繁忙的海狸游戏


本月,一群“逻辑黑客”一直在寻求确定已知和未知之间的精确边界。这个挑战已经存在很长时间了。但直到现在,人们才开始接受互联网所带来的全球团队合作。

一个图灵机器是一个简单的计算机模型。想象一下一台机器有一些有限的状态,比如N个状态。它连接在一个胶带上,一个无限长的胶带,上面有很多正方形,每个正方形上写着0或1。在每一步,机器都会读取它所在的数字。然后,根据它的状态和读取的内容,它要么停顿或者它写入一个数字,更改为一个新状态,然后向左或向右移动。

磁带开始时只有0。机器以特定的“开始”状态启动。如果它最终处于一种特殊的“停止”状态,它就会停止。

这个忙碌的海狸游戏就是找到具有N个状态的图灵机,尽可能长时间地运行,然后停止。

数字BB(否)是获胜机器在停止之前所采取的步骤数。

1961年,蒂博·拉多尔介绍了Busy Beaver Game,并证明了序列BB(N)是不可变的。它的增长速度比任何可计算函数都快!

可以计算出BB(N)的一些值,但无法计算出所有值。

随着N的增加,我们需要检查的图灵机数量以指数级的速度增加:

(4(n+1))^{2n}

当然,许多人可能被简单的理由排除在潜在赢家之外。但真正的问题是:要确定哪些具有N个状态的图灵机永远不会停止,哪些只需要花费大量时间就可以停止,这变得越来越复杂。

事实上,无论你在数学中使用什么公理系统,只要它有有限多个公理并且是一致的,你就永远不能用它来正确地确定BB(N)超过一些有限数量的情况。

那么人们对BB(N)了解多少呢?

对于起动器,BB(0)=0。在这一点上,我应该承认,人们并没有把停止状态算作N个状态之一。这只是一个约定。所以,当我们考虑BB(0)时,我们考虑的是只有暂停状态的机器。他们立刻停了下来。

接下来,BB(1)=1。

接下来,BB(2)=6。

接下来,BB(3)=21。1965年,蒂博·拉多(Tibor Radó)和沈琳(Shen Lin)证实了这一点。

接下来,BB(4)=107。1983年,阿兰·布雷迪(Allan Brady)证明了这一点。

接下来是BB(5)。没人知道BB(5)等于什么!

目前五州繁忙的海狸冠军是由海纳·马尔森(Heiner Marxen)和杰根·邦特洛克(Jürgen Buntrock)于1989年发现的。它需要47176870步才能停下来。所以,我们知道

BB(5)≥47176870。

人们已经查看了所有其他5状态图灵机,看看是否有更好的。但是有43台机器那会做一些没人理解的复杂事情。人们相信他们从来没有停止过,但还没有人能够证明这一点。

我们可能在这里遇到了无知之墙…但我们不知道.

