Istituzioni di Logica Matematica

Istituzioni di Logica Matematica
Sezione 9 del Capitolo 2
Alessandro Andretta
Dipartimento di Matematica
Università di Torino
A. Andretta (Torino)
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AA 2013–2014
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Calcolabilità
Funzioni elementari ricorsive
Esempi di funzioni calcolabili
La somma +,
il prodotto ·,
la distanza tra numeri |x − y|,
la (parte intera della) divisione
(
il più grande k tale che y · k ≤ x
bx/yc =
0
se y 6= 0
altrimenti.
Supponiamo che f sia k-aria e che g0 , . . . , gk−1 siano n-arie. La
composizione di f con g0 , . . . , gk−1 è la funzione h : Nn → N
h(x0 , . . . , xn−1 ) = f (g0 (x0 , . . . , xn−1 ), . . . , gk−1 (x0 , . . . , xn−1 )).
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Calcolabilità
Funzioni elementari ricorsive
Esempi di funzioni calcolabili
Se f è k + 1-aria, la somma generalizzata su f e il prodotto
generalizzato su f sono le funzioni k + 1-arie
X
P
f (x0 , . . . , xk−1 , xk ) =
f (x0 , . . . , xk−1 , y),
y<xk
Q
f (x0 , . . . , xk−1 , xk ) =
Y
f (x0 , . . . , xk−1 , y),
y<xk
dove quando xk = 0 poniamo
P
f (x0 , . . . , xk−1 , 0) = 0
Q
f (x0 , . . . , xk−1 , 0) = 1.
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Calcolabilità
Funzioni elementari ricorsive
Composizione di funzioni
La definizione di composizione può apparire troppo restrittiva in quanto
spesso capita di dover comporre delle gi di arietà differente o che l’ordine
delle variabili nelle gi non sia lo stesso. Per esempio consideriamo la
funzione 3-aria
h(x0 , x1 , x2 ) = f (g0 (x1 , x2 ), g1 (x0 ), g2 (x1 , x0 , x0 )).
Per ricondurci alla definizione ufficiale di ‘composizione di funzioni’
dobbiamo utilizzare le funzioni di proiezione Ikn , con k < n
Ikn : Nn → N,
(x0 , . . . , xn−1 ) 7→ xk .
Allora la funzione h qui sopra è la composizione della funzione f con g̃0 ,
g̃1 e g̃2 , dove g̃i è ottenuta da gi mediante proiezioni:
g̃0 (~x) = g0 (I13 (~x), I23 (~x))
g̃1 (~x) = g1 (I03 (~x))
g̃2 (~x) = g2 (I13 (~x), I03 (~x), I03 (~x)).
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Calcolabilità
Funzioni elementari ricorsive
Esercizio
Supponiamo F sia una famiglia di funzioni contenente le proiezioni e
chiusa per composizione. Se σ : {0, . . . , n − 1} → {0, . . . , m − 1} e
f ∈ F è n-aria, allora la funzione m-aria
(x0 , . . . , xm−1 ) 7→ f (xσ(0) , . . . , xσ(n−1) )
è in F.
Se F è una famiglia di funzioni chiusa per composizione e per somme
e prodotti generalizzati e f, g ∈ F sono k + 1-arie, allora
X
(x0 , . . . , xk+1 ) 7→
f (x0 , . . . , xk , y)
y<g(x0 ,...,xk+1 )
(x0 , . . . , xk+1 ) 7→
Y
f (x0 , . . . , xk , y)
y<g(x0 ,...,xk+1 )
sono in F.
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Calcolabilità
Funzioni elementari ricorsive
Funzioni elementari
Definizione
La famiglia E delle funzioni elementari ricorsive è la più piccola classe di
funzioni contenenti la somma, il prodotto, la distanza di due numeri, la
(parte intera della) divisione e le proiezioni, cioè:
+
·
|x − y|
bx/yc,
Ikn
(k < n)
e chiusa per composizione e per somma e prodotto generalizzate.
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Calcolabilità
Funzioni elementari ricorsive
Funzioni elementari
Lemma
Le seguenti funzioni sono in E.
La funzione ck : N → N, n 7→ k.
La funzione sgn : N → N che vale 0 in 0, e vale 1 altrimenti; la
funzione sgn(n) = 1 − sgn(n).
La funzione successore S(n) = n + 1 e la funzione predecessore
· 1, dove 0 −
· 1 = 0.
x 7→ x −
L’esponenziale e il fattoriale.
