Hyperoperation

Trong toán học, hyperoperation theo tiếng Anh có nghĩa là "siêu hoạt động" hoặc "siêu phép toán" là một dãy vô hạn của các phép toán số học (được gọi là các "phép toán" trong ngữ cảnh này) bắt đầu bằng một phép toán một ngôi (phép successor với "n" = 0). Trình tự tiếp tục với các phép toán hai ngôi của phép cộng ("n" = 1), phép nhân ("n" = 2), luỹ thừa ("n" = 3).
Sau đó, trình tự tiếp tục với các phép toán hai ngôi mở rộng vượt qua luỹ thừa, sử dụng phép toán kết hợp. Đối với các phép toán bậc cao hơn phép luỹ thừa thì tên của chúng được Reuben Goodstein đặt theo quy tắc: tên tiền tố Hy Lạp của "n (n &gt; 3)" ghép với hậu tố "-ation" (chẳng hạn: tetration ("n" = 4), pentation ("n" = 5), hexation ("n" = 6)... vì các tiền tố tetra-, penta- và hexa- tương đương với các số 4,5 và 6 trong tiền tố Hy Lạp) và các phép toán có thể được viết dưới dạng sử dụng "n" - 2 mũi tên trong ký hiệu mũi tên lên Knuth. Mỗi phép toán có thể được hiểu đệ quy theo nghĩa trước đó bằng cách:
Nó cũng có thể được định nghĩa theo phần quy tắc đệ quy của định nghĩa, như trong phiên bản mũi tên lên Knuth của hàm số Ackermann:
Điều này có thể được dùng để dễ dàng diễn giải những số lớn hơn nhiều so với số mà ký hiệu khoa học có thể, như là số Skewes và googolplexplex (v.d. formula_3 lớn hơn nhiều so với số Skewes và googoloplexplex), nhưng có những con số mà thậm chí chúng không thể dễ dàng diễn giải được, như là số Graham và TREE(3).
Quy tắc đệ quy này là phổ biến với nhiều biến thể của hyperoperation.
Định nghĩa.
"Dãy hyperoperation" formula_4 là một dãy các phép toán hai ngôi formula_5, định nghĩa đệ quy như sau:
Với n = 0, 1, 2, 3, định nghĩa này tái tạo các phép toán số học cơ bản của successor (là một phép toán một ngôi), cộng, nhân và luỹ thừa, tương ứng, như
Vậy phép toán bậc tiếp theo sau lũy thừa là gì? Chúng ta đã xác định phép nhân sao cho formula_8 và xác định lũy thừa sao cho formula_9 vì vậy có vẻ hợp lý để xác định các phép toán tiếp theo, Tetration, sao cho formula_10 với một tháp ba 'a'. Tương tự, Pentation của (a, 3) sẽ là tetration (a, phép tetration (a, a)), với ba "a" trong đó.
Nếu các phép toán H có "n" ≥ 3 thì có thể được viết bằng ký hiệu mũi tên lên Knuth như sau:
Ký hiệu Knuth có thể được mở rộng thành các chỉ số âm ≥ -2 theo cách đồng ý với toàn bộ dãy hyperoperation, ngoại trừ độ trễ trong việc lập chỉ mục:
Hyperoperation có thể được coi là một câu trả lời cho câu hỏi "cái gì tiếp theo" trong dãy: successor, cộng, nhân, luỹ thừa... Ghi chú điều đó
Mối quan hệ giữa các phép toán số học cơ bản được minh họa, cho phép các phép toán bậc cao hơn được xác định một cách tự nhiên như trên. Các tham số của hệ thống phân cấp phép toán đôi khi được gọi bằng thuật ngữ lũy thừa tương tự của chúng, vì vậy "a" là cơ số, "b" là số mũ (hoặc "siêu mũ"), "e"), và "n" là bậc (hoặc "cấp"), và formula_14 được đọc là ""n"-ation bậc "b" của "a"", ví dụ: formula_15 được đọc là "tetration bậc 9 của 7", và formula_16 được đọc là "123-ation bậc 789 của 456".
Nói một cách phổ biến, các phép toán là những cách ghép các số tăng theo sự tăng trưởng dựa trên sự lặp lại của các phép toán trước đó. Các khái niệm successor, cộng, nhân và lũy thừa đều là các phép toán, phép successor (tạo "x" + 1 từ "x)" là cơ bản nhất, phép cộng xác định số lần 1 được cộng thêm vào chính nó để tạo ra giá trị cuối cùng, phép nhân xác định số lần một số được thêm vào chính nó, và luỹ thừa đề cập đến số lần một số được nhân với chính nó.
Ví dụ.
Dưới đây là danh sách thứ tự của các phép toán từ bậc 0 đến bậc 6 (trong đó 0⁰ được định nghĩa là 1).
Trường hợp đặc biệt.
"Hn"(0, "b") =
"Hn"(1, "b") =
"Hn"("a", 0) =
"Hn"("a", 1) =
"Hn"("a", "a") =
"Hn"("a", −1) =
"Hn"(2, 2) =
Lịch sử.
