Гипероперация - Hyperoperation
В математика, то последовательность гиперопераций[nb 1] бесконечный последовательность арифметических операций (называемых гипероперации в контексте)[1][11][13] что начинается с унарная операция (в функция преемника с п = 0). Последовательность продолжается с бинарные операции из добавление (п = 1), умножение (п = 2), и возведение в степень (п = 3).
После этого последовательность переходит к дальнейшим двоичным операциям, выходящим за пределы возведения в степень, с использованием правоассоциативность. Для операций за пределами возведения в степень п-й член этой последовательности назван Рубен Гудштейн после Греческий префикс из п с суффиксом -ation (Такие как тетрация (п = 4), пентация (п = 5), шестигранная (п = 6) и т. Д.)[5] и может быть записано как использование п - 2 стрелки в Обозначение Кнута со стрелкой вверх.Каждая гипероперация может быть понятна. рекурсивно по сравнению с предыдущим:
Он также может быть определен в соответствии с частью определения правила рекурсии, как в версии Кнута со стрелкой вверх Функция Аккермана:
Это можно использовать для отображения чисел, намного больших, чем те, которые научная нотация может, например, Число Скьюза и гуголплекс (например. намного больше, чем число Скьюза и googolplexplex), но есть некоторые числа, которые даже они не могут легко показать, например Число Грэма и ДЕРЕВО (3).
Это правило рекурсии является общим для многих вариантов гиперопераций.
Определение
В последовательность гиперопераций это последовательность из бинарные операции , определенный рекурсивно следующее:
(Обратите внимание, что для п = 0, бинарная операция существенно сводится к унарная операция (функция преемника ), игнорируя первый аргумент.)
За п = 0, 1, 2, 3, это определение воспроизводит основные арифметические операции преемник (что является унарной операцией), добавление, умножение, и возведение в степень соответственно, как
Операции H для п ≥ 3 можно записать в Обозначение Кнута со стрелкой вверх в качестве
Так какой будет следующая операция после возведения в степень? Мы определили умножение так, чтобы и определил возведение в степень так, чтобы поэтому кажется логичным определить следующую операцию, тетрацию, чтобы с башней в три буквы "а". Аналогично, пентация (а, 3) будет тетрацией (а, тетрацией (а, а)) с тремя «а» в ней.
Обозначения Кнута можно расширить до отрицательных индексов ≥ −2 таким образом, чтобы согласовать со всей последовательностью гиперопераций, за исключением запаздывания в индексации:
Таким образом, гипероперации можно рассматривать как ответ на вопрос «что дальше» в последовательность: преемник, добавление, умножение, возведение в степень, и так далее. Отмечая, что
проиллюстрирована взаимосвязь между основными арифметическими операциями, что позволяет естественным образом определять более высокие операции, как указано выше. Параметры иерархии гиперопераций иногда называют их аналогичным членом возведения в степень;[14] так а это основание, б это показатель степени (или же гиперэкспонент),[12] и п это классифицировать (или же оценка),[6] и более того, читается как " бth п-осуществление а", например читается как «9-я четверть из 7», и читается как «789-я 123-я 456-я».
В общем, гипероперации - это способы сложения чисел, рост которых увеличивается на основе повторения предыдущей гипероперации. Понятия преемника, сложения, умножения и возведения в степень являются гипероперациями; последующая операция (производство Икс +1 от Икс) является наиболее примитивным, оператор сложения определяет количество раз, которое нужно добавить к себе, чтобы получить окончательное значение, умножение указывает, сколько раз число должно быть добавлено к самому себе, а возведение в степень относится к количеству раз число умножается само на себя.
Примеры
Ниже приведен список первых семи (с 0 по 6) гиперопераций (0⁰ определяется как 1).