Dimostrazione.
Osserviamo che:
Q
c0 (x) = |x − x|, sgn(x) = y<x c0 (y), sgn = sgn ◦ sgn,Q
c1 = Q
sgn ◦ c0 , cm+1 = cm + c1 , S(x) = x + c1 , xy = z<y x,
· 1 = |x − c1 (x)| · sgn(x).
x! = z<x S(z), x −
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Calcolabilità
Funzioni elementari ricorsive
Osservazione
Se F : N2 → N è una funzione elementare ricorsiva, allora per ogni n le
funzioni
Fn : N → N m 7→ F (n, m)
sono elementari ricorsive, dato che
Fn (m) = F (cn (m), m) = F (cn (m), I01 (m)).
Il viceversa non è vero: se Fn è elementare ricorsiva per ogni n, non è
detto che F sia elementare ricorsiva. Se f : N → N non è una funzione
calcolabile, non lo è neppure la funzione F (n, m) = f (n), anche se ogni
Fn = cf (n) : N → N è elementare ricorsiva.
Scriveremo A(~x) al posto di ~x ∈ A e diremo che l’insieme A ⊆ Nk è un
predicato
k-ario. I predicati
x = y, x ≤ y, . .. denotano gli insiemi
(x, y) ∈ N2 | x = y , (x, y) ∈ N2 | x ≤ y , . . . .
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Calcolabilità
Funzioni elementari ricorsive
Diremo che A ⊆ Nk è un insieme elementare ricorsivo ovvero un
predicato elementare ricorsivo k-ario se la sua funzione caratteristica
χA : Nk → {0, 1},
χA (~x) = 1 ⇔ ~x ∈ A
appartiene ad E.
Più in generale: se F è una famiglia di funzioni, diremo che A è in F o
che è un F-predicato se χA ∈ F.
Lemma
Supponiamo F ⊇ E sia una famiglia di funzioni, chiusa per composizione e
somma eprodotto generalizzate. G(f ) = (~x, y) ∈ Nk+1 | f (~x) = y , il grafo di una funzione k-aria f ∈ F,
è un F-predicato k + 1-ario.
Dimostrazione.
χG(f ) (n1 , . . . , nk , m) = sgn(|f (n1 , . . . , nk ) − m|).
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Calcolabilità
Funzioni elementari ricorsive
Osservazione
L’implicazione inversa del Lemma non vale per le funzioni e predicati
elementari ricorsivi, cioè non è vero che
χG(f ) ∈ E ⇒ f ∈ E.
Per esempio esistono biezioni elementari ricorsive f : N → N la cui inversa
non è elementare ricorsiva.
Fissiamo F ⊇ E una famiglia di funzioni, chiusa per composizione e per
somma e prodotto generalizzati.
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Calcolabilità
Funzioni elementari ricorsive
Esempi
Se A(x1 , . . . , xm ) è un F-predicato m-ario e f1 , . . . , fm ∈ F sono k-arie,
allora
A(f1 (x1 , . . . , xk ), . . . , fm (x1 , . . . , xk ))
è un F-predicato k-ario.
Questo predicato è l’insieme
{(x1 , . . . , xk ) ∈ Nk | (f1 (x1 , . . . , xk ), . . . , fm (x1 , . . . , xk )) ∈ A} e la sua
funzione caratteristica è χA (f1 (x1 , . . . , xk ), . . . , fm (x1 , . . . , xk )).
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Calcolabilità
Funzioni elementari ricorsive
Esempi
def
Se A, B ⊆ Nn sono F-predicati, allora ¬A = Nn \ A e A ∩ B sono
F-predicati.
χ¬A = sgn ◦ χA e χA∩B = χA · χB . Quindi anche
A ∪ B = ¬(¬A ∩ ¬B),
A \ B = A ∩ ¬B
e
A 4 B = (A \ B) ∪ (B \ A)
sono F-predicati. I predicati
A(x1 , . . . , xn ) ⇒ B(x1 , . . . , xn ) e A(x1 , . . . , xn ) ⇔ B(x1 , . . . , xn )
non sono nient’altro che gli insiemi ¬A ∪ B e (¬A ∪ B) ∩ (¬B ∪ A)
rispettivamente, quindi sono anch’essi F-predicati. Quindi la famiglia dei
sottoinsiemi di Nk la cui funzione caratteristica è in F è un’algebra di
Boole.