这是一件令人毛骨悚然的事情:已知和未知之间的精确边界是未知的。它甚至可能是不可知的……但我不确定我们是否知道。

接下来是BB(6)。1996年,Marxen和Buntrock显示,这一数字至少为8690333381690951。2010年6月,帕维尔·克罗皮茨证明了

\显示样式{mathrm{BB}(6)\ge 7.412\cdot 10^{36534}}

你可能想知道他是如何证明这一点的。很简单!他发现了一台6态机器

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12778854628635433976691044585088710715619967918464649926751994585788293143788095067363774602774785316545938805865169068080695165863760418748354149104164380469802038472089448653305955645346327740491978289115867249118745843018273227887282763135556994164394750792366240982098387111964891465651107550045819710993651989491514158111944921188513786999651344592433574179788395256600003697852315986680131174264650635554224984499957166485209191459510122737337417152656188639752551690595464219334447241405967279951220651343669584112913727903560817212679255453578098847296197786563827522837035230733800436453057729383657138290273198576158155294218937442553426111693928146939822047487536381747440387576628596190610523132625263987148084270050313594058154560655890007384368487531724805783459640853182911158420912613697188029730134243256309343213621070504158874966417544034406378235146450222798480073601893766474673632787244416480199781191276188916207419283456527568934683560397590580503621377726704540986029025118559388222086509769779264094521581965524682577662547080410971762557642824990886503336077890733787504381114841466965978224351886674427982057073646781057580910376824961185586371991559046635318583544854683128773615901606527610347155352671866531378144148635244711575933405758127776214650925846732615829278713641448780653031956608760270139729503441245256486582812029864466312636848277078175528001574341197611506975458885197224051756810220210344457105752159620520010589019765140208609894734961214605536676100092081556064190246324406422178210351939345302133913753592018219814516400137820973109685531195344121241497589326489471325496576538807343140312503183976567981226780030648352955526918809797401908199319283344391338310368549552829523061018546609681661550427642706510247933747116087580145524480385247981275498634524626439730846216309598240053255131870073015249288288441502723169800350353716880727059379912335731033207681039316223053246244985615318547049962958177925629737290506005000054376861872612136884705332860904262377025032557058587112754343589035476103457781475604204216672512970980804319071658872338078533660322966448060374352642763233712959166808891103525594174624536114741233118264924005346577905296956379701494003436266047955940446006513924388801501507932143881759139711791807591446947442401651321344563206387039394802217946665793688999850601325035166367845484905250718588178790002491543307533563031801688119535355859169933891361128774659358105685232413330182061621778736630267139334684897080546027543229930933870690203089160591935017909894137129850794279463178175281493035748693516046930020542835004496284124374205731926730096255274884321387081551690045083348745899072346880111855652454658263831626952720927569251690991029393597687960780818916005205512001679777124435721107452593108504115125584828210949778673709825238050574750256365722032017539948383709894871855977863419223979999039165469590933447472735643909466933546099376562225062420387673693374940219927357367054294565898114606247524896756361032170862760505309923165497906143508759602888497331721652293703378570803662321394467618287936096734330323343258555753604197067217930803487727366848825163571914432495327697411636009656282211309130203882825069266765703518326716882387874019298337904505996550597133247657620149574038714319406628612819129018509878041988386520042018089673233535007442736556268111245656993838111163891752990873949940792290650259010993236283912134956702536969589176263574744475394811323396655839159294220494170850891175875434376079009121775627059381844428000012212689499745327699058518646904616531847513019559618619569569330136157413092936825139939155744166752791806298991315142756047516199715801099337773712069383497036594505459179908643578902326489003249773483366113994720026074305805938712242853874676609731910812703733209567890919146466074269098779037506382353525001430129223468420732174237898140330547703494175526062715886286639547771864848075851449765843196982379504784274547101664110775347653614428806356809943579571010571927464801360303271971117440610792204000615690069527592189653858205255927880288280372077585984295829915703561750709588217090852116496158482938413088607368951300985039122309750849016426352040871770236121596530251705369377644672577502898564911413385213577596555760513481807383262378289233610305089300027187649869380105251191046632678679957595133454898794094767081107273610897653963259507032202194746026667535565012845643529236851613126922051139231119656592380925337932298764021810896633003754451532160645076565942988897950720262586988263749869310709817026336259267694458845647623419436915934182287882583296660871434691824440746397627265302663199818822058863943436931229964879033230091279601828273066188517382272183907154903703903171074111340384675608640870952989861580603273606155393808061287546764222495758609812612669466849788545193495345754592869245291048276165526435716892093163679536914284985000204341873894235256537659474174936976885331289848814990559914195951380269708251544052057214524548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走几步,然后停下来!

当然,当我说这很简单的时候,我只是在开玩笑。机器是很容易描述,但要证明它确实需要这么长的时间才能运行,需要真正的工作!您可以在此处阅读此类证明:

•帕斯卡·米歇尔,繁忙的海狸比赛:历史考察.

我不太理解他们。在这一点上,我所能说的是,迄今为止已知的许多录音机与著名的考拉兹猜想。这里的想法是,你可以从任何正整数开始,然后继续做两件事:

•如果是偶数,则将其除以2;

•如果是奇数,则将其增加三倍并加1。

推测是这个过程最终会达到数字1。这是一个计算步骤的图表,它是以数字开头的函数:

漂亮的图案!但这张图显示了它是如何适用于1000万以下的数字的,你会看到它们通常不需要很长时间就能达到1。通常少于600步就足够了!

所以,要想得到一台需要很长时间才能停止的图灵机器,你必须采取这种行为,让它变得更长、更长。相反,要分析《忙碌的海狸》游戏中的潜在赢家之一,人们必须采取这种长期且缓慢的行为,并找出一种方法来更快地预测何时会停止。

接下来是BB(7)。2014年维塔戈拉斯表明了这一点

\显示样式{\textrm{BB}(7)>10^{10^{10/{10^7}}}}

证明BB(N)的下限很有趣。例如,1964年,米尔顿·格林构建了一系列图灵机器,这意味着

\textrm{BB}(2N)\ge 3\向上箭头^{N-2}3

我在用Knuth的向上箭头表示法,这是一个递归定义的求幂泛化,例如

\textrm{BB}(10)\ge3\uparrow^{3}3=3\upar罗w^23^{3^3}=3^{3$3^{\cdot^{\cdot^\cdot}}}}

哪里有3^{3^3}那座塔上有三个。

但寻找最小的N也是有趣的,我们可以证明BB(N)是未知的!这就是人们目前正在取得的进步。

2016年4月的某个时候,亚当·叶迪迪亚(Adam Yedidia)和斯科特·阿隆森(Scott Aaronson)表明,BB(7910)无法使用被广泛接受的数学公理来确定ZFC公司即Zermelo-Fraenkel集合理论与选择公理。这是一个很棒的故事,你可以在这里阅读:

•Scott Aaronson,8000th Busy Beaver数避开了ZF集理论:Adam Yedidia和我的新论文,Shtetl-优化2016年5月3日。

•Adam Yedidia和Scott Aaronson,行为独立于集合论的相对较小的图灵机2016年5月13日。

简单地说,Yedidia创建了一种新的编程语言,称为Laconic,它允许您编写可编译成小型图灵机的程序。他们采用了哈维·弗里德曼(Harvey Friedman)创建的一个算术语句,该语句相当于ZFC常用公理与一个称为“静态拉姆齐特性”的大基数公理的一致性,或者SRP公司他们创建了一个包含7910个状态的图灵机,该图灵机使用ZFC的公理来证明这一算术语句。

由于ZFC无法证明其自身的一致性,更不用说补充SRP时的一致性了,只有当ZFC+SRP不一致时,他们的机器才会停止。

由于大多数集合理论家认为ZFC+SRP是一致的,所以这台机器可能不会停止。但我们无法用ZFC证明这一点。

简而言之:如果集合论的通常公理是一致的,我们就永远不能用它们来确定BB(7910)的值.

