مسألة كلامية للمجموعات

في الرياضيات ، وخاصة في مجال الجبر المجرد المعروف بنظرية الزمر التوافقية ، تُطرح المسألة اللفظية المتعلقة بالزمرة المولدة نهائيًا.جي{\displaystyle G}تتمثل المشكلة الخوارزمية في تحديد ما إذا كانت كلمتان في المولدات تمثلان نفس العنصر منجي{\displaystyle G}تُقدّم مسائل الكلمات لبعض المجموعات أمثلة معروفة جيداً على المسائل غير القابلة للتقرير .

لوأ{\displaystyle A}هي مجموعة منتهية من المولدات لـجي{\displaystyle G}إذن، فإن مشكلة الكلمات هي مشكلة الانتماء للغة الرسمية لجميع الكلمات فيأ{\displaystyle A}ومجموعة رسمية من المعكوسات التي تُطابق مع المعكوس تحت الخريطة الطبيعية من المونويد الحر مع الانعكاس علىأ{\displaystyle A}إلى المجموعةجي{\displaystyle G}. لوب{\displaystyle B}هي مجموعة توليد منتهية أخرى لـجي{\displaystyle G}ثم مسألة الكلمات على مجموعة التوليدب{\displaystyle B}يكافئ مسألة الكلمات على مجموعة التوليدأ{\displaystyle A}وبالتالي، يمكن للمرء أن يتحدث بشكل لا لبس فيه عن قابلية حسم مسألة الكلمات بالنسبة للمجموعة المولدة نهائياًجي{\displaystyle G}.

المسألة اللفظية الموحدة ذات الصلة ولكن المختلفة للفصل الدراسيك{\displaystyle K}تتمثل المشكلة الخوارزمية في تحديد طريقة عرض المجموعات بشكل متكرر، وذلك بإعطاء عرض كمدخل.P{\displaystyle P}لمجموعةجي{\displaystyle G}في الفصلك{\displaystyle K}وكلمتان في مولداتجي{\displaystyle G}، وما إذا كانت الكلمات تمثل نفس العنصر منجي{\displaystyle G}يشترط بعض المؤلفين وجود هذه الفئةك{\displaystyle K}أن تكون قابلة للتعريف من خلال مجموعة من العروض التقديمية القابلة للتعداد بشكل متكرر .

تاريخ

على مرّ تاريخ هذا المجال، أُجريت الحسابات في الزمر باستخدام أشكال قياسية متنوعة . وعادةً ما تحلّ هذه الأشكال ضمنيًا مسألة الكلمات للزمر المعنية. في عام ١٩١١، اقترح ماكس دين أن مسألة الكلمات تُشكّل مجالًا هامًا للدراسة بحدّ ذاتها، [ ١ ] إلى جانب مسألة الاقتران ومسألة تماثل الزمر . وفي عام ١٩١٢، قدّم خوارزمية تحلّ كلًا من مسألة الكلمات ومسألة الاقتران للزمر الأساسية للمشعبات ثنائية الأبعاد المغلقة والقابلة للتوجيه من رتبة أكبر من أو تساوي ٢. [ ٢ ] وقد قام باحثون لاحقون بتوسيع خوارزمية دين بشكل كبير وتطبيقها على نطاق واسع من مسائل القرار في نظرية الزمر . [ ٣ ] [ ٤ ] [ ٥ ]

أثبت بيوتر نوفيكوف في عام 1955 وجود مجموعة ذات عرض محدودجي{\displaystyle G}بحيث تكون المسألة اللفظية لـجي{\displaystyle G}هي غير قابلة للتقرير . [ 6 ] ويترتب على ذلك مباشرةً أن مسألة الكلمات الموحدة غير قابلة للتقرير أيضًا. وقد حصل ويليام بون على برهان مختلف في عام 1958. [ 7 ]

كانت مسألة الكلمات من أوائل الأمثلة على المسائل غير القابلة للحل التي لم تُكتشف في المنطق الرياضي أو نظرية الخوارزميات ، بل في أحد الفروع الرئيسية للرياضيات الكلاسيكية، وهو الجبر . ونتيجةً لعدم قابليتها للحل، تبيّن أن العديد من المسائل الأخرى في نظرية الزمر التوافقية غير قابلة للحل أيضاً.