п | Операция, ЧАСп(а, б) | Определение | Имена | Домен |
---|---|---|---|---|
0 | или же | гипер0, приращение, преемник, зерация | Произвольный | |
1 | или же | гипер1, добавление | Произвольный | |
2 | или же | гипер2, умножение | Произвольный | |
3 | или же | гипер3, возведение в степень | б реальный, с некоторыми многозначными расширениями сложные числа | |
4 | или же | гипер4, тетрация | а ≥ 0 или целое число, б целое число ≥ −1[nb 2] (с некоторыми предлагаемыми расширениями) | |
5 | гипер5, пентация | а, б целые числа ≥ −1[nb 2] | ||
6 | hyper6, шестиугольник | а, б целые числа ≥ −1[nb 2] |
Особые случаи
ЧАСп(0, б) =
- б +1, когда п = 0
- б, когда п = 1
- 0, когда п = 2
- 1, когда п = 3 и б = 0 [№ 3][№ 4]
- 0, когда п = 3 и б > 0 [№ 3][№ 4]
- 1, когда п > 3 и б четное (включая 0)
- 0, когда п > 3 и б странно
ЧАСп(1, б) =
- 1, когда п ≥ 3
ЧАСп(а, 0) =
- 0, когда п = 2
- 1, когда п = 0, или п ≥ 3
- а, когда п = 1
ЧАСп(а, 1) =
- а, когда п ≥ 2
ЧАСп(а, а) =
- ЧАСп + 1(а, 2), когда п ≥ 1
ЧАСп(а, −1) =[nb 2]
- 0, когда п = 0, или п ≥ 4
- а - 1, когда п = 1
- −а, когда п = 2
- 1/а , когда п = 3
ЧАСп(2, 2) =
- 3, когда п = 0
- 4, когда п ≥ 1, что легко проверить рекурсивно.
История
Одним из первых обсуждений гиперопераций было обсуждение Альберта Беннета.[6] в 1914 году, который разработал некоторые теории коммутативные гипероперации (видеть ниже ). Примерно 12 лет спустя Вильгельм Аккерманн определил функцию [15] что несколько напоминает последовательность гиперопераций.
В своей статье 1947 г.[5] Р. Л. Гудштейн введена конкретная последовательность операций, которые теперь называются гипероперации, а также предложил греческие имена тетрация, пентация и т. д. для расширенных операций за пределами возведения в степень (поскольку они соответствуют индексам 4, 5 и т. д.). В качестве функции с тремя аргументами, например, , последовательность гиперопераций в целом рассматривается как версия исходной Функция Аккермана — рекурсивный но нет примитивно рекурсивный - модифицировано Гудштейном для включения примитивного функция преемника вместе с другими тремя основными операциями арифметики (добавление, умножение, возведение в степень ), и сделать их более плавным расширением за пределы возведения в степень.
Первоначально три аргумента Функция Аккермана использует то же правило рекурсии, что и его версия Гудштейна (т.е. последовательность гиперопераций), но отличается от него двумя способами. Первый, определяет последовательность операций, начиная с сложения (п = 0), а не функция преемника, то умножение (п = 1), возведение в степень (п = 2) и т. Д. Во-вторых, начальные условия для результат в , что отличается от гиперопераций за пределами возведения в степень.[7][16][17] Значение б +1 в предыдущем выражении означает, что = , куда б считает количество операторы (возведения в степень), а не подсчет количества операнды ("а") как и б в и так далее для операций более высокого уровня. (См. Функция Аккермана статью для подробностей.)
Обозначения
Это список обозначений, которые использовались для гиперопераций.
Имя | Обозначение, эквивалентное | Комментарий |
---|---|---|
Обозначение Кнута со стрелкой вверх | Использован Knuth[18] (за п ≥ 3) и встречается в нескольких справочниках.[19][20] | |
Обозначения Гильберта | Использован Дэвид Гильберт.[21] | |
Обозначение Гудштейна | Использован Рубен Гудштейн.[5] | |
Оригинал Функция Аккермана | Использован Вильгельм Аккерманн (за п ≥ 1)[15] | |
Функция Аккермана – Петера | Это соответствует гипероперациям по основанию 2 (а = 2) | |
Обозначение Намбияра | Используется Nambiar (для п ≥ 1)[22] | |
Надстрочная запись | Использован Роберт Мунафо.[10] | |
Обозначение индекса (для нижних гиперопераций) | Роберт Мунафо использовал для нижних гиперопераций.[10] | |
Обозначение оператора (для «расширенных операций») | Используется для нижних гиперопераций Джон Доннер и Альфред Тарский (за п ≥ 1).[23] | |
Обозначение квадратных скобок | Используется на многих интернет-форумах; удобно для ASCII. | |
Обозначение стрелок Конвея | Использован Джон Хортон Конвей (за п ≥ 3) |
Вариант начиная с а
В 1928 г. Вильгельм Аккерманн определил функцию с 3 аргументами который постепенно превратился в функцию с двумя аргументами, известную как Функция Аккермана. В оригинал Функция Аккермана был менее похож на современные гипероперации, потому что его начальные условия начинались с для всех п > 2. Также он назначил дополнение к п = 0, умножение на п = 1 и возведение в степень до п = 2, поэтому начальные условия производят очень разные операции для тетрации и не только.