基本思想并不是什么新鲜事:新的是数字7910的明确且相当低的值。从诗意的角度来说,我们知道不可知的事情从这里开始……如果不是更早的话。

然而,这一发现引发了一波改进!元数学新闻组、马里奥·卡内罗(Mario Carneiro)和其他人开始了“逻辑黑客”(logic hacking),寻找越来越小的图灵机器,这些机器只有在ZF(即Zermelo–Fraenkel集合理论)没有选择公理不一致的情况下才会停止。

到了5月15日,斯特凡·奥雷尔(Stefan O'Rear)似乎将这个数字降到了1919年。他发现了一个图灵机器,只包含1919个状态,用于搜索ZF公理中的不一致性。有趣的是,这比使用哈维·弗里德曼的聪明技巧效果更好。

因此,如果O'Rear的工作是正确的,我们只能确定BB(1919),如果我们可以确定ZF集合理论是否一致。然而,除非我们发现ZF集合理论中存在不一致性,否则我们无法使用ZF集合论来实现这一点。

有关详细信息,请参见:

•斯特凡·奥雷尔,图灵机元数学验证器2016年5月15日。

我还没有检查他的工作,但它是可用的在GitHub上.

这一切有什么意义?目前,这主要只是一场游戏。然而,它应该有一些有趣的含义。例如,它应该帮助我们更好地定位“复杂性障碍”。

我在这里解释了这个想法:

•约翰·贝兹,复杂性障碍,方位角2011年10月28日。

简言之,虽然一个比特串或任何有限结构可以包含的信息量没有限制,但我们可以获得的信息量是有限制的证明它有!

这个信息量很低,可能只有几千字节。我相信逻辑黑客的新工作可以用来更准确地估计它!

52对繁忙的海狸游戏

  1. 你提到你想看对6个州纪录保持者的分析。我没有,但在这一页的底部,有对前两位六州纪录保持者的分析。你至少对这些持久状态机中正在发生的事情有一种感觉。

    •罗伯特·穆纳福,大数字–注释2001年11月27日。

    • 酷!我认为这些参赛者应该放在同一个Github网站上,并由想玩这个游戏的人进行检查;否则,我们只需要信任个别参赛者。

      • 斯特凡·奥雷尔 说:

        我认为你把它描述成有“参赛者”是有点不对。Scott Aaronson和Adam Yedidia使用Friedman的声明和生成它的程序发布了7918-state TM,并直接声称使用FOL的TM的最低复杂性,但我不同意。所以我写了一个直接版本的概念证明,因为我错误地判断了Adam的编译器是如何工作的,所以无法对其进行实际评估;但它仍然引起了人们的兴趣,马里奥建议对它进行改进。我用自己的编译器使它工作,得到了5349状态的版本,然后花了几天时间改进后,它达到了1919个状态;彼得·泰勒(Peter Taylor)做了一些小的改进,达到了1895个州。我还没有使用马里奥的建议;一旦我这样做了,它就会缩小很多(我估计会有1500个州,但直到它发生我们才知道)。

        说“参赛者”意味着我们在竞争,但这是一个使用单个代码库的合作项目。

        术语挑剔:“Metamath”不是新闻组的名称。它是一个软件程序的名称(一个计算机验证程序,与Coq、HOL Light、Mizar等非常相似);新闻组没有一个合适的名称,但我们称之为“Metamath组”,因为它的存在是为了讨论Metamath。

        此外,ZF和ZFC在理论上证明本质上是相同的系统。如果另一个是一致的,那么每一个都是一致的。我倾向于说ZF,因为我是那种从选择公理中得到糟糕回味的人,而一致性检查器忽略了它,因为它没有任何作用,但把它描述为“一个更简单的系统”有点奇怪。

        据我所知,没有人尝试过使用对我很有效的技巧来优化原始SRP版本,所以我们不知道差距有多大,或者在哪个方向(!)。哈维·弗里德曼(Harvey Friedman)的“暗示Con(ZF)的自然算术语句”的工作领域也是IIUC,它还处于起步阶段,因此在这方面也可能有实质性的简化改进。

        我对我在那里所做的事情一直很感兴趣,这让我受宠若惊。让我知道我是否可以帮助您大致了解结果或其他信息。

        • 谢谢!我已经试着修了一些卡瓦。

          (我只是把ZF描述得更简单,因为它的公理更少。但见鬼,我不妨告诉大家它是什么。)

  2. 如果有人在一个多小时前读了这篇文章,我很抱歉:这篇文章还没读完。现在应该更好了。

    (此处的时间戳使用格林威治标准时间,基本上与协调世界时,或UTC。)

  3. 莱拉·伊达拉尼 说:

    这里描述的BB(n)实际上是计算机器从所有0开始打印的1的数量,而不是计算它所需的步数。例如,文章中给出的2状态机需要13个步骤并打印6个1。

    • 人们有两种功能:

      \西格玛(n)是n状态图灵机停止打印的最大1数。

      S(n)是n状态图灵机在停止之前可以执行的最大步数。

      人们通常使用BB(n)作为\西格玛(n),但是斯科特·阿伦森已开始使用BB(n)作为S(n),包括在他的最近的博客文章他写道:

      回想一下,BB(n)或第n个Busy Beaver数被定义为任何n状态图灵机在初始空白磁带上运行时所需的最大步骤数,假设机器最终会停止。

      所以这就是我在这篇文章中试图做的,但我有时可能会混淆。如果是这样的话,我会设法解决它。

      • 实际上,我在这里列出的BB(n)的值似乎与我给出的定义一致,即BB(n)=∑(n。如果有不一致的地方,我想听听,这样我就可以解决了。

        • 莱拉·伊达拉尼 说:

          所以一定有什么问题,因为您打印的机器肯定不会在6个步骤内停止。它分13步停止,并打印6个1,根据我遇到的大多数定义,它是3状态BB机器。特别是,我不认为你所画的机器所表示的C是暂停状态。

        • 哦!问题是我把三态图灵机的图片放错了地方!我说它有三个州,但我在讨论了两个州的获胜者之后坚持了下来。我会解决的。

        • 莱拉·伊达拉尼 说:

          还有一个问题,列出的机器赢得了“最多1”的游戏,但不是“运行时间最长”的游戏!它分13步打印6个1。事实上,根据帕斯卡·米歇尔的页面,运行21步的机器只打印51。

        • 可以。该死,那么我需要删除那张照片。

  4. 看起来你的一个公式应该是BB(2N)\geq 3\uparrow^{N-2}3,不是BB(2N)\geq 3\uparrow^{k-2}3.

  5. 克雷格 说:

    当斯科特发表他的博客帖子时,我想了一下如何向不熟悉图灵机器的人解释这个谜题(例如,聪明的高中生,因为我刚刚有了这样的演讲)。不幸的是,我想不出一个好办法。

    我认为用高级语言解释Halting问题很容易,因为它可以用高级编程语言重新表达。但根据定义,繁忙的海狸问题更直接地取决于图灵机器的“硬件”。

    有折衷方案吗?比方说,在兰姆达微积分中,得到BB类问题最自然的方法是什么?或者我可以定义像Python这样的语言的一个子集并定义\数学{BB}(宽带)_\数学{py}(N)成为我可以从N个-这个Python子集中的行程序?

    • 你好!您可以使用任何您喜欢的编程语言,从COBOL到Python再到lambda演算,并定义BB(n)的版本为用n个符号编写的暂停程序可以运行的最大步数,或者用N个符号编写的停止程序可以打印的最大符号数。只要您的编程语言允许您计算所有图灵可计算函数,并且我列出的所有函数都具有此属性,那么基本定理将始终正确:

      •BB(n)的增长速度将超过任何可计算函数。

      •你最终会得到一个n值,这样BB(n)就不能用集合论的常用公理证明有任何特定的值……或者说,一阶逻辑中的任何递归可枚举公理系统……只要这些公理是皮亚诺算法的一致扩展。

      因此,是的,为此,您可以使用您的观众最喜欢的任何编程语言!

      当然,BB(n)的确切值取决于细节。这篇特别的帖子是关于我们使用2符号图灵机时的确切价值:我们知道什么,我们不知道什么,以及我们“不知道”什么。所以我必须提供一个关于图灵机的速成课程。

      顺便说一下,您必须注意“从n行程序中可以创建的最大输出”,因为如果行可以任意长,那么这可能是未定义的。

      • 克雷格 说:

        是的,这就是我要说的。显然,每一种(图灵完全)编程语言都有一个繁忙的海狸式问题,用你使用的符号数量来简单地表达。但这并不像纯图灵机器那样令人满意。首先,由于编写任何非平凡程序的开销,您需要更长的时间才能获得任何输出。这并不会使过程无效,但会使它变得不那么有趣。其次,用一种富有表现力的语言,我觉得它更像是一种“谁能说出最大的数字”的练习,而不是一个解开(比如说)一个6态TM的深奥行为的过程,尽管如此,它仍在继续运行。

        由于《忙碌的海狸》是一款游戏或益智游戏,它需要用一种让游戏有趣的语言来表达。

        • 是的,因为玩这个游戏有着悠久的传统,有一定的规则,所以当你改变规则时,玩它就不那么令人满意了。这有点像85米短跑。

          本论文截至2016年2月已有相当完整的历史:

          •帕斯卡·米歇尔,繁忙的海狸比赛:历史考察.

          作者不断更新它,这是它的第四次更新。

    • 中定义了一个非常简单的基于lambda演算的Busy Beaverhttps://oeis.org/A333479

      在最多49位中,它已经超过了格雷厄姆的数字。

      基于BLC的相关最优Busy Beaver函数定义于https://oeis.org/A361211

  6. 啊,我喜欢黑客新闻注意到我的博客。每小时点击次数激增:

    我觉得外面有一大群无聊的程序员,他们只是在等待娱乐。

  7. 戴夫·特威德 说:

    所以这有点吹毛求疵,但是:如果我们有一个ZFC矛盾搜索器的n状态图灵机编码,如果我们只知道ZFC,那么BB(n)是不可知的,不是吗除非我们运行它,它实际上在一段时间内停止,否则我们准备等待(当然,它只能做到这一点,ZFC是不一致的)。如果发生这种情况,我们可能仍然不知道BB(n),因为如果长度n我们不知道如何证明终止,可能还有很多其他程序,但一个障碍已经消失。

    • 斯特凡·奥雷尔 说:

      这是一个重要的问题,也是一个众所周知的问题。几乎所有Gödelian都需要假设“如果X和Y,并且您的逻辑是一致的”,因为如果ZFC不一致,那么ZFC将证明Con(ZFC)(以及其他所有东西)。

      OP给出了两次我能找到的警告:

      事实上,无论你在数学中使用什么公理系统,只要它有有限多个公理并且是一致的,

      然而,我们不能使用ZF集合理论来实现这一点-除非我们在ZF集合理论中发现不一致.

