היפר-פעולות

במתמטיקה, סדרת ה**היפר-פעולות** היא סדרה של פעולות בינאריות שאפשר להגדיר באופן רקורסיבי מפעולת המספר העוקב (n=0). ההיפר-פעולות הראשונות הן החיבור (n=1), הכפל (n=2) והחזקה (n=3). המתמטיקאי ראובן גודשטיין נתן שמות לפעולות שמעבר לחזקה: האיבר ה-n-י של הסדרה נקרא לפי התחיליות היווניות של n, בתוספת הסופית "ציה" (לדוגמה, טטרציה (n=4), פנטציה (n=5), הקסציה (n=6), וכן הלאה). פעולות אלו יכולות להירשם באמצעות n-2 חצים בשיטת החץ של קנות' (כאשר n \geq 3). ניתן לפרש כל היפר-פעולה באופן רקורסיבי לפי הפעולה הקודמת לו, באמצעות הנוסחה:



\begin{matrix}
a \uparrow^m b & = & \underbrace{a \uparrow^{m-1} (a \uparrow^{m-1} (a \uparrow^{m-1} (...(a \uparrow^{m-1} (a \uparrow^{m-1} a))...)))} \\
& & b\mbox{ copies of }a
\end{matrix}
(m \ge 0)


היפר-פעולות יכולות להיות מוגדרות גם לפי כלל נסיגה, כמו בגרסת החץ של קנות' של פונקציית אקרמן:


:a \uparrow^m b = a \uparrow^{m-1} (a \uparrow^m (b-1))(m \ge -1)


כלל נסיגה זה משותף לווריאנטים רבים של היפר-פעולות (ראו מטה). אפשר להשתמש בהיפר-פעולות כדי להציג מספרים גדולים בהרבה מאלה שניתן להציג בכתיב מדעי, כמו מספרי סקיוז וגוגולפלקס, אבל יש מספרים שאפילו היפר-פעולות אינן יכולות להציג בנקל, כמו מספר גרהאם ו-TREE(3).

## הגדרה
ההיפר-פעולות הן הפעולות הבינאריות H_n : (\mathbb{N}_0)^2 \rightarrow \mathbb{N}_0, המוגדרות באופן רקורסיבי כך:



H_n(a,b) =
 \begin{cases}
 b + 1 & \text{if } n = 0 \\
 a &\text{if } n = 1, b = 0 \\
 0 &\text{if } n = 2, b = 0 \\
 1 &\text{if } n \ge 3, b = 0 \\
 H_{n-1}(a,H_n(a,b-1)) & \text{otherwise}
 \end{cases}


* עבור n = 0, הגדרה זו מחקה את פעולתה של פונקציית המספר העוקב, והפעולה הבינארית הופכת בפועל לפעולה אונארית – תוך השמטת (ללא תלות ב-) הארגומנט הראשון.
* עבור n = 1,2,3, הגדרה זו מחקה את ארבע הפעולות האריתמטיות הראשונות.
מכאן, נקבל:

:: H_0(a,b) = b + 1 – פונקציית המספר העוקב
:: H_1(a,b) = a + b – חיבור
:: H_2(a,b) = a \cdot b – כפל
:: H_3(a,b) = a^b – חזקה

עבור n \ge 4, הגדרה זו מרחיבה את הפעולות הבסיסיות הללו מעבר לחזקה, אל מה שניתן לרשום בעזרת החץ של קנות':
:: H_4(a,b) = a\uparrow\uparrow{b}
:: H_5(a,b) = a\uparrow\uparrow\uparrow{b}
:: \vdots
:: H_n(a,b) = a\uparrow^{n-2}b \text{ for } n \ge 3
:: \vdots

ניתן להרחיב את שיטת הרישום של קנות' לפרמטרים (שלמים) גדולים מ- -2, כך שתהיה התאמה מלאה עם כל ההיפר-פעולות (למעט הפער המספרי באינדקסים):


H_n(a,b) = a \uparrow^{n-2}b\text{ for } n \ge 0


לפיכך, אפשר לראות את ההיפר-פעולות כתשובה לשאלה "מה הלאה?" בסדרה: פונקציית המספר העוקב, חיבור, כפל, חזקה, ...

מהתבוננות בזהויות:
* a + b = (a + (b - 1)) + 1
* a \cdot b = a + (a \cdot (b - 1))
* a ^ b = a \cdot (a ^ {(b - 1)})
* a\uparrow\uparrow b= a ^{a \uparrow\uparrow {(b - 1)}}

המדגימות את היחסים בין הפעולות האריתמטיות הבסיסיות, ניתן ללמוד איך להגדיר את הפעולות הבאות באופן טבעי, דלעיל. לעיתים, מתייחסים לפרמטרים של היררכיית ההיפר-פעולות במונחים האנלוגיים מעולם החזקות, כך ש-a הוא ה"בסיס", b הוא ה"מעריך", ו-n היא ה"מעלה" (או ה"דרגה").