п | Операция | Комментарий |
---|---|---|
0 | ||
1 | ||
2 | ||
3 | Офсетная форма тетрация. Итерация этой операции отличается от итерация тетрации. | |
4 | Не путать с пентация. |
Другое начальное условие, которое использовалось, это (где база постоянна ), благодаря Розе Петер, которая не образует иерархию гиперопераций.
Вариант начиная с 0
В 1984 году К. В. Кленшоу и Ф. В. Дж. Олвер начали обсуждение использования гиперопераций для предотвращения компьютерных плавающая точка переливается.[24] С тех пор многие другие авторы[25][26][27] возобновили интерес к применению гиперопераций к плавающая точка представление. (С ЧАСп(а, б) все определены для б = -1.) Пока обсуждают тетрация, Кленшоу и другие. принял начальное условие , что составляет еще одну иерархию гиперопераций. Как и в предыдущем варианте, четвертая операция очень похожа на тетрация, но компенсируется на единицу.
п | Операция | Комментарий |
---|---|---|
0 | ||
1 | ||
2 | ||
3 | ||
4 | Офсетная форма тетрация. Итерация этой операции сильно отличается от итерация из тетрация. | |
5 | Не путать с пентация. |
Нижние гипероперации
Альтернативой этим гипероперациям является оценка слева направо. С
определить (с ° или нижним индексом)
с
Это было распространено на порядковые числа Доннером и Тарским,[23][Определение 1] к :
Из определения 1 (i), следствия 2 (ii) и теоремы 9 следует, что для а ≥ 2 и б ≥ 1, что[оригинальное исследование? ]
Но здесь происходит своего рода коллапс, из-за которого не удается сформировать «энергетическую башню», традиционно ожидаемую от гипероператоров:[23][Теорема 3 (iii)][№ 5]
Если α ≥ 2 и γ ≥ 2,[23][Следствие 33 (i)][№ 5]
п | Операция | Комментарий |
---|---|---|
0 | приращение, преемник, зерация | |
1 | ||
2 | ||
3 | ||
4 | Не путать с тетрация. | |
5 | Не путать с пентация. Похожий на тетрация. |
Коммутативные гипероперации
Коммутативные гипероперации рассматривал Альберт Беннетт еще в 1914 г.[6] что, возможно, является самым ранним замечанием о любой последовательности гиперопераций. Коммутативные гипероперации определяются правилом рекурсии
который симметричен по а и б, что означает, что все гипероперации коммутативны. Эта последовательность не содержит возведение в степень, и поэтому не образует иерархию гиперопераций.
п | Операция | Комментарий |
---|---|---|
0 | Гладкий максимум | |
1 | ||
2 | Это связано с свойства логарифма. | |
3 | ||
4 | Не путать с тетрация. |
Системы счисления, основанные на последовательности гиперопераций
Р. Л. Гудштейн[5] использовали последовательность гипероператоров для создания систем счисления неотрицательных целых чисел. Так называемой полное наследственное представительство целого числа п, на уровне k и база б, можно выразить следующим образом, используя только первые k гипероператоры и использование в качестве цифр только 0, 1, ..., б - 1 вместе с основанием б сам:
- Для 0 ≤ п ≤ б-1, п обозначается просто соответствующей цифрой.
- За п > б-1, представление п находится рекурсивно, сначала представляя п в виде
- б [k] Иксk [k - 1] Иксk-1 [k - 2] ... [2] Икс2 [1] Икс1
- куда Иксk, ..., Икс1 - наибольшие целые числа, удовлетворяющие (в свою очередь)
- б [k] Иксk ≤ п
- б [k] Иксk [k - 1] Иксk - 1 ≤ п
- ...
- б [k] Иксk [k - 1] Иксk - 1 [k - 2] ... [2] Икс2 [1] Икс1 ≤ п
- Любой Икся превышающий б-1 затем повторно выражается таким же образом и так далее, повторяя эту процедуру до тех пор, пока результирующая форма не будет содержать только цифры 0, 1, ..., б-1 вместе с базой б.
Ненужных скобок можно избежать, предоставив операторам более высокого уровня более высокий приоритет в порядке оценки; таким образом,
представления уровня 1 имеют вид b [1] X, причем Икс также такой формы;
представления уровня 2 имеют вид b [2] X [1] Y, причем Икс,Y также такой формы;
представления уровня 3 имеют вид b [3] X [2] Y [1] Z, причем Икс,Y,Z также такой формы;
представления уровня 4 имеют вид b [4] X [3] Y [2] Z [1] W, причем Икс,Y,Z,W также этой формы;
и так далее.