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Calcolabilità
Funzioni elementari ricorsive
Esempi
Il predicato x < y è in F
La sua funzione caratteristica è sgbS(x)/S(y)c.
Quindi sono F-predicati
x ≤ y, dato che è equivalente a ¬(y < x),
x = y, dato che è equivalente a x ≤ y ∧ y ≤ x,
x 6= y.
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Funzioni elementari ricorsive
Esempi
Se {A1 , . . . , Ak } è una partizione di Nn e gli Ai sono in F, e se
g1 , . . . , gk ∈ F sono n-arie, allora la funzione f : Nn → N definita da


g1 (~x) se ~x ∈ A1 ,



g2 (~x) se ~x ∈ A2 ,
f (~x) =
.

 ..



gk (~x) se ~x ∈ Ak ,
è in F.
f (~x) = g1 (~x) · χA1 (~x) + · · · + gk (~x) · χAk (~x).
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Calcolabilità
Funzioni elementari ricorsive
Esempi
Se A ⊆ Nn+1 è in F allora l’insieme
B = {(~x, y) ∈ Nn+1 | ∀z (z < y ⇒ A(~x, z))} è in F
Q
La sua funzione caratteristica è k<y χA (~x, k).
Quindi anche
C = {(~x, y) ∈ Nn+1 | ∃z (z < y ⇒ A(~x, z))}
= ¬{(~x, y) ∈ Nn+1 | ∀z (z < y ⇒ ¬A(~x, z))}
è elementare ricorsivo.
Useremo ∀z < y A(~x, z) e ∃z < y A(~x, z) per denotare, rispettivamente, i
predicati B e C. Analogamente anche ∀z ≤ y A(~x, z) e ∃z ≤ y A(~x, z)
sono in F.
Questi predicati sono ottenuti da A per quantificazione limitata.
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Calcolabilità
Funzioni elementari ricorsive
Esempi
Se A ⊆ Nn+1 è in F, allora la funzione n + 1-aria
(
min{z ≤ y | A(~x, z)} se questo insieme è non vuoto,
f (~x, y) =
y
altrimenti,
è in F.
La funzione
P
g(~x, w) = sgn( z<S(w) χA (~x, z)) =
(
0
1
se ∃z ≤ w A(~x, z),
altrimenti,
P
è in F, quindi f (~x, y) = w<y g(~x, w) è in F e diremo che è ottenuta per
minimalizzazione limitata,
f (~x, y) = µz ≤ y A(~x, z).
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Calcolabilità
Funzioni elementari ricorsive
Esempi
Se g(~y ) è in F, allora anche la funzione
h(~x, ~y ) = f (~x, g(~y )) = µz ≤ g(~y ) A(~x, z)
è in F.
Se g ∈ F è n + 1-aria, allora per ogni k ∈ N la funzione n + 1-aria
(
min{z ≤ y | g(~x, z) = k} se questo insieme è non vuoto,
f (~x, y) =
y
altrimenti,
è in F.
f (~x, y) = µz ≤ y A(~x, z), dove A è il predicato n + 1-ario è ottenuto dal
grafo di g,
(~x, y, w) ∈ Nn+2 | g(~x, y) = w ,
sostituendo alla variabile w il valore k, o meglio: la funzione ck (I0n (~x)).
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Funzioni elementari ricorsive
Esempi
Le seguenti funzioni sono in E:
· y = x − y se x ≥ y, x −
· y = 0 altrimenti;
x−
il resto Rem : N2 → N, dove poniamo Rem(n, 0) = 0;
le funzioni di massimo e minimo Nk → N definite da
maxk (x0 , . . . , xk−1 ) = max {x0 , . . . , xk−1 }
mink (x0 , . . . , xk−1 ) = min {x0 , . . . , xk−1 } ;
J : N2 → N e (·)0 , (·)1 : N → N;
β : N2 → N, `(x) = β(x, 0) e (x, i) 7→ ((x))i = β(x, i + 1).
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Calcolabilità
Funzioni elementari ricorsive
Poiché
n ∈ Seq ⇔ ¬∃m < n [`(m) = `(n) ∧ ∀i < `(n) (β(n, i) = β(m, i))]
Seq è in E.
hhn0 , . . . , nk−1 ii è l’intero che codifica (n0 , . . . , nk−1 ), cioè il più piccolo m
tale che β(m, 0) = k e β(m, i + 1) = ni per i < k. La funzione
IS : N2 → N
IS(x, i) = µy ≤ x `(y) = i ∧ ∀j < i ((x))j = ((y))j
è elementare ricorsiva. Se x = hhn0 , . . . , nk−1 ii e i ≤ k, allora
IS(x, i) = hhn0 , . . . , ni−1 ii; per questo motivo IS è detta funzione
segmento iniziale.
