Teorema de Goodstein

Em matemática , e mais precisamente em lógica matemática , o teorema de Goodstein é uma declaração aritmética relacionada a sequências , chamadas sequências de Goodstein . As sequências de Goodstein são sequências de inteiros de crescimento inicial extremamente rápido, e o teorema afirma que (apesar das aparências) toda sequência de Goodstein termina em 0. Ela deve seu nome ao seu autor, o matemático e lógico Reuben Goodstein .

O teorema de Goodstein não é demonstrável na aritmética de Peano de primeira ordem, mas pode ser demonstrado em teorias mais fortes, como a teoria dos conjuntos ZF (uma prova simples usa ordinais até ), ou a aritmética de segunda ordem . O teorema, portanto, dá, no caso particular da aritmética de primeira ordem, um exemplo de uma afirmação indecidível mais natural do que aquelas obtidas pelos teoremas da incompletude de Gödel .

Definição de uma sequência de Goodstein

Antes de definir uma sequência de Goodstein, vamos primeiro definir a notação hereditária na base n . Para escrever um número inteiro natural com tal notação, primeiro o escrevemos na forma clássica da decomposição de base n  :

onde cada um é um número inteiro entre 0 e n-1 . Em seguida, aplicamos o mesmo tratamento aos expoentes k , k-1 , ... iterativamente, até obtermos uma expressão que consiste apenas em inteiros entre 0 e n-1 .

Por exemplo, 35 é escrito na base 2 e a notação hereditária (também conhecida como pontuação iterada ) na base 2 .

A sequência de Goodstein de um inteiro m , denotada por G ( m ), é definida como segue: o primeiro elemento da sequência é m . Para obter o seguinte elemento, escrevemos m em notação hereditária na base 2, depois transformamos cada 2 em 3 e, finalmente, subtraímos 1 do resultado. Temos então o segundo elemento da sequência. Para obter o terceiro, escrevemos o elemento previamente calculado em notação hereditária na base 3, mudamos os 3s para 4 e subtraímos 1. Continuamos assim até chegarmos a 0 (o que sempre acontece, como mostrado abaixo).

Mais formalmente, a sequência é definida pela iteração das duas operações a seguir: na etapa n (colocando ):

  1. Escreva o número inteiro em notação hereditária na base n + 1 e substitua n + 1 por n + 2;
  2. Subtraia 1; é assim que conseguimos .

Declaração do teorema

Teorema de Goodstein  -  qualquer que seja o valor inicial de m , a sequência de Goodstein G ( m ) termina com 0.

Exemplos de suítes Goodstein

As primeiras sequências de Goodstein terminam rapidamente.

Sediada Cálculo de (3) Notação hereditária Notas
2 = 3 3 = (2 1 +1) A notação hereditária é mostrada entre parênteses
3 = (3 1 +1) −1 = 3 3 = (3 1 ) Mudamos 2 para 3, então subtraímos 1
4 = (4 1 ) −1 = 3 3 = (3) Mudamos 3 para 4 e então subtraímos 1
5 = (3) -1 = 2 2 = (2) Uma vez que a base usada é maior do que os dígitos da decomposição,

as alterações de base subsequentes não têm efeito.

6 = (2) -1 = 1 1 = (1)
7 = (1) -1 = 0 0

Mas as sequências de Goodstein geralmente crescem durante um grande número de estágios, como veremos mais precisamente na última seção . Por exemplo, as sequências G (4) e G (5) começam da seguinte forma:

Valor Notação hereditária
4 2 2
26 2 3 2 + 2 3 + 2
41 2 4 2 + 2 4 + 1
60 2 5 2 + 2 5
83 2 6 2 + 6 + 5
109 2 7 2 + 7 + 4
...
253 2 11 2 + 11
299 2 12 2 + 11
...
1058 2 23 2
1151 24 2 + 23 24 + 23
...
Valor Notação hereditária
5 2 2 +1
27 3 3
255 3 4 3 + 3 4 2 + 3 4 + 3
467 3 5 3 + 3 5 2 + 3 5 + 2
775 3 6 3 + 3 6 2 + 3 6 + 1
1197 3 7 3 + 3 7 2 + 3 7
1751 3 8 3 + 3 8 2 + 2 8 + 7
...
10830 3 15 3 + 3 15 2 + 2 15
13087 3 16 3 + 3 16 2 + 16 + 15
...
92287 3 31 3 + 3 31 2 + 31
101407 3 32 3 + 3 32 2 + 31
...
762048 3 63 3 + 3 63 2
798719 3 64 3 + 2 64 2 + 63 64 + 63
...