В этом типе базы-б наследственный представления, в выражениях фигурирует сама база, а также «цифры» из набора {0, 1, ..., б-1}. Это сравнивается с обычный представление base-2, когда последнее записано в терминах базы б; например, в обычных обозначениях с основанием 2 6 = (110)2 = 2 [3] 2 [2] 1 [1] 2 [3] 1 [2] 1 [1] 2 [3] 0 [2] 0, тогда как наследственное представление уровня 3 по основанию 2 равно 6 = 2 [ 3] (2 [3] 1 [2] 1 [1] 0) [2] 1 [1] (2 [3] 1 [2] 1 [1] 0). Наследственные представления могут быть сокращены, опуская любые экземпляры [1] 0, [2] 1, [3] 1, [4] 1 и т.д .; например, приведенное выше представление уровня 3 по основанию 2 из 6 сокращений до 2 [3] 2 [1] 2.
Примеры: уникальные представления числа по основанию 2. 266, на уровнях 1, 2, 3, 4 и 5 следующие:
- Уровень 1: 266 = 2 [1] 2 [1] 2 [1] ... [1] 2 (с 133 двойками)
- Уровень 2: 266 = 2 [2] (2 [2] (2 [2] (2 [2] 2 [2] 2 [2] 2 [2] 2 [1] 1)) [1] 1)
- Уровень 3: 266 = 2 [3] 2 [3] (2 [1] 1) [1] 2 [3] (2 [1] 1) [1] 2
- Уровень 4: 266 = 2 [4] (2 [1] 1) [3] 2 [1] 2 [4] 2 [2] 2 [1] 2
- Уровень 5: 266 = 2 [5] 2 [4] 2 [1] 2 [5] 2 [2] 2 [1] 2
Смотрите также
Примечания
- ^ Последовательности, подобные последовательность гиперопераций исторически упоминались под многими именами, в том числе: Функция Аккермана[1] (3-аргумент), Иерархия Аккермана,[2] то Иерархия Гжегорчика[3][4] (что является более общим), Версия Гудштейна функции Аккермана,[5] работа энного класса,[6] z-кратное повторное возведение в степень x с y,[7] стрелка операции,[8] рейхеналгебра[9] и гипер-п.[1][9][10][11][12]
- ^ а б c d Позволять Икс = а[п] (- 1). По рекурсивной формуле а[п]0 = а[п − 1](а[п](−1)) ⇒ 1 = а[п − 1]Икс. Одно из решений Икс = 0, поскольку а[п - 1] 0 = 1 по определению, когда п ≥ 4. Это решение уникально, поскольку а[п − 1]б > 1 для всех а > 1, б > 0 (доказательство рекурсией).
- ^ а б Подробнее см. Степень нуля.
- ^ а б Подробнее см. Ноль в степени нуля.
- ^ а б Порядковое сложение не коммутативно; видеть порядковая арифметика для дополнительной информации
Рекомендации
- ^ а б c Даниэль Гейслер (2003). "Что лежит за пределами возведения в степень?". Получено 2009-04-17.
- ^ Харви М. Фридман (июль 2001 г.). «Длинные конечные последовательности». Журнал комбинаторной теории, серия А. 95 (1): 102–144. Дои:10.1006 / jcta.2000.3154.
- ^ Мануэль Ламейрас Кампаньола и Кристофер Мур и Хосе Феликс Коста (декабрь 2002 г.). «Трансфинитные порядковые числа в рекурсивной теории чисел». Журнал сложности. 18 (4): 977–1000. Дои:10.1006 / jcom.2002.0655.
- ^ Марк Вирц (1999). "Характеристика иерархии Гжегорчика безопасной рекурсией". CiteSeer. CiteSeerX 10.1.1.42.3374. Цитировать журнал требует
| журнал =
(помощь) - ^ а б c d е Р. Л. Гудштейн (декабрь 1947 г.). «Трансфинитные порядковые числа в рекурсивной теории чисел». Журнал символической логики. 12 (4): 123–129. Дои:10.2307/2266486. JSTOR 2266486.
- ^ а б c d Альберт А. Беннетт (декабрь 1915 г.). «Записка об операции третьей степени». Анналы математики. Вторая серия. 17 (2): 74–75. Дои:10.2307/2007124. JSTOR 2007124.