## דוגמאות
במונחים פשוטים, ההיפר-פעולות הן דרך לבנות מספרים, שקצב גידולם הולך וגובר, בהתבסס על האיטרציות של ההיפר-פעולה הקודמת. הרעיונות העומדים מאחורי ההיפר-פעולות ומאחורי פונקציית המספר העוקב, החיבור, הכפל והחזקה, זהים בבסיסם:
* אופרטור המספר העוקב (הפרימיטיבי והבסיסי ביותר) – מניב מהמספר x את המספר x+1
* אופרטור החיבור – מציין כמה פעמים יש להוסיף את המספר 1 לעצמו, כדי לקבל את הערך הסופי
* אופרטור הכפל – מציין כמה פעמים יש להוסיף את מספר כלשהו לעצמו, כדי לקבל את הערך הסופי
* אופרטור החזקה – מציין כמה פעמים יש לכפול מספר כלשהו בעצמו, כדי לקבל את הערך הסופי

הטבלה הבאה מציגה את שבעת ההיפר-פעולות הראשונות (0 עד 6):(שימו לב, שבערך זה אנו מגדירים: 0 ^ 0 = 1)

## מקרים מיוחדים
*(H<sub>n</sub>*(0, *b* =
: 0, כאשר *n* = 2, או *n* = 3 וגם *b* ≥ 1, או *n* ≥ 4 וגם *b* ≥ -1 אי-זוגי
: 1, כאשר *n* = 3 וגם *b* = 0, או *n* ≥ 4 וגם *b ≥ 0* זוגי
: *b*, כאשר *n* = 1
: *b* + 1, כאשר *n* = 0
*(H<sub>n</sub>*(*a*, 0 =
: 0, כאשר *n* = 2
: 1, כאשר *n* = 0, או *n* ≥ 3
: *a*, כאשר *n* = 1
*H<sub>n</sub>*(*a*, −1) =
: 0, כאשר *n* = 0, או *n* ≥ 4
: *a* − 1, כאשר *n* = 1
: −*a*, כאשר *n* = 2
: \frac{1}{a}, כאשר *n* = 3

## היסטוריה
אחד הדיונים הקדומים ביותר אודות היפר-פעולות היה ב-1914 בידי אלברט בנט, שפיתח חלק מתורת ההיפר-פעולות הקומוטטיבית. כ-12 שנים לאחר מכן, וילהלם אקרמן הגדיר את "פונקציית אקרמן": \phi(a, b, n), שבמידת מה, מזכירה את רצף ההיפר-פעולות.

בעבודתו מ-1947, ראובן גודשטיין הציג את הרצף הספציפי של פעולות, אשר קרויות כיום "היפר-פעולות", והציע את השמות היווניים "טטרציה", "פנטציה" וכו', לפעולות שמעבר לפעולת החזקה (מכיוון שהן תואמות את מיקומן ברצף: 4 (טטרה), 5 (פנטה)). נראה כי, בתור פונקציה ב-3 משתנים (ניתן להגדיר פונקציה G: G(n,a,b) = H_n(a,b)), רצף ההיפר-פעולות בכללותו הוא גרסה של פונקציית אקרמן המקורית \phi(a, b, n) – פונקציה רקורסיבית, אבל לא רקורסיבית פרימיטיבית – כמו זו ששונתה על ידי גודשטיין, כדי לשלב את פונקציית המספר העוקב הפרימיטיבית יחד עם שאר שלוש הפעולות הבסיסיות של האריתמטיקה (חיבור, כפל, חזקה), ולאפשר הרחבה חלקה, טבעית ופשוטה יותר ("seamless") שלהן מעבר לחזקה.

פונקציית אקרמן המקורית ב-3 משתנים \phi עושה שימוש באותו כלל נסיגה המשמש בגרסתו של גודשטיין (ההיפר-פעולות), אך שונה ממנה בשני אופנים. ראשית, היא מגדירה רצף פעולות שמתחיל בפעולת החיבור (n=0) במקום להתחיל בפונקציית המספר העוקב, אחר כך כפל (n=1), חזקה (n=2), וכן הלאה. שנית, התנאים התחיליים של \phi גוררים את השוויון\phi(a, b, 3) = a \uparrow\uparrow (b + 1), ובכך נבדלות פונקציית אקרמן המקורית וגרסתו של גודשטיין בהיפר-פעולות שמעבר לחזקה. המשמעות של הביטוי "b + 1" בשוויון האחרון היא, שמתקיים \phi(a, b, 3) = a^{a^{\cdot^{\cdot^{\cdot^a}}}}, כאשר b מונה את מספר האופרטורים (העלאה בחזקה), במקום לספור את מספר האופרנדים ("a"-ים), כפי ש-b עושה בביטוי a \uparrow\uparrow b, וכך גם עבור הפעולות מדרגות גבוהות יותר.

## ראו גם
* מספרים גדולים

## קישורים חיצוניים

קטגוריה:אריתמטיקה
קטגוריה:מספרים גדולים