La funzione concatenazione Conc : N2 → N è definita da



hha0 , . . . , an−1 , b0 , . . . , bm−1 ii se x = hha0 , . . . , an−1 ii
e y = hhb0 , . . . , bm−1 ii,
Conc(x, y) =


0
se x, y ∈
/ Seq.
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Funzioni elementari ricorsive
Proposizione
1
C’è una funzione elementare ricorsiva B : N2 → N tale che per ogni
n ≥ 1 e ogni k
a0 , . . . , an−1 ≤ k ⇒ hha0 , . . . , an−1 ii ≤ B(k, n)
e per ogni n ≥ 1 la funzione Nn → N,
(a0 , . . . , an−1 ) 7→ hha0 , . . . , an−1 ii, è elementare ricorsiva.
2
Conc è elementare ricorsiva.
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Calcolabilità
Funzioni elementari ricorsive
Dimostrazione di 1
La funzione w(k,
Q n) = max {k, n} · n! è elementare quindi lo è anche
B(k, n) = J
i≤n c(i, k, n), w(k, n) dove
c(i, k, n) = 1 + (i + 1) · w(k,Q
n). Fissati a0 , . . . , an−1 ∈ N, per il Teorema
Cinese del Resto c’è un x < i≤n c(i, k, n) tale che n ≡ x mod c(0, k, n)
e ai ≡ x mod c(i + 1, k, n). Poiché J è crescente in entrambe le variabili,
possiamo concludere che
∃z ≤ B(k, n) `(z) = n ∧ ∀i < n (((z))i+1 = ai )
e quindi
hha0 , . . . , an−1 ii = µz ≤ B(max a0 , . . . , an−1 , n)
`(z) = n ∧ ∀i < n (((z))i+1 = ai )
è elementare ricorsiva.
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Funzioni elementari ricorsive
Dimostrazione di 2
È sufficiente trovare una funzione elementare ricorsiva g : N2 → N tale che
per ogni x, y ∈ Seq
Conc(x, y) = µz ≤ g(x, y) `(z) = `(x) + `(y)
∧ ∀i < `(x) (((z))i = ((x))i ) ∧ ∀j < `(y) (((z))`(x)+j = ((y))j ) .
Poiché β(x, i) ≤ x per ogni i, la funzione
h(x) = max{((x))0 , . . . , ((x))`(x)−1 }
= µn ≤ x [∀i < `(x) (β(x, i + 1) ≤ n)]
è elementare ricorsiva, cosı̀ come lo sono
w(x, y) = max{h(x), h(y), `(x), `(y)} · (`(x) + `(y))!
ci (x, y) = 1 + (i + 1)w(x, y).
Argomentando come nella parte 1 possiamo definire
Q
g(x, y) = J ( i≤n ci (x, y), w(x, y)).
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Funzioni primitive ricorsive
Ricorsione primitiva
Definizione
Se f è k-aria e g è k + 2-aria, diremo che la funzione k + 1-aria
(
f (~x)
se n = 0,
h(~x, n) =
g(~x, n − 1, h(~x, n − 1)) se n > 0,
è ottenuta per ricorsione primitiva a partire da f e g. Le variabili ~x si
dicono parametri della ricorsione; quando non sono presenti, cioè se g è
2-aria e a ∈ N, allora diremo che la funzione h : N → N definita da
(
a
se n = 0,
h(n) =
g(n − 1, h(n − 1)) se n > 0,
è ottenuta per ricorsione senza parametri a partire da a e g.
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Funzioni primitive ricorsive
Osservazione
Gli schemi di ricorsione primitiva e di iterazione possono essere riassunti in
un unico schema se consideriamo le costanti come funzioni zero-arie.
Se nello schema di ricorsione (con o senza parametri) la funzione g non
dipende dalla k + 1-esima variabile, cioè se g è k + 1-aria e
h(~x, n) = g(~x, h(~x, n − 1)),
(n > 0)
diremo che h è ottenuta per iterazione mediante g a partire da f o da a.