Assim, quando alcançamos a base b = 3 × 2 27 - 1 = 402 653 183, o termo da sequência é igual a b 2 = 162 129 585 780 031 489. O próximo termo é ( b + 1) 2 - 1 , isto é, na base ( b + 1): b ( b + 1) + b , e o termo seguinte será, portanto, b ( b + 2) + b - 1, etc., de modo que não há mais nenhum termo de potência 2 ou maior na notação hereditária.

Quando alcançamos a base B = ( b + 1) 2 b - 1 = 3 × 2 402 653 210 - 1, o termo da sequência é igual a B (a sequência também foi constante da base ( B + 1) / 2). O próximo valor é, portanto, B-1, ou seja, a sequência finalmente começa a diminuir e atinge o valor zero para a base 2 B + 1 = 3 × 2 402 653 211 - 1 , que é d 'em outro lugar a Woodall número (porque 3 × 2 402 653 211 = 402 653 184 × 2 402653184 ). .

A base sobre a qual G (4) posterior termina com mais de 120 milhões de números, o que significa que o número de termos da seqüência G (4) é da ordem de 10 120 milhões .

k vezes

o número de termos da sequência G (5) é então Q - 2 (consulte a última seção para uma justificativa desse cálculo). Este número não pode ser expresso exatamente usando a notação de seta de Knuth , mas é (nesta notação) da ordem de 2 ↑↑↑ 6, ou novamente, usando a função de Ackermann , da ordem de A (5, 4).

Valor Notação hereditária
19
7 625 597 484 990
cerca de 1,3 × 10 154
cerca de 1,8 × 10 2 184
cerca de 2,6 × 10 36 305
cerca de 3,8 × 10.695.974
aprox. 6 × 10 15 151 335

aproximadamente 4,3 × 10.369.693.099

...

Apesar desse rápido crescimento (da ordem de n n 7 , e isso por um número de etapas muito maior do que o número de Graham ), a sequência finalmente diminui, para zero.

Prova

O teorema de Goodstein pode ser demonstrado (por um método que está fora da aritmética de Peano) usando ordinais  : dado um inteiro m e sua sequência de Goodstein G ( m ), construímos uma sequência paralela P ( m ) de ordinais tais que P ( m ) estritamente diminui e termina. Será então o mesmo para a continuação de Goodstein G ( m ), que só pode terminar quando for cancelada.

Mais precisamente, para cada inteiro n , o termo da sequência P ( m ) é obtido aplicando uma transformação ao final da sequência de Goodstein de m da seguinte forma: tomamos a representação hereditária na base n +1 do termo , e substituímos cada ocorrência de n +1 pelo primeiro ordinal infinito, ω; então, por exemplo, e . A adição, multiplicação e exponenciação de números ordinais são bem definidas e o resultado é um ordinal representado na forma normal de Cantor . Além disso, quando realizamos uma mudança de base na sequência de Goodstein para ir de para , temos  : é o ponto central dessa construção (por exemplo, ).

Depois de subtrair 1, será estritamente menor que  :

Uma vez estabelecida a redução estrita da sequência P ( m ), o argumento continua da seguinte forma: se a sequência G ( m ) não chegasse a 0, seria infinita (porque estaria sempre definida). Então P ( m ) também seria infinito (já que também sempre seria definido). Mas P ( m ) é estritamente decrescente; agora que a ordem padrão < no conjunto de ordinais é menor do que uma boa ordem , não há, portanto, nenhuma sequência infinita estritamente decrescente de ordinais ou, em outras palavras, qualquer sequência estritamente decrescente de ordinais termina e não pode, portanto, ser infinita. Essa contradição mostra que a sequência G ( m ) termina e, portanto, chega a 0 (aliás, já que existe um inteiro natural k tal que = 0, e por definição de P ( m ), também temos = 0).

