,经验帖。慢更【考研吧】_百度贴吧...

该楼层疑似违规已被系统折叠 隐藏此楼查看此楼再写一下我的初试经验。今天晚上有时间再更初试政治&#xff1a;政治切忌开始太早&#xff0c;战线过长&#xff0c;我是从9月开始&#xff0c;跟着肖秀荣的视频课看了一遍精讲精练&#xff0c;做了一遍1000题&#xff0c;一遍真题…

你真的了解盒模型么

说到前端, 大家第一反应是不是都是vue、react、webpack等这些大大小小的框架或者工具, 但其实这些都是和js相关的, 真正的样式会被大家忽略。其实真正呈现给大家看到华丽的页面, 都是样式才让他们多了那份色彩。那么大家觉得简单的css样式, 真的简单么? 让我们一起来看下, 开启…

ios10前台收到推送_iOS 13 beta 2 推送 | iOS 13 热门疑问解答

朋友们周二早&#xff0c;今天这期分享主要是给大家解答几个 iOS 13 相关的热门问题。今天的头条推送的是 HFP 的面膜&#xff0c;靠谱产品&#xff0c;有需求的朋友可以去他们的天猫旗舰店或者小程序商场看下。是否可以直接升级 &#xff1f;今天苹果正式推送了 iOS 13 beta 2…

认知科学顶刊:挑战过去50年神经科学观点,人类智力的优势或来自于记忆储存方式...

来源&#xff1a;brainnews莱斯特大学的神经科学专家发表了一篇文章&#xff0c;打破了过去50年神经科学的观点&#xff0c;认为人类储存记忆的方式是其智力优于动物的关键因素。该文章发表在Trends in Cognitive Sciences杂志。先前的研究认为&#xff0c;海马体&#xff08;大…

专业文化计算机艺考生,专业课和文化课都优秀?那艺考生的你不知道这个就损失大了...

原标题&#xff1a;专业课和文化课都优秀&#xff1f;那艺考生的你不知道这个就损失大了高水平艺术团招生作为高考特殊类型招生中的一种&#xff0c;很多人一直把它和艺术类招生傻傻分不清楚。简单来说&#xff0c;高水平艺术团招生和艺术类招生是两种不同的招生类别。详细说&a…

linux发送邮件的功能总结

使用linux系统服务器发送邮件的功能在平时工作中也是经常需要用到的&#xff0c;在这里总结一下&#xff0c;供以后参考&#xff1a; 1、直接使用管道发送邮件 echo "hello,this is the content of mail.welcome to www.mzone.cc" | mail -s "Hello from mzone.…

雷赛运动控制卡能不能用c语言_基于PMAC控制卡的三坐标测量机控制系统

三坐标测量机控制原理三坐标测量机获取测头触碰点相对于系统原点的三坐标值&#xff0c;然后经特定算法处理&#xff0c;得到尺寸公差或形位公差。测头在X、Y&#xff0c;Z三个相互垂直的导轨上进行复合运动&#xff0c;实现逐点测量&#xff1b;或按一定运动轨迹&#xff0c;实…