不可解問題

不可解問題

不可解問題(Undecidable Decision Problem)指的是這樣一種問題:他無論如何也不可能有一個正確的算法來解決。雖然不可思議,但這種問題被證明確實是存在的。

相關定義

反證法(歸謬法):先假設命題的否定形式成立,然後再進行推理,引出矛盾。
矛盾:命題P和它的否定形式非P都成。
examples:證明不存在最大的整數、質數是無窮的。

可數(countable/enumerable):集合的元素是有限的,或者集合中的所有元素都與正整數一一對應(即元素可一一列出)。

可數集合examples:
1)有限集合是可數的;
2)0以上的所有偶數的集合是可數的;
3)所有整數的集合是可數的(正負數互動編號);
4)所有有理數的集合是可數的;
5)程式(符合程式語言語法的有限字元的排列)的集合是可數的;

不可數集合:元素不能與1以上的整數(1,2,3….)一一對應的集合;
無論採用什麼對應規則,總會有遺漏的元素。

不可數集合examples:
1)“所有整數數列(無窮個整數的排列)的集合”是不可數的;[對角論證法,康托爾]
2)“所有實數的集合”….
3)“所有函式的集合”….

處理無窮集合的“個數”使用一一對應方法,因為一一對應是既無“遺漏”也無“重複”的對應。

不可解問題:”原則上不能用程式來解決的問題“

關於存在不可解問題的討論:
”輸入1以上的整數時,輸出一個整數的函式“的集合不可數;
所有程式的集合可數;
二者不能一一對應(函式“個數”比程式“個數”多)
故,在輸入1以上的整數時,輸出一個整數的函式中,存在無法用程式表達的函式。

實例

不可解問題的判定以特定的不可解性為其研究對象,是數理邏輯的重要研究領域之一。

圖靈在1936年(那時還沒電腦,我們的父親是在沒有設備支持的純理論基礎上提出來的,提出了第一個不可解問題的實例:The Halting Problem。
The Halting Problem是問,輸入一段程式代碼和一個針對此程式的輸入,能否編程判斷運行這個程式後程式是否會終止。
這個問題的答案是否定的。也就是說,不可能有一種算法可以正確判斷一個指定的程式運行後,給予指定的輸入,程式最後出不出得來。換句話說,The Halting Problem是一個不可解問題。
雖然這感覺似乎不可能,但在嚴格的證明下誰也無法發言反對。
證明過程非常簡單,假設The Halting Problem是有解的,並且已經用程式實現了,那么我們只需要再編寫一個程式Program Bug,就會發現存在矛盾。
反證:既然解決The Halting Problem的算法已經實現了,那么我們一定能定義一個函式
Function Halting(a,b:input_type):boolean;
其中,a是讀入的程式源碼,b是輸入數據。這個函式的功能就是返回對於指定的程式源碼和輸入數據,程式是否能順利退出。
下面編寫一個程式:
Program Bug;
var
code:input_type;
begin
get(code); //讀入code
if halting(code,code) then repeat until false
else halt;
end.
好,現在運行Bug這個程式,並且輸入Bug這個程式本身的代碼。這樣,halting(code,code)其實質就是在判斷這個Bug程式本身了。如果The Halting Problem認為Bug程式會正常退出,那么就讓程式進入一個死循環,否則立即退出程式。矛盾產生。

對角論證

對角論證運用不當的例子:
“所有能用程式生成的整數數列的集合”是可數的。[圖靈]
(雖然可以用對角論證法做出一個整數數列不包含在表中,但不能保證此數列是“能用程式生成的”,正如證明“有理數是可數的”一樣,不能保證做出的肯定是有理數)
註:有理數是整數和分數的集合,整數也可看做是分母為一的分數。 有理數的小數部分是有限或為無限循環的數。不是有理數的實數稱為無理數,即無理數的小數部分是無限不循環的數。

停機問題

程式的行為有兩種:Data->Program->1)Result;2)永不結束運行。
程式本質是計算機存儲設備上的數據。
“處理程式的程式”examples:
1)compiler(轉換程式的程式)
2)source code checker(讀取程式的程式)
3)debugger(調試程式的程式)
停機問題(Halting Problem):判斷“某程式在給定數據下,是否能在有限時間內結束運行”的問題。

判斷程式是否會結束運行的程式HaltChecker:
1)必須準確判斷給定的程式會如何運行;
2)還可能需要根據給定的數據模擬程式的運行;
3)它自身必須要在有限時間內結束運行。
根據以上條件,不能通過實際運行 對象程式來進行判斷。(因為若是對象程式永不結束,則判斷程式也永遠得不出判斷結果)

停機問題是不可解的,能普遍解決停機問題的程式不存在。[反證法]

SelfLoop(p){ halts=HaltChecker(p,p); if(halts){ while(1>0){ } }}123456789

當程式作為數據輸入,例如
假設SelfLoop(SelfLoop)會結束
=> halts=false
=>HaltChecker(SelfLoop,SelfLoop)=false
=> SelfLoop(SelfLoop)不會結束,矛盾!

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