في الواقع، يمكن حل المسألة اللفظية للعديد من المجموعاتجي{\displaystyle G}على سبيل المثال، تمتلك الزمر متعددة الحلقات مسائل كلمات قابلة للحل، إذ يمكن حساب الشكل الطبيعي لأي كلمة في تمثيل متعدد الحلقات بسهولة؛ وقد تحل خوارزميات أخرى للزمر، في ظروف مناسبة، مسألة الكلمات هذه أيضًا، انظر خوارزمية تود-كوكسيتر [ 8 ] وخوارزمية إكمال كنوت-بنديكس [ 9 ] . من جهة أخرى، لا يعني عدم حل خوارزمية معينة لمسألة الكلمات لزمرة معينة أن تلك الزمرة لا يمكن حل مسألة كلماتها. فعلى سبيل المثال، لا تحل خوارزمية دين مسألة الكلمات للزمرة الأساسية للطورس . مع ذلك، فإن هذه الزمرة هي حاصل الضرب المباشر لزمرتين دوريتين لانهائيتين، وبالتالي يمكن حل مسألة كلماتها.

وصف أكثر تحديدًا

بصورة أكثر تحديدًا، يمكن التعبير عن مسألة الكلمات الموحدة كمسألة إعادة كتابة ، بالنسبة للسلاسل النصية الحرفية . [ 10 ] لعرض تقديميP{\displaystyle P}من مجموعةجي{\displaystyle G}،P{\displaystyle P}سيحدد عددًا معينًا من المولدات

x،y،z،...{\displaystyle x,y,z,\ldots }

لجي{\displaystyle G}نحتاج إلى إدخال حرف واحد لـx{\displaystyle x}وآخر (للتسهيل) لعنصر المجموعة المُمثَّل بواسطةx-1{\displaystyle x^{-1}}أطلق على هذه الأحرف (ضعف عدد المولدات) اسم الأبجديةΣ{\displaystyle \Sigma }بالنسبة لمشكلتنا. ثم كل عنصر فيجي{\displaystyle G}يتم تمثيلها بطريقة ما من خلال منتج

أبج...صqر{\displaystyle abc...pqr}

من الرموز منΣ{\displaystyle \Sigma }، ذات طول معين، مضروبة فيجي{\displaystyle G}تمثل السلسلة ذات الطول 0 ( السلسلة الفارغة ) عنصر الهويةهـ{\displaystyle e}لجي{\displaystyle G}جوهر المشكلة برمتها هو القدرة على التعرف على جميع الطرقهـ{\displaystyle e}يمكن تمثيلها، بالنظر إلى بعض العلاقات.

تأثير العلاقات فيجي{\displaystyle G}الهدف هو جعل سلاسل نصية مختلفة من هذا النوع تمثل نفس العنصر منجي{\displaystyle G}في الواقع، توفر العلاقات قائمة من السلاسل التي يمكن إدخالها حيث نريد، أو إلغاؤها كلما رأيناها، دون تغيير "القيمة"، أي عنصر المجموعة الذي هو نتيجة الضرب.

كمثال بسيط، انظر إلى المجموعة التي يقدمها العرض التقديميأ|أ3=هـ{\displaystyle \langle a\,|\,a^{3}=e\rangle }. كتابةأ{\displaystyle A}لعكسأ{\displaystyle a}لدينا سلاسل محتملة تجمع أي عدد من الرموزأ{\displaystyle a}وأ{\displaystyle A}كلما رأيناأأأ{\displaystyle aaa}، أوأأ{\displaystyle aA}أوأأ{\displaystyle Aa}قد نحذف هذه. يجب أن نتذكر أيضًا أن نحذفأأأ{\displaystyle AAA}وهذا يعني أنه بما أن مكعبأ{\displaystyle a}هو عنصر الهوية لـجي{\displaystyle G}وكذلك مكعب معكوسأ{\displaystyle a}في ظل هذه الظروف، تصبح المسألة اللفظية سهلة. أولاً، اختزل السلاسل إلى سلسلة فارغة.أ{\displaystyle a}،أأ{\displaystyle aa}،أ{\displaystyle A}أوأأ{\displaystyle AA}ثم لاحظ أنه يمكننا أيضًا الضرب فيأأأ{\displaystyle aaa}لذلك يمكننا التحويلأ{\displaystyle A}لأأ{\displaystyle aa}وتحويلأأ{\displaystyle AA}لأ{\displaystyle a}والنتيجة هي أن المسألة اللفظية، هنا بالنسبة للمجموعة الدورية من الرتبة الثالثة، قابلة للحل.