Definizione
La famiglia P delle funzioni primitive ricorsive è la più piccola classe di
funzioni contenenti la funzione nulla c0 , la funzione successore S e le
proiezioni Ikn , (k < n), e chiusa per composizione e ricorsione primitiva.
Diremo che A ⊆ Nk è un insieme primitivo ricorsivo o,
equivalentemente, è un predicato primitivo ricorsivo k-ario se la sua
funzione caratteristica è una funzione primitiva ricorsiva.
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Calcolabilità
Funzioni primitive ricorsive
Verifichiamo che E ⊆ P
f (x, y) = x + y è in P dato che è ottenuta per iterazione con
parametri della funzione successore:
(
x
se y = 0,
f (x, y) =
S(f (x, y − 1)) se y > 0.
Analogamente il prodotto e l’esponenziale sono in P, quindi
x
sgn(x) = 0x e sgn(x) = 00 , sono in P.
· 1 è in P dato che è ottenibile mediante la
La funzione g(x) = x −
ricorsione
(
0
se x = 0,
g(x) =
2
I0 (x − 1, g(x − 1)) se x > 0,
quindi è in P la funzione
(
x
· y=
x−
· (y − 1))
g(x −
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se y = 0,
se y > 0,
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Funzioni primitive ricorsive
Verifichiamo che E ⊆ P
· x è in P, quindi anche |x − y| = (x −
· y) + (y −
· x) lo è.
(x, y) 7→ y −
Il predicato x < y è primitivo ricorsivo dato che la sua funzione
· x), quindi anche x ≤ y e x = y sono predicati
caratteristica è sgn(y −
primitivi ricorsivi.
La funzione
(
0
bx/yc =
µz ≤ x (x < y · (z + 1))
se y = 0,
se y > 0.
è in P.
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Calcolabilità
Funzioni primitive ricorsive
Verifichiamo che E ⊆ P
P
Se f ∈ P è k + 1-aria, allora f ∈ P, dato che
P
f (x0 , . . . , xk−1 , 0) = 0
P
P
f (x0 , . . . , xk−1 , y + 1) = f (x0 , . . . , xk−1 , y) + f (x0 , . . . , xk−1 , y),
Q
f ∈ P, dato che
Q
f (x0 , . . . , xk−1 , 0) = 1
Q
Q
f (x0 , . . . , xk−1 , y + 1) = f (x0 , . . . , xk−1 , y) · f (x0 , . . . , xk−1 , y).
Quindi E ⊆ P.
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Calcolabilità
Funzioni primitive ricorsive
Per ogni f : Nk+1 → N sia f m : Nk+1 → N la funzione definita da
f m (x1 , . . . , xk , 0) = hh∅ii = 0
f m (x1 , . . . , xk , y + 1) = hhf (x1 , . . . , xk , 0), . . . , f (x1 , . . . , xk , y)ii.
In altre parole: f m (~x, y) si ricorda di tutti i valori f (x, y 0 ) con y 0 ≤ y, e
per questo motivo è detta la funzione-memoria di f . Chiaramente è
possibile definire (un’analoga del)la funzione f m mediante un differente
sistema di codifica, per esempio quello basato sui numeri primi.
Esercizio
Sia F ⊇ P una famiglia di funzioni finitarie su N chiuso per composizione
e ricorsione primitiva. Dimostrare che
f ∈ F ⇔ f m ∈ F.
Il risultato vale anche quando F = E.
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Calcolabilità
Funzioni primitive ricorsive
Definizione
Se f è k-aria e g è k + 2-aria, diremo che la funzione k + 1-aria
(
f (~x)
se n = 0,
h(~x, n) =
m
g(~x, n − 1, h (~x, n − 1)) se n > 0,
è ottenuta per ricorsione primitiva generalizzata a partire da f e g.
Proposizione
Sia F ⊇ P una famiglia di funzioni finitarie su N chiusa per composizione
e ricorsione primitiva. Se h è ottenuta per ricorsione primitiva
generalizzata a partire da f e g, allora
f, g ∈ F ⇒ h ∈ F.
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Calcolabilità
Funzioni primitive ricorsive
Dimostrazione.
Sia H : Nk+1 → N la funzione definita per ricorsione primitiva
(
F (~x)
se n = 0,
H(~x, n) =
G(~x, n − 1, H(~x, n − 1)) se n > 0,
dove
F : Nk → N
G: N
k+2
→N
F (~x) = hhf (~x)ii,
G(~x, m, y) = Conc(y, g(~x, m, y)).