Một trong những cuộc thảo luận sớm nhất về hyperoperation là của Albert Bennett năm 1914, người đã phát triển một số lý thuyết về "hyperoperation giao hoán" (xem bên dưới). Khoảng 12 năm sau đó, Wilhelm Ackermann đã định nghĩa hàm formula_17 mà phần nào giống với dãy phép toán.
Trong bài báo năm 1947, R. L. Goodstein đã giới thiệu một dãy hoạt động cụ thể của các phép toán được gọi là "hyperoperation", và cũng đề nghị các tên Hy Lạp tetration, pentation, v.v., cho các phép toán mở rộng vượt quá lũy thừa (bởi vì chúng tương ứng với các chỉ số 4, 5, v.v.). Là một hàm ba đối số, ví dụ, formula_18, toàn bộ dãy phép toán được coi là một phiên bản của hàm Ackermann gốc formula_17 — đệ quy nhưng không đệ quy cơ bản — được sửa đổi bởi Goodstein để kết hợp phép successor cơ bản cùng với ba phép toán cơ bản khác của số học (phép cộng, phép nhân, luỹ thừa), và để làm cho một phần mở rộng liền mạch hơn của những điều này vượt quá lũy thừa.
Bản gốc ba đối số hàm Ackermann formula_20 sử dụng quy tắc đệ quy tương tự như phiên bản của Goodstein (tức là, dãy phép toán), nhưng khác với nó theo hai cách. Thứ nhất, formula_17 định nghĩa một dãy các phép toán bắt đầu từ phép cộng ("n" = 0) thay vì phép successor, sau đó đến phép nhân ("n" = 1), luỹ thừa ("n" = 2), v.v.. Thứ hai, các điều kiện ban đầu cho formula_20 dẫn đến formula_23, do đó khác với các phép toán vượt quá lũy thừa. Ý nghĩa của "b" + 1 trong biểu thức trước đó là formula_24 = formula_25, trong đó b đếm số lượng của "hyperoperation" (lũy thừa), thay vì đếm số lượng của "toán hạng" ("a" s) như b trong formula_26, và như vậy cho các phép toán bậc cao hơn. (Xem bài viết về hàm Ackermann để biết chi tiết.)
Các ký hiệu của hyperoperation.
Đây là danh sách các ký hiệu đã được sử dụng cho các phép toán.
Bắt đầu từ "một (phép cộng)".
Năm 1928, Wilhelm Ackermann đã định nghĩa hàm 3 đối số formula_17 dần dần phát triển thành hàm 2 đối số được gọi là hàm Ackermann. Hàm Ackermann "gốc" formula_20 ít giống với dãy phép toán hiện đại, bởi vì điều kiện ban đầu của ông ấy bắt đầu bằng formula_29 với mọi "n" &gt; 2. Ngoài ra, ông đã gán phép cộng cho "n" = 0, phép nhân cho "n" = 1 và luỹ thừa cho "n" = 2, vì vậy các điều kiện ban đầu tạo ra các phép toán rất khác nhau cho tetration và vượt xa hơn.
Bắt đầu từ "0 (phép successor)".
Năm 1984, C. W. Clenshaw và F. W. J. Olver bắt đầu cuộc thảo luận về việc sử dụng các phép toán để ngăn chặn máy tính tràn dấu phẩy động. Kể từ đó, nhiều tác giả khác đã đổi mới quan tâm đến việc áp dụng các phép toán vào biểu diễn dấu phẩy động. (Vì "Hn"("a", "b") đều được định nghĩa cho "b" = -1). Trong khi thảo luận về tetration, Clenshaw "et al." giả định điều kiện ban đầu formula_30, điều này tạo ra một hệ thống phân cấp phép toán khác. Giống như trong các biến thể trước đó, phép toán thứ tư rất giống với tetration, nhưng bù lại bằng một.
Hạ hyperoperation.
Một sự thay thế cho các phép toán này có được bằng cách đánh giá từ trái sang phải. Kể từ khi
định nghĩa (với ° hoặc chỉ số dưới)
với
Điều này đã được Donner và Tarski mở rộng thành số thứ tự, bởi:
Đối với "a" ≥ 2 và "b" ≥ 1,
Nhưng điều này phải chịu một loại sụp đổ, không thành lập "tháp mũ" theo truyền thống dự kiến của các phép toán:
Nếu α ≥ 2 và γ ≥ 2,
Hyperoperation giao hoán.
Các phép toán giao hoán đã được Albert Bennett xem xét vào đầu năm 1914, đó có thể là nhận xét sớm nhất về bất kỳ dãy phép toán nào. Các phép toán giao hoán được xác định bởi quy tắc đệ quy
đối xứng trong "a" và "b", có nghĩa là tất cả các phép toán đều có tính giao hoán. Dãy này không chứa lũy thừa, và do đó không hình thành một hệ thống phân cấp phép toán.