    • Dave写道:

      所以这有点吹毛求疵,但是:如果我们有一个ZFC矛盾搜索器的n状态图灵机编码,如果我们只知道ZFC,那么BB(n)是不可知的,不是吗除非我们运行它并且它实际上在一段时间内停止,否则我们准备等待(它只能这样做,当然ZFC是不一致的)。

      是的,我想我在这里提出了这样的观点:

      因此,如果O'Rear的工作是正确的,我们只能确定BB(1919),如果我们可以确定ZF集合理论是否一致。然而,除非我们发现ZF集合理论中存在不一致性,否则我们无法使用ZF集合论来实现这一点。

      我应该补充一点,大多数数学家出门时更害怕被小行星撞击,而不是发现ZFC中的不一致,所以你经常会发现语句中省略了“除非ZFC不一致”这一子句。我在这里做到了:

      简而言之,如果我们只知道ZFC,那么BB(7910)是未知的。

      也许你是在对暂时缺乏谨慎做出反应。由于我为自己清楚地了解这个问题而感到自豪,我将把我的声明改为:

      简而言之:如果集合论的通常公理是一致的,我们就永远不能用它们来确定BB(7910)的值.

      不那么浮华,但更准确。

      顺便说一下,命题演算甚至可能不一致。有证据表明它不是……但如果命题演算不一致,我们就不能相信任何东西,即使是这些证据!

      在实践中,我认识的每一位逻辑学家都明智地认为命题演算是一致的,大多数数学家甚至因为我提到了命题演算不一致的可能性而斥责我。这不是我失眠的原因,但我认为这很有趣。

      • 吊带草 说:

        谢谢斯特凡和约翰。我的观点是,运行机器可能也会给您提供一些信息(但不太可能,因为只有在ZFC不一致且不一致性很小的情况下,它才会这样做。)我不是一个足够好的逻辑学家,不知道是否有独立于ZFC的语句,这些语句实际上可以被称为搜索问题,可能会在有限时间内停止,但如果它们存在,那么如果只有ZFC,它们就无法终止,除非运行它们实际上会在短时间后停止。

      • Dave写道:

        我的观点是,运行机器可能也会给您提供一些信息(但不太可能,因为只有在ZFC不一致且不一致性很小的情况下,它才会这样做。)

        没错。部分问题是,在这个游戏中,人们试图最小化图灵机器中的状态数,而不是在发现矛盾(如果存在)之前最小化运行时间。如果你真的想在我们的文明终结之前找到一个矛盾,你应该写一个不同的程序。

        这里还有一些我想补充的东西。如果我们真的相信ZFC是一致的,我们可以将公理Con(ZFC)添加到ZFC中,并得到一个公理系统,证明在ZFC中搜索不一致性的图灵机器永远不会停止。这并不一定使我们能够确定BB(1919)或BB(7910)的值!然而,它提出了一个奇怪的问题:一些看似合理的额外公理能否使我们能够确定一些n的BB(n)的值,否则我们会陷入困境?

        一个具体的例子可能是BB(5)。确定其价值的障碍是,大约有40台图灵机器,其中有5个状态似乎永远在运行……但我们不知道如何证明它们确实在运行。如果我们仔细考虑这些问题,我们是否可以使用ZFC解决这些问题,或者发明合理的新公理来解决这些问题?

        可能吧……但我怀疑会这样。如果我们愿意,我们可以将黎曼假设或科拉茨猜想作为一个额外的公理添加到ZFC中。但除非证明它们独立于ZFC,否则我们可能不会。

        我不是一个足够好的逻辑学家,不知道是否有任何独立于ZFC的语句,这些语句实际上可以用搜索问题来表述,可能会在有限的时间内停止。

        这种形式唯一能让人想到的是,对于各种公理X,“ZFC+X是不一致的”。我们总是可以在ZFC+X中寻找0=1的证明。

      • 约翰写道:

        如果我们真的相信ZFC是一致的,我们可以将公理Con(ZFC)添加到ZFC中,并得到一个公理系统,证明在ZFC中搜索不一致性的图灵机器永远不会停止。这并不一定使我们能够确定BB(1919)或BB(7910)的值!然而,它提出了一个奇怪的问题:一些看似合理的额外公理是否能够让我们确定BB(n)对于某些n的值,否则我们就会陷入困境?

        答案是对!从ZFC开始,反复添加“我以前的所有公理都是一致的”公理,然后这样做无限多次,我们最终可以得到确定所有n的BB(n)的公理!

        事实上,我们甚至不需要从ZFC开始:皮诺算法就足够了!

        这里有一个很好的讨论:

        Π1-句子独立于ZF、ZF+Con(ZF)、ZF+Con(采埃孚)+Con。?,数学溢出.