Poiché F e G sono primitive ricorsive, allora anche H è primitiva ricorsiva.
Quindi anche h è primitiva ricorsiva, dato che
h(~x, n) = ((H(~x, n)))`(H(~x,n))−1
· .
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Calcolabilità
Insiemi ricorsivi e ricorsivamente enumerabili
Sia f una funzione k + 1-aria tale che ∀x1 , . . . , xk ∃y f (x1 , . . . , xk , y) = 0.
La funzione k-aria
g : Nk → N,
g(x1 , . . . , xk ) = min {y ∈ N | (f (x1 , . . . , xk , y) = 0)}
si dice ottenuta da f per minimalizzazione e la si indica solitamente con
µy (f (x1 , . . . , xk , y) = 0).
Se f è calcolabile, allora anche µy (f (x1 , . . . , xk , y) = 0) lo è.
La collezione R delle funzioni ricorsive è ottenuta chiudendo l’insieme
formato da
c0 ,
S,
Ikn (k ≤ n ∈ N)
mediante le operazioni di composizione, ricorsione primitiva e
minimalizzazione, cioè se f : Nk+1 → N è ricorsiva e ∀~x ∃y f (~x, y) = 0,
allora µy (f (~x, y) = 0) è ricorsiva.
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Calcolabilità
Insiemi ricorsivi e ricorsivamente enumerabili
La tesi di Church
La tesi di Church
Ogni funzione calcolabile è ricorsiva.
Esistono buone ragioni per credere nella tesi di Church dato che:
1
tutti gli esempi noti in matematica di funzione calcolabile sono in
realtà funzioni ricorsive;
2
nel secolo scorso sono state proposte numerose formalizzazioni del
concetto di funzione calcolabile — la definizione di funzione ricorsiva
descritta qui sopra è una di queste, tra le altre citiamo le macchine di
Turing e i sistemi di Post. Queste formalizzazioni, benché
all’apparenza molto diverse tra loro, individuano tutte lo stesso
insieme di funzioni, cioè le funzioni ricorsive.
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Insiemi ricorsivi e ricorsivamente enumerabili
Insiemi ricorsivi
A ⊆ Nk è un predicato ricorsivo se la sua funzione caratteristica lo è; in
altre parole A è ricorsivo se c’è un algoritmo per decidere se un elemento
gli appartiene o meno.
La famiglia dei sottoinsiemi ricorsivi di Nk è un’algebra di Boole. Se A è
un predicato ricorsivo k + 1-ario tale che ∀~x ∈ Nk ∃y ∈ N A(~x, y), allora la
funzione µy A(~x, y) che assegna a (n1 , . . . , nk ) il più piccolo m tale che
A(n1 , . . . , nk , m), è ricorsiva, dato che
· χA (~x, y) = 0].
µy A(~x, y) = µy [1 −
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Insiemi ricorsivi e ricorsivamente enumerabili
Funzioni ricorsive
Lemma
Una funzione k-aria f : Nk → N è ricorsiva se e solo se il suo grafo
n
o
G(f ) = (~x, y) ∈ Nk+1 | f (~x) = y
è un predicato ricorsivo k + 1-ario.
Dimostrazione.
Se χG(f ) è calcolabile, anche f lo è: dato ~x si cerca il primo (ed unico) y
tale che (~x, y) ∈ G(f ), e questo y è f (~x).
La dimostrazione qui sopra usa impunemente la Tesi di Church, ma può
essere facilmente trasformata in una dimostrazione che non ne fa uso;
basta osservare che
f (~x) = µm [1 − χG(f ) (~x, m) = 0].
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Insiemi ricorsivi e ricorsivamente enumerabili
Funzioni ricorsive
Corollario
Se f : N → N è ricorsiva ed è una biezione, allora anche f −1 , è una
funzione ricorsiva.
La funzione enumerante di un insieme infinito A ⊆ N è la funzione
f : N → N che ad n associa l’n-esimo elemento di A.
Proposizione
Supponiamo A ⊆ N sia infinito e sia f la sua funzione enumerante. A è
ricorsivo se e solo se f è ricorsiva.
Dimostrazione.
Supponiamo A ricorsivo: f è ricorsiva dato che f (n) = min(A) se n = 0 e
f (n) = g(n − 1, f (n − 1)) se n > 0, dove g(i, k) = µm [A(m) ∧ m > k] .