Enquanto a prova do teorema de Goodstein é relativamente fácil, o teorema de Laurence Kirby e Jeff Paris, que afirma que o teorema de Goodstein não pode ser provado na aritmética de Peano, é técnico e consideravelmente mais difícil. A prova de Kirby e Paris usa modelos não padronizados contáveis ​​da aritmética de Peano para reduzir o teorema de Goodstein ao teorema de Gentzen , que dá a consistência da aritmética por indução até o ordinal ε 0 (o limite superior dos ordinais usados ​​para a prova de Goodstein teorema).

O comprimento da sequência em função do valor inicial

A função Goodstein , é definida por "  é o comprimento da sequência de Goodstein G ( n )" (isto é , se aplica , como todas as suítes do final de Goodstein). O crescimento extremamente rápido pode ser medido conectando-se a várias hierarquias de funções indexadas por ordinais, como as funções da hierarquia Hardy (in) ou as funções da hierarquia de crescimento rápido de Löb e Wainer:  

cresce aproximadamente tão rápido quanto (e, portanto, quanto ); mais precisamente, domina por tudo e domina (para duas funções , dizemos que domina se for grande o suficiente). Mais precisamente ainda, Cichon (1983) mostrou que onde é o resultado de escrever n na notação hereditária de base 2, substituindo então todos os 2 por ω (como na demonstração do teorema de Goodstein). .

Aqui estão alguns exemplos :

não
1 2
2 4
3 6
4 3 2 402 653 211 - 2
5 > A (5,4) (onde A é a função de Ackermann )
6 > A (7,6)
7 > A (9,8)
8 > A 3 (3,3) = A ( A (61, 61), A (61, 61))
12 > f ω + 1 (64)> G, o número de Graham
16 > , um número que só pode ser expresso em notação de Conway com um número de setas maior que o número de Graham .
19

(as desigualdades envolvendo a função de Ackermann A e o número de Graham G são detalhadas no artigo sobre hierarquia de crescimento rápido ).

Generalizações e teoremas análogos

Let Ser uma seqüência de inteiros (que podemos supor ser estritamente crescente, com ); podemos definir uma sequência de Goodstein generalizada definindo e escrevendo em cada etapa da notação de base hereditária , substituindo todos os by e subtraindo 1 do resultado a ser obtido  ; embora essa sequência possa crescer muito mais rápido do que a sequência normal de Goodstein (correspondendo a ), qualquer que seja a velocidade de crescimento da sequência , a prova anterior se aplica e a sequência sempre termina chegando a 0.

Paris e Kirby construíram suítes semelhantes usando um modelo de hidra inspirado na lenda da batalha de Hércules com a Hidra de Lerna . São árvores das quais Hércules pode cortar um vértice (uma cabeça) a cada golpe, o que faz com que um número arbitrário de subárvores cresça de volta, mas em um nível inferior; demonstramos substituindo cada árvore por um ordinal (menor que ε 0 ) que os ordinais obtidos formam uma sequência decrescente, daí o resultado: por pior que seja a estratégia de Hércules, e por mais numerosas que sejam as cabeças que voltam a crescer, a hidra acaba sempre sendo derrotado; com regras de crescimento de cabeça mais complexas, o raciocínio análogo também pode exigir o uso de ordinais muito maiores do que ε 0 .

Notas

  1. (em) James M. Henle, An Outline of Set Theory ( leia online ) , p.  137-138.
  2. Um erro comum é pensar que G ( m ) chega a 0 porque é dominado por P ( m ); de fato, que P ( m ) domina G ( m ) não desempenha nenhum papel: o ponto central é que existe se e somente se existe (paralelismo de sequências). Então, se P ( m ) termina, necessariamente G ( m ) também. E G ( m ) só pode terminar atingindo 0.
  3. (en) L. Kirby e J. Paris , “  Resultados da independência acessíveis para a aritmética de Peano  ” , Bull. Londres. Matemática. Soc. , vol.  14,1982, p.  285-293 ( ler online ).
  4. David Madore, "  Estou aprendendo a contar até ψ (εΩ + 1) e domar hidras  " , em http://www.madore.org ,16 de março de 2008(acessado em 29 de abril de 2019 ) .

Veja também

Bibliografia

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