- ^ а б Пол Э. Блэк (16 марта 2009 г.). «Функция Аккермана». Словарь алгоритмов и структур данных. Национальный институт стандартов и технологий США (NIST). Получено 2009-04-17.
- ^ Дж. Э. Литтлвуд (июль 1948 г.). «Большие числа». Математический вестник. 32 (300): 163–171. Дои:10.2307/3609933. JSTOR 3609933.
- ^ а б Маркус Мюллер (1993). "Рейхеналгебра" (PDF). Получено 2009-04-17.
- ^ а б c Роберт Мунафо (ноябрь 1999 г.). «Изобретая новые операторы и функции». Большие числа в MROB. Получено 2009-04-17.
- ^ а б А. Дж. Роббинс (ноябрь 2005 г.). "Дом Тетрации". В архиве из оригинала 13 июня 2015 г.. Получено 2009-04-17.
- ^ а б И. Н. Галидакис (2003). "Математика". Архивировано из оригинал 20 апреля 2009 г.. Получено 2009-04-17.
- ^ Рубцов К.А., Ромерио Г.Ф. (декабрь 2005 г.). «Функция Аккермана и новая арифметическая операция». Получено 2009-04-17.
- ^ Дж. Ф. Ромерио (21 января 2008 г.). «Терминология гиперопераций». Форум Tetration. Получено 2009-04-21.
- ^ а б Вильгельм Аккерманн (1928). "Zum Hilbertschen Aufbau der reellen Zahlen". Mathematische Annalen. 99: 118–133. Дои:10.1007 / BF01459088. S2CID 123431274.
- ^ Роберт Мунафо (1999-11-03). «Версии функции Аккермана». Большие числа в MROB. Получено 2009-04-17.
- ^ Дж. Коулз и Т. Бейли (1988-09-30). «Несколько вариантов функции Аккермана». Департамент компьютерных наук, Университет Вайоминга, Ларами, Вайоминг. Получено 2009-04-17.
- ^ Дональд Э. Кнут (декабрь 1976 г.). «Математика и информатика: справляемся с конечностью». Наука. 194 (4271): 1235–1242. Bibcode:1976Научный ... 194.1235K. Дои:10.1126 / science.194.4271.1235. PMID 17797067. S2CID 1690489. Получено 2009-04-21.
- ^ Даниэль Цвиллинджер (2002). Стандартные математические таблицы и формулы CRC, 31-е издание. CRC Press. п. 4. ISBN 1-58488-291-3.
- ^ Эрик В. Вайсштейн (2003). CRC краткая энциклопедия математики, 2-е издание. CRC Press. С. 127–128. ISBN 1-58488-347-2.
- ^ Дэвид Гильберт (1926). "Über das Unendliche". Mathematische Annalen. 95: 161–190. Дои:10.1007 / BF01206605. S2CID 121888793.
- ^ К. К. Намбьяр (1995). «Функции Аккермана и трансфинитные порядковые числа». Письма по прикладной математике. 8 (6): 51–53. Дои:10.1016/0893-9659(95)00084-4.
- ^ а б c d Джон Доннер; Альфред Тарский (1969). «Расширенная арифметика порядковых чисел». Fundamenta Mathematicae. 65: 95–127. Дои:10.4064 / FM-65-1-95-127.
- ^ К.В. Кленшоу, Ф.В.Дж. Олвер (апрель 1984 г.). «За пределами с плавающей точкой». Журнал ACM. 31 (2): 319–328. Дои:10.1145/62.322429. S2CID 5132225.
- ^ В. Н. Холмс (март 1997 г.). «Составная арифметика: предложение по новому стандарту». Компьютер. 30 (3): 65–73. Дои:10.1109/2.573666. Получено 2009-04-21.
- ^ Р. Циммерманн (1997). «Компьютерная арифметика: принципы, архитектура и проектирование СБИС» (PDF). Конспект лекций, Лаборатория интегрированных систем, ETH Zürich. Архивировано из оригинал (PDF) на 2013-08-17. Получено 2009-04-17.
- ^ Т. Пинкевич, Н. Холмс и Т. Джамиль (2000). «Дизайн составного арифметического устройства для рациональных чисел». Труды IEEE Southeast Против 2000. «Подготовка к новому тысячелетию» (Кат. № 00CH37105). Труды IEEE. С. 245–252. Дои:10.1109 / SECON.2000.845571. ISBN 0-7803-6312-4. S2CID 7738926.