L’altra direzione discende da A(x) ⇔ ∃y ≤ x [f (y) = x].
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Insiemi ricorsivi e ricorsivamente enumerabili
Funzioni ricorsive
Esercizio
Sia F = E oppure F = P. Dimostrare che:
1
se f : N → N è crescente ed è in F, allora ran(f ) è in F;
2
se A ⊆ N è in F e f è la sua funzione enumerante, ed esiste
h : N → A tale che h ∈ F e ∀n (f (n) ≤ h(n)), allora f è primitiva
ricorsiva;
3
la funzione enumerante di Seq è elementare ricorsiva.
L’ipotesi dell’esistenza della funzione h qui sopra non può essere rimossa
— esistono insiemi primitivi ricorsivi la cui funzione enumerante non è
primitiva ricorsiva.
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Insiemi ricorsivi e ricorsivamente enumerabili
Ricorsività su altri domini
A partire dalla biezione J : N2 → N si possono definire le biezioni
J n : Nn → N,
J n (x0 , . . . , xn−1 ) = J (x0 , J n−1 (x1 , . . . , xn−1 ))
dove J 1 è la funzione identica e J 2 = J . Le funzioni inverse
(·)nk : N → N
(k < n)
sono definite da
J n ((x)n0 , . . . , (x)nn−1 ) = x.
Una funzione
f : Nn → Nm ,
f (~x) = (f0 (~x), . . . , fm−1 (~x))
si dice (elementare/primitiva) ricorsiva se le fi : Nn → N (i < m) sono
(elementari/primitive) ricorsive.
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Ricorsività su altri domini
Esercizio
Sia F una delle classi E, P, R. Verificare che:
1
le funzioni J m e (·)m
i (i < m) sono elementari ricorsive;
2
f : Nn → Nm è in F se e solo se
f˜: Nn → N,
f˜(~x) = J m (f0 (~x), . . . , fm−1 (~x))
è in F.
3
A ⊆ Nm è in F se e solo se
def m
Ã = n ∈ N | ((n)m
0 , . . . , (n)m−1 ) ∈ A
è in F.
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Insiemi ricorsivi e ricorsivamente enumerabili
Ricorsività su altri domini
Una funzione F : N<N → N<N è (elementare/primitiva) ricorsiva se e solo
se c’è una funzione (elementare/primitiva) ricorsiva f : N → N tale che
F (x0 , . . . , xn ) = (y0 , . . . , ym ) ⇔ f (hhx0 , . . . , xn ii) = hhy0 , . . . , ym ii
e un insieme
A ⊆ N<N
è (elementare/primitivo) ricorsivo se e solo se l’insieme
{hhx0 , . . . , xn ii | (x0 , . . . , xn ) ∈ A}
è (elementare/primitivo) ricorsivo.
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Insiemi ricorsivi e ricorsivamente enumerabili
Insiemi ricorsivamente enumerabili
Definizione
Un insieme A ⊆ Nm si dice ricorsivamente enumerabile se è vuoto
oppure è della forma ran(f ) per qualche f : Nn → Nm ricorsiva.
In altre parole: un insieme ricorsivamente enumerabile non vuoto è
ottenibile come output di un programma. Un esempio concreto di insieme
ricorsivamente enumerabile è dato un insieme diofanteo, cioè insieme
della forma
N ∩ {f (n1 , . . . , nk ) | n1 , . . . , nk ∈ Z} ,
dove f ∈ Z[x1 , . . . , xn ]. Il Teorema di
Matiyasevich-Davis-Robinson-Putnam asserisce il converso, cioè: ogni
insieme ricorsivamente enumerabile è diofanteo!
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Insiemi ricorsivi e ricorsivamente enumerabili
Insiemi ricorsivamente enumerabili
Proposizione
Ogni insieme ricorsivo è ricorsivamente enumerabile.
Dimostrazione.
Possiamo limitarci ai sottoinsiemi di N: dato un A ⊆ N ricorsivo e non
vuoto, dobbiamo trovare una f : N → N ricorsiva tale che A = ran(f ). Se
A è finito, A = {n0 , . . . , nk }, allora


n se i = 0,

 0

n1 se i = 1,
f (i) = .
..





nk se i ≥ k,
è ricorsiva. Se A è infinito usiamo la sua funzione enumerante.
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Insiemi ricorsivi e ricorsivamente enumerabili
Insiemi ricorsivamente enumerabili
Teorema
Ci sono insiemi ricorsivamente enumerabili che non sono ricorsivi.