        这相当微妙,因为我们需要使用超限归纳法并为可数序数选择索引方案,而结果可能取决于我们的索引方案。我想学习一下并在某个时候解释一下。

        • 戴夫·特威德 说:

          真 的!在整个主题中,我一直不确定ZFC(或ZF或PA)作为证明终止/非终止的手段,以及在图灵机计算中被编码的双重作用。我不清楚这是不是在考虑过于完整的程序,也不知道是否有更简单的程序在任何合理的理论下都无法被证明是可以终止的。

          但上面讨论的是从这个无限增广理论确定BB(n),即所有长度为n的程序的行为,而不仅仅是从ZFC(或其一个增广)导出的长度为n程序的行为。

        • Dave写道:

          我不清楚这是不是在考虑过于完整的程序,也不知道是否有更简单的程序在任何合理的理论下都无法被证明是可以终止的。

          “逻辑黑客”发现了一台1919状态的图灵机器,无法使用ZFC决定其终止。可能有更简单的程序无法使用ZFC决定其终止。在5到1919之间的某个地方有最小的N,因此有一个N状态图灵机,其终止在ZFC中是不可判定的。这也是最小的N,因此不能证明BB(N)具有使用ZFC的值。(所有这些都是假设ZFC是一致的!)

          这是一个令人恼火的巨大差距,但大幅缩小差距可能需要新的想法,而不仅仅是编写更聪明的程序来检查ZFC是否存在矛盾。

          据我所知,没有人知道我们是否能够找到最小的N,这样就有一个N状态图灵机,其终止在ZFC中是不可判定的。

          但所有这些都是关于ZFC的,而不是“任何合理的理论”。

          逻辑黑客试图为PA提出同样的问题。为了找到一些数字N,从而无法证明BB(N)具有使用PA的价值,创建一个N状态图灵机就足以在PA中寻找矛盾。然而,尽管PA在某些方面似乎比ZFC简单,但在其他方面显然更复杂,到目前为止,这使得这个数字N大于1919。

          我描述的一些理论,我们采用ZFC或PA,并反复添加公理,表示“我之前的所有公理都是一致的”,无限多次并不是我所说的“合理”公理。他们是可信的,但我认为在实践中不可能与他们合作。事实上,它们可以用来解决繁忙的海狸问题,这表明没有任何计算机程序能够列举出这些公理的所有后果。

        • 嗯,如果我理解正确的话,问题是,一旦你对序数进行了超限,你用来编写序数的方法可能会包含很多信息,所以你可以做一些预备工作来证明每个\第2页声明。我想有人可能会问,如果使用序数的“自然”表示,并且不使用任何“编码额外信息的技巧”,那么可以证明多少。但问题是,引号中的术语没有明确定义。

      • 约翰,命题演算可能不一致的说法非常有趣(几乎令人不安:-)。关于它还有什么要说的吗,也就是说,有关于它的论文吗?

        • 我不知道有什么关于它的论文。应该有一些关于“逻辑确定性”概念的哲学和逻辑论文,以及我们何时可以信任一致性证明的问题:它们是已经讨论了很长时间的众所周知的问题。但我不知道有什么论文对命题演算的通常一致性证明提出质疑。

          我个人认为命题演算、谓词演算和皮亚诺算法等非常基本的原则的一致性被广泛相信,原因如下:1)它们还没有导致任何矛盾,2)如果我们假设某些其他子集不会导致矛盾,我们可以证明这些原则的某些子集不会导致冲突。所以,每个人都认为这些原则是一致的。我认为这很好-只要我们注意到我们在做什么!

        • 布宾德·辛格·阿南德 说:

          以下论文将于12月发行认知系统研究,给出了Hilbert在其23个千禧年ICM-1900问题中的第二个问题中寻求的一阶Peano算术PA一致性的有限证明:

          区分人类推理和机械推理的真理分配:卢卡斯哥德尔论文的循证论证

          因此,一阶谓词演算FOL在希尔伯特的意义上也是一致的,这就是我认为当提及正式的数学系统时,“一致性”一词通常被理解的方式。

          如果命题演算是“不一致的”,那么它可能在某种意义上是“一致的”一词,而不是我相信希尔伯特想到的。

        • 我只是说,如果在谓词演算中有F=T的推导,那么我们几乎可以在任何逻辑系统中推导出任何东西,所以我们不能相信通常用来证明数学系统一致性的参数。

  8. […]繁忙的海狸游戏,以及已知和未知之间的界限[…]

  9. 啊,忙碌的海狸。我最喜欢的海狸。大约10年前,我写了一篇关于“忙碌的海狸”的文章,其中有它如何行走的图表和其他有趣的信息:

    http://www.catonmat.net/blog/busy-beaver/

  10. 拱门1 说:

    “……大约有40台[BB(5)]机器做着无人理解的非常复杂的事情。人们相信它们从未停止过,但没有人能够证明这一点。”

    我从参考的历史调查中看到,通过机器和手动分析的结合,到1990年,“坚持”的人数已减少到约100人(约63万亿,对吧。有人能描述一下剩下的40人永不停歇的信念的基础吗?此外,我对最近在确定无障碍物方面取得的进展感到好奇:公平地说,它已经停滞不前了,还是连续的案件仍在解决中?