لكن هذه ليست الحالة النموذجية. ففي المثال، لدينا صيغة قياسية متاحة تُختزل أي سلسلة إلى سلسلة لا يزيد طولها عن ثلاثة عناصر، وذلك بتقليل الطول بشكل مطرد. عمومًا، ليس صحيحًا أنه يمكن الحصول على صيغة قياسية للعناصر عن طريق الاختزال التدريجي. قد يكون من الضروري استخدام العلاقات لتوسيع السلسلة عدة مرات، حتى يتم في النهاية إيجاد اختزال يُقلل الطول إلى أدنى حد ممكن.

والنتيجة، في أسوأ الأحوال، هي أن العلاقة بين السلاسل التي تقول إنها متساوية فيجي{\displaystyle G}هي مشكلة غير قابلة للحل .

أمثلة

المجموعات التالية لديها مسألة كلامية قابلة للحل:

كما توجد أمثلة على مسائل كلامية غير قابلة للحل:

  • بالنظر إلى مجموعة قابلة للتعداد بشكل متكررأ{\displaystyle A}مجموعة من الأعداد الصحيحة الموجبة التي تواجه مشكلة عضوية غير قابلة للحل،أ،ب،ج،د|أنبأن=جندجن:نأ{\displaystyle \langle a,b,c,d\,|\,a^{n}ba^{n}=c^{n}dc^{n}:n\in A\rangle }هي مجموعة مولدة بشكل نهائي مع عرض قابل للتعداد بشكل متكرر، ومسألة الكلمات الخاصة بها غير قابلة للحل [ 15 ]
  • كل مجموعة مولدة بشكل محدود مع عرض قابل للتعداد بشكل متكرر ومسألة كلمات غير قابلة للحل هي مجموعة فرعية من مجموعة معروضة بشكل محدود مع مسألة كلمات غير قابلة للحل [ 16 ].
  • قد يكون عدد العلاقات في مجموعة ذات عرض محدود مع مشكلة كلمات غير قابلة للحل منخفضًا يصل إلى 14 [ 17 ] أو حتى 12. [ 18 ] [ 19 ]
  • تم تقديم مثال صريح لعرض قصير معقول مع مشكلة كلامية غير قابلة للحل في كولينز 1986: [ 20 ] [ 21 ]
أ،ب،ج،د،هـ،ص،q،ر،ت،ك|ص10أ=أص،صأجqر=رصجأq،رأ=أر،ص10ب=بص،ص2أدq2ر=رص2دأq2،رب=بر،ص10ج=جص،ص3بجq3ر=رص3جبq3،رج=جر،ص10د=دص،ص4بدq4ر=رص4دبq4،رد=در،ص10هـ=هـص،ص5جهـq5ر=رص5هـجأq5،رهـ=هـر،أq10=qأ،ص6دهـq6ر=رص6هـدبq6،صت=تص،بq10=qب،ص7جدجq7ر=رص7جدجهـq7،qت=تq،جq10=qج،ص8جأ3q8ر=رص8أ3q8،دq10=qد،ص9دأ3q9ر=رص9أ3q9،هـq10=qهـ،أ-3تأ3ك=كأ-3تأ3{\displaystyle {\begin{array}{lllll}\langle &a,b,c,d,e,p,q,r,t,k&|&&\\&p^{10}a=ap,&pacqr=rpcaq,&ra=ar,&\\&p^{10}b=bp,&p^{2}adq^{2}r=rp^{2}daq^{2},&rb=br,&\\&p^{10}c=cp,&p^{3}bcq^{3}r=rp^{3}cbq^{3},&rc=cr,&\\&p^{10}d=dp,&p^{4}bdq^{4}r=rp^{4}dbq^{4},&rd=dr,&\\&p^{10}e=ep,&p^{5}ceq^{5}r=rp^{5}ecaq^{5},&re=er,&\\&aq^{10}=qa,&p^{6}deq^{6}r=rp^{6}edbq^{6},&pt=tp,&\\&bq^{10}=qb,&p^{7}cdcq^{7}r=rp^{7}cdceq^{7},&qt=tq,&\\&cq^{10}=qc,&p^{8}ca^{3}q^{8}r=rp^{8}a^{3}q^{8},&&\\&dq^{10}=qd,&p^{9}da^{3}q^{9}r=rp^{9}a^{3}q^{9},&&\\&eq^{10}=qe,&a^{-3}ta^{3}k=ka^{-3}ta^{3}&&\rangle \end{array}}}

حل جزئي للمسألة اللفظية

يمكن حل المسألة اللفظية لمجموعة معروضة بشكل متكرر جزئياً بالمعنى التالي:

بالنظر إلى عرض متكررP=X|R{\displaystyle P=\langle X\,|\,R\rangle }لمجموعةجي{\displaystyle G}، يُعرِّف:
S={u،v:u و v هي كلمات في X و u=v في جي }{\displaystyle S=\{\langle u,v\rangle :u{\text{ and }}v{\text{ are words in }}X{\text{ and }}u=v{\text{ in }}G\ \}}
ثم توجد دالة تكرارية جزئيةوP{\displaystyle f_{P}}بحيث:
وP(u،v)={0لو u،vSغير محدد/لا يتوقف لو u،vS{\displaystyle f_{P}(\langle u,v\rangle )={\begin{cases}0&{\text{if}}\ \langle u,v\rangle \in S\\{\text{undefined/does not halt}}\ &{\text{if}}\ \langle u,v\rangle \notin S\end{cases}}}

بصورة غير رسمية، توجد خوارزمية تتوقف إذاu=v{\displaystyle u=v}لكنه لا يفعل ذلك في غير ذلك.

وبالتالي، لحل المسألة اللفظية لـP{\displaystyle P}يكفي إنشاء دالة تكراريةز{\displaystyle g}بحيث:

ز(u،v)={0لو u،vSغير محدد/لا يتوقف لو u،vS{\displaystyle g(\langle u,v\rangle )={\begin{cases}0&{\text{if}}\ \langle u,v\rangle \notin S\\{\text{undefined/does not halt}}\ &{\text{if}}\ \langle u,v\rangle \in S\end{cases}}}

لكنu=v{\displaystyle u=v}فيجي{\displaystyle G}إذا وفقط إذاuv-1=1{\displaystyle uv^{-1}=1}فيجي{\displaystyle G}وبالتالي، لحل المسألة اللفظية لـP{\displaystyle P}يكفي إنشاء دالة تكراريةح{\displaystyle h}بحيث:

ح(x)={0لو x1 في جيغير محدد/لا يتوقف لو x=1 في جي{\displaystyle h(x)={\begin{cases}0&{\text{if}}\ x\neq 1\ {\text{in}}\ G\\{\text{undefined/does not halt}}\ &{\text{if}}\ x=1\ {\text{in}}\ G\end{cases}}}

مثال

سيتم تقديم ما يلي كمثال على استخدام هذه التقنية:

نظرية: المجموعة المتبقية المحدودة المعروضة بشكل نهائي لها مسألة كلامية قابلة للحل.

البرهان: لنفترضجي=X|R{\displaystyle G=\langle X\,|\,R\rangle }هي مجموعة ذات عرض نهائي، ومجموعة ذات بقايا نهائية.

يتركS{\displaystyle S}لتكن مجموعة جميع تباديل الأعداد الطبيعيةشمال{\displaystyle \mathbb {N} }هذا يحل جميع الأعداد باستثناء عدد محدود منها. ثم:

  1. S{\displaystyle S}هي مجموعة منتهية محلياً وتحتوي على نسخة من كل مجموعة منتهية.
  2. المسألة اللفظية فيS{\displaystyle S}يمكن حلها عن طريق حساب نواتج التباديل.
  3. يوجد تعداد تكراري لجميع التطبيقات على المجموعة المنتهيةX{\displaystyle X}داخلS{\displaystyle S}.
  4. منذجي{\displaystyle G}تكون محدودة بشكل متبقٍ، إذاw{\displaystyle w}هي كلمة في المولداتX{\displaystyle X}لجي{\displaystyle G}ثمw1{\displaystyle w\neq 1}فيجي{\displaystyle G}إذا وفقط إذا كان هناك نوع من أنواع التعيين لـX{\displaystyle X}داخلS{\displaystyle S}يُحدث تشاكلاً بحيثw1{\displaystyle w\neq 1}فيS{\displaystyle S}.

بناءً على هذه الحقائق، فإن الخوارزمية المحددة بواسطة الشفرة الزائفة التالية هي:

لكل عملية ربط بين X و S، إذا تحققت كل علاقة في R في S، إذا كان w ≠ 1 في S، فأرجع 0. انتهى الشرط . انتهى الشرط. انتهى التكرار.

تُعرّف دالة تكراريةح{\displaystyle h}بحيث:

ح(x)={0لو x1 في جيغير محدد/لا يتوقف لو x=1 في جي{\displaystyle h(x)={\begin{cases}0&{\text{if}}\ x\neq 1\ {\text{in}}\ G\\{\text{undefined/does not halt}}