Proposizione
Se A è ricorsivamente enumerabile e infinito, allora A = ran(f ) per una
qualche funzione iniettiva e ricorsiva.
Dimostrazione.
Supponiamo A = ran(g) con g ricorsiva. Definiamo una funzione iniettiva
f : N → N tale che ran(f ) = ran(g):
f (0) = g(0); f (1) = g(i1 ), dove i1 è il primo i > 0 tale che g(i) 6= g(0);
f (2) = g(i2 ), dove i2 è il primo i > i1 tale che g(i) 6= g(0), g(i1 ); e cosı̀
via.
f è chiaramente calcolabile e ran(f ) = A.
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Insiemi ricorsivi e ricorsivamente enumerabili
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Teorema
A ⊆ N e ¬A sono ricorsivamente enumerabili, allora sono ricorsivi.
Dimostrazione.
Supponiamo che A = ran(f ) e ¬A = ran(g), con f e g ricorsive. Poiché
gli insiemi ricorsivi sono chiusi per complementazione, è sufficiente
verificare che A è ricorsivo. Si decide se n ∈ A ragionando come segue: si
calcolano i valori f (0), g(0), f (1), g(1), . . . fino a che non si raggiunge un
k tale che n = f (k) oppure n = g(k); nel primo caso otteniamo che
n ∈ A, nel secondo che n ∈ ¬A, cioè n ∈
/ A. Per la Tesi di Church,
l’insieme A è ricorsivo.
Teorema
Se A e B sono ricorsivamente enumerabili, allora anche A ∪ B e A ∩ B lo
sono.
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Insiemi ricorsivi e ricorsivamente enumerabili
Insiemi ricorsivamente enumerabili
Dimostrazione.
Siano A = ran(f ) e B = ran(g).
La funzione h(2n) = f (n) e h(2n + 1) = g(n) è ricorsiva e
ran(h) = A ∪ B.
Se A ∩ B è finito, allora è ricorsivo e quindi è ricorsivamente enumerabile.
Se A ∩ B è infinito definiremo una funzione ricorsiva k tale che
{k(0), . . . , k(n + 1)} = {a} ∪ Cn , dove a = min(A ∩ B) e
Cn = {f (0), . . . , f (n)} ∩ {g(0), . . . , g(n)}. Questa condizione assicura che
ran(k) = A ∩ B.
La funzione k è definita da k(0) = a e
(
min[Cn \ {k(0), . . . , k(n)}] se Cn \ {k(0), . . . , k(n)} =
6 ∅,
k(n + 1) =
a
altrimenti.
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La funzione di Ackerman
La funzione di Ackerman
La funzione di Ackerman Ack : N2 → N è definita da


se m = 0,
n + 1
Ack(m, n) = Ack(m − 1, 1)
se m > 0 e n = 0,


Ack(m − 1, Ack(m, n − 1)) se m > 0 e n > 0.
Quindi ponendo
Ackm : N → N,
n 7→ Ack(m, n)
si ha che la funzione Ack0 è calcolabile, dato che Ack0 (n) = n + 1, e se
m > 0 una semplice induzione mostra che
(n+1)
Ackm (n) = Ackm−1 (1),
cioè la funzione Ackm è ottenibile mediante un’iterazione della funzione
Ackm−1 .
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La funzione di Ackerman
La funzione di Ackerman
Ripetendo il ragionamento vediamo che il computo dei valori della
funzione Ackm−1 può essere successivamente ricondotto al computo dei
valori delle funzioni Ackm−2 , Ackm−3 , . . . , Ack0 . Quindi per la Tesi di
Church la funzione di Ackerman è ricorsiva.
Teorema
Se f : Nn → N è primitiva ricorsiva, allora c’è un c tale che
∀x1 , . . . , xn (f (x1 , . . . , xn ) < Ack(c, x1 + · · · + xn )) .
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La funzione di Ackerman
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Corollario
La funzione di Ackerman non è primitiva ricorsiva.
Dimostrazione.
Se per assurdo
Ack fosse primitiva ricorsiva, allora anche
Pn
f (n) = i=0 Ack(i, n) lo sarebbe, quindi ∀n (f (n) < Ack(c, n)) per un
opportuno c. In particolare, se n ≥ c allora
Ack(c, n) ≤
n
X
Ack(i, n) = f (n) < Ack(c, n)
i=0
contraddizione!
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