    • 感谢您对此进行深入研究。我认为这些细节实际上会比我在帖子中列出的“世界纪录”更有趣。人们做了什么来研究阻止我们计算BB(5)的40个坚持者?这一定很有趣。

      不幸的是,许多试图理解BB(n)的人似乎都是“黑客”,他们更感兴趣的是解决问题,而不是写漂亮的解释性论文。

      然而,本次调查:

      •帕斯卡·米歇尔,繁忙的海狸比赛:历史考察.

      说:

      对具有5个状态和2个符号的图灵机器的研究仍在继续。Marxen和Buntrock(1990)、Skelet和Hertel(2009)创建了检测永不停止机器的程序,并手动证明了一些机器在其程序检测不到的情况下从未停止。在每一个案例中,大约有100名坚持者抵制计算机和人工分析。参见Skelet的研究

      http://skelet.ludost.net/bb/index.html

      丹尼尔·布里格斯(Daniel D.Briggs)创建了一个专门用于本研究的网站和论坛:参见

      网址:http://web.mit.edu/~dbriggs/www

      所以,这些就是开始的地方!不幸的是,我找不到布里格斯的网站或论坛,即使有一些创造性的谷歌搜索和Wayback Machine。所以,Skelet是这方面的关键人物。

    • Skelet写入:

      我的程序bbfind枚举了图灵机器,然后试图证明它们的无穷大性。作为副作用,确定并检查回采机的BB记录。

      当前版本正确评估了类TM(4)和重要子类TM(5)的S(n),称为RTM(5)(具有5个状态的反转机器)。

      函数S(n)是我在本文中称之为BB(n)的更具技术性的名称。TM(5)是一组5状态图灵机,这就是arch1所问的。

      对于TM(5)类,该程序留下164台未经验证的机器(由于一些微不足道的原因,有些机器与其他机器同构)。

      这比我在博客中提到的数字“大约40”还要大,我是从维基百科文章其中写道:“目前五州繁忙的海狸冠军使用47176870步(由海纳·马尔森和Jürgen Buntrock于1989年发现)产生4098个1,但仍有大约40台机器具有非常规行为,据信这些机器永远不会停止,但尚未证明它们可以无限运行”。

      维基百科的这篇文章提到了Skelet的这一事实,事实上,在本页后面,Skelet提到他无法确定43台机器是否停止。我猜他用bbfind程序进行初步分析,然后更加努力!

      当前版本工作缓慢,TM(5)的完整扫描可能需要1到2周。

      对于TM(5)类,该程序列举了大约150M台机器。

      我不知道那个数字是从哪里来的。n状态图灵机的总数应为

      (4(n+1))^{2n}

      因此对于n=5,

      24^{10} = 63,403,380,965,376

      正如arch1所写,这实际上约为63万亿美元。然而,专家们知道如何立即排除大多数此类情况!

      • 拱门1 说:

        谢谢约翰。我不知道150M是从哪里来的,但林和拉多给出了公式(2N-1)4N^(2N-2),用于一个较小的子集,可以集中用于BB目的。

        对于BB(5),这使其从约6.3万亿台机器降到2304亿台(2.304e11)。其中一些细节是草图在这里在Robert Munafo的大数字页面下。

        (OFF-TOPIC:Munafo的页面看起来相当惊人;避免迫在眉睫的截止日期:-)。

    • 在他的网页上Skelet将5状态图灵机分为各种类型,我不理解,因为他使用了很多图灵机符号来定义它们。

      1. k线性序列。

      a.线性递增序列:其中一些机器的非停止性可以通过他的程序TryL1Cnt来证明,解决了大约95%的非平凡机器。

      b.类Collatz序列:其中一些机器的非停止可以通过他的程序TryModFin来证明,但所有记录保存机器(已知会停止)都属于这一类。

      c.线性二进制序列:其中一些机器的不停止可以通过他的程序TryBL_Proof来证明。

      1. 非线性序列。

      a.固定位置计数器:可以通过其程序TryPFin_2证明其中一些机器没有停止。

      b.游泳头计数器:这些机器是否停止可以通过他的程序“混沌哈夫曼测试”来证明,这与哈夫曼代码有关。

      1. 其他类型(非常规)。

      这些是做神秘事情的机器。其中有164个。在其停止行为仍然未知的机器中,所有43台机器都属于这一类,他对此进行了讨论另一页.

  11. 多梅尼科 说:

    我不明白,图灵机的暂停命令是用一个只有0的不可访问磁带和一个带有2^N个可能的simbols的终端磁带获得的,最后一个符号打印为0或1,还有倒数第二个状态。
    如果选择一个单一的状态,并且是一个simbol,那么图灵机就会停止;但如果终端磁带足够大,那么磁带上每个可能的符号串的停止状态都是不可能的,对于每个初始状态(如果发生这种情况,机器不会停止):我认为可能的终端字符串的数量小于图灵机器可能的步数,如果停止,可以进行测试;但肯定有我的错误。

    • 我不太明白你在说什么,但在《忙碌的海狸游戏》中,磁带以所有0开头。这有用吗?

