Гипероперация - Hyperoperation

В математика, то последовательность гиперопераций[nb 1] бесконечный последовательность арифметических операций (называемых гипероперации в контексте)[1][11][13] что начинается с унарная операцияфункция 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).

пОперация,
ЧАСп(а, б)
ОпределениеИменаДомен
0 или же гипер0, приращение, преемник, зерацияПроизвольный
1 или же гипер1, добавлениеПроизвольный
2 или же гипер2, умножениеПроизвольный
3 или же гипер3, возведение в степеньб реальный, с некоторыми многозначными расширениями сложные числа
4 или же гипер4, тетрацияа ≥ 0 или целое число, б целое число ≥ −1[nb 2] (с некоторыми предлагаемыми расширениями)
5гипер5, пентацияа, б целые числа ≥ −1[nb 2]
6hyper6, шестиугольника, 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.

ИмяОбозначение, эквивалентное Комментарий
Обозначение Кнута со стрелкой вверхИспользован Knuth[18] (за п ≥ 3) и встречается в нескольких справочниках.[19][20]
Обозначения ГильбертаИспользован Дэвид Гильберт.[21]
Обозначение ГудштейнаИспользован Рубен Гудштейн.[5]
Оригинал Функция АккерманаИспользован Вильгельм Аккерманн (за п ≥ 1)[15]
Функция Аккермана – ПетераЭто соответствует гипероперациям по основанию 2 (а = 2)
Обозначение НамбияраИспользуется Nambiar (для п ≥ 1)[22]
Надстрочная записьИспользован 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 скобокИспользуется на многих интернет-форумах; удобно для ASCII.
Обозначение стрелок КонвеяИспользован 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.

пОперацияКомментарий
0
1
2
3Офсетная форма тетрация. Итерация этой операции отличается от итерация тетрации.
4Не 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.

пОперацияКомментарий
0
1
2
3
4Офсетная форма тетрация. Итерация этой операции сильно отличается от итерация из тетрация.
5Не 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]

пОперацияКомментарий
0приращение, преемник, зерация
1
2
3
4Не путать с тетрация.
5Не 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.

пОперацияКомментарий
0Гладкий максимум
1
2Это связано с свойства логарифма.
3
4Не 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 ≤ пб-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] Иксkп
б [k] Иксk [k - 1] Иксk - 1п
...
б [k] Иксk [k - 1] Иксk - 1 [k - 2] ... [2] Икс2 [1] Икс1п
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

  1. ^ 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]
  2. ^ 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).
  3. ^ а б Подробнее см. Степень нуля.
  4. ^ а б Подробнее см. Ноль в степени нуля.
  5. ^ а б Порядковое сложение не коммутативно; видеть порядковая арифметика для дополнительной информации

Рекомендации

  1. ^ а б c Даниэль Гейслер (2003). "Что лежит за пределами возведения в степень?". Получено 2009-04-17.
  2. ^ Харви М. Фридман (июль 2001 г.). «Длинные конечные последовательности». Журнал комбинаторной теории, серия А. 95 (1): 102–144. Дои:10.1006 / jcta.2000.3154.
  3. ^ 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.
  4. ^ Марк Вирц (1999). "Характеристика иерархии Гжегорчика безопасной рекурсией". CiteSeer. CiteSeerX  10.1.1.42.3374. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  5. ^ 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.
  6. ^ 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.
  7. ^ 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.
  8. ^ Дж. Э. Литтлвуд (июль 1948 г.). «Большие числа». Математический вестник. 32 (300): 163–171. Дои:10.2307/3609933. JSTOR  3609933.
  9. ^ а б Маркус Мюллер (1993). "Рейхеналгебра" (PDF). Получено 2009-04-17.
  10. ^ а б c Роберт Мунафо (ноябрь 1999 г.). «Изобретая новые операторы и функции». Большие числа в MROB. Получено 2009-04-17.
  11. ^ а б А. Дж. Роббинс (ноябрь 2005 г.). "Дом Тетрации". В архиве из оригинала 13 июня 2015 г.. Получено 2009-04-17.
  12. ^ а б И. Н. Галидакис (2003). "Математика". Архивировано из оригинал 20 апреля 2009 г.. Получено 2009-04-17.
  13. ^ Рубцов К.А., Ромерио Г.Ф. (декабрь 2005 г.). «Функция Аккермана и новая арифметическая операция». Получено 2009-04-17.
  14. ^ Дж. Ф. Ромерио (21 января 2008 г.). «Терминология гиперопераций». Форум Tetration. Получено 2009-04-21.
  15. ^ а б Вильгельм Аккерманн (1928). "Zum Hilbertschen Aufbau der reellen Zahlen". Mathematische Annalen. 99: 118–133. Дои:10.1007 / BF01459088. S2CID  123431274.
  16. ^ Роберт Мунафо (1999-11-03). «Версии функции Аккермана». Большие числа в MROB. Получено 2009-04-17.
  17. ^ Дж. Коулз и Т. Бейли (1988-09-30). «Несколько вариантов функции Аккермана». Департамент компьютерных наук, Университет Вайоминга, Ларами, Вайоминг. Получено 2009-04-17.
  18. ^ 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.
  19. ^ Даниэль Цвиллинджер (2002). Стандартные математические таблицы и формулы CRC, 31-е издание. CRC Press. п. 4. ISBN  1-58488-291-3.
  20. ^ Эрик В. Вайсштейн (2003). CRC краткая энциклопедия математики, 2-е издание. CRC Press. С. 127–128. ISBN  1-58488-347-2.
  21. ^ Дэвид Гильберт (1926). "Über das Unendliche". Mathematische Annalen. 95: 161–190. Дои:10.1007 / BF01206605. S2CID  121888793.
  22. ^ 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.
  23. ^ 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.
  24. ^ 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.
  25. ^ 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.
  26. ^ 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.
  27. ^ 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.