      • 多梅尼科 说:

        我试图思考图灵机的最终状态,然后最终的磁带是一个由1和0填充的字符串,直到终端符号为1或0,然后剩余的磁带是由0填充的(图灵机头部在停止之前不写入的位置);然后图灵机器在一个可能的内部点停止。
        可以研究图灵机的最后部分(如函数的渐近行为),然后可以选择初始单元(靠近磁带的终端部分)、初始状态,并验证图灵机是否停止(搜索最终字符串是否为终端字符串)我认为步骤数低于整个序列的步骤数(虽然暂停单元可能位于磁带的中间):不可能验证图灵机器的步骤数,但可以验证是否存在导致暂停的序列(其中一个可能是繁忙的海狸游戏),并了解最终值(如渐近线)。
        磁带上的符号随动态变化,但如果考虑所有可能的最终字符串,其中一个必须是具有最小步长的终端字符串(具有不同的初始状态),以获得暂停(例如,如果选择单元格、终端字符串、内部状态,则可能需要几个步骤来验证是否存在暂停)。

        • 多梅尼科 说:

          我想有很多图灵机器都有相同的BB(N)。例如,一台机器向右而不是向左进行相同的操作,或者如果有一个充满1的初始磁带(对起始磁带的任意重新定义,并且有一个繁忙的海狸游戏,具有相同的动态和相反的符号),或者一台具有状态符号排列的图灵机(或所有这些条件的组合); 但如果这是一个动态的,那么有可能在任意初始条件下增加BB(N),即一个长度有限的初始字符串,其中包含一些1和0?如果初始字符串不是图灵机从空磁带开始在磁带上写入的字符串,则可以增加BB(N)的长度。
          如果图灵机没有停止,那么在写入状态的写入字符串中存在周期性(另一个磁带)。

  12. 有点偏离主题,但广达最新文章描述了一个最近的结果,该结果表明,任何可以用无限拉姆齐定理应用于对也可以在不假设任何无限集存在的情况下得到证明。但对于应用于三元组的无限拉姆齐定理来说,这不是真的!

    • 真有趣!文章说:

      然而,今年1月,Patey和Yokoyama这两位年轻人在新加坡的一次会议上宣布了他们的新结果,他们凭借各自在可计算性理论和证明理论方面的综合专长,在该领域掀起了一场震撼。通过大量的技术,他们证明了\马特姆{RT}_2^2在逻辑强度上确实等于原始递归算术,因此是有限可约的。

      这篇文章很好地解释了这句话\马特姆{RT}_2^2说;因为它涉及任意的无限集,我认为它是\马特姆{RT}_2^2对于与非常弱的公理相结合时等价于原始递归算法的算法。

      基本递归算法审慎监管局是一组算术公理,比皮亚诺算术弱得多,皮亚诺算法甚至不包括量词\对于所有人\存在。。让我借此机会帮助自己记住它。据维基百科:

      审慎监管局的语言包括:

      •可计数的无限数量的变量x,y,z,…。

      •命题连接词;

      •等号=、常量符号0和后继符号S(表示加一);

      •每个基本递归函数的符号。

      审慎监管局的逻辑公理是:

      •命题演算的重言论;

      •通常将等式公理化为等价关系。

      审慎监管局的逻辑规则是模式选择和变量替代。非逻辑公理包括:

      •S(x)≠0;

      •S(x)=S(y)⇒x=y,

      以及根据需要为每个基本递归函数递归定义方程。

      所以,非常简单!

      这个阿克曼函数可计算但不可计算原始递归; 没有一个原始递归函数能增长得这么快,所以PRA不仅是有限的,而且在它可以谈论的函数方面也受到了限制。

      事实上,我刚刚读到一个函数

      f:\mathbb{N}\to\mathbb{N}

      如果存在自然数,则为本原递归米这样的话f(n)可以由始终在A(m,n)或更少的步骤,其中A(m,n)是Ackermann函数!所以,原始递归算法和Busy Beaver Game之间有着很好的联系!

      为每个基本递归函数使用单独的符号的想法听起来很混乱,但这只是一种避免需要建立框架来定义新函数的方法。甚至有一种描述PRA的方式根本没有提到逻辑连接词!

      如果我们能够进行归纳,我们可以证明PRA是一致的\欧米茄^\欧米茄。通过比较,为了证明Peano算法的一致性,我们需要进行归纳\ε_0。

      这篇文章涉及到,但没有详细讨论,分类的大项目,哪些语句可以在哪种算法中得到证明。它被称为逆向数学在研究数学“传统”基础(即不是拓扑理论、同伦类型理论或其他类别的方法)的人们中,这个项目已经非常流行。

  13. nad(奈德) 说:

    我们有一个正在进行的项目,我们探索人体在“编程”或“控制”任务中的用途,其目的是超越屏幕和典型输入设备(主要使用音频和视频交互以及“手指轻敲或摆动”)的功能即与键盘或鼠标或鼠标垫的交互)。在我们最近的实验中,您可以用手势编程一个2符号图灵机器:
    http://www.randform.org/blog/?p=6184
    然而,应用程序本身(由Tim编程)也打算与其他感官输入一起使用(最平庸的当然还是键盘、按钮和鼠标,事实上,这些都是在应用程序原型制作过程中使用的)。实验总结在一篇博客文章中:
    http://www.randform.org/blog/?p=6184
    这里也给出了一些“舞姿”的例子。

您可以在注释中使用标记或HTML。您也可以使用LaTeX,如下所示:$LaTeX E=mc^2$。“乳胶”一词紧跟在第一个美元符号之后,后面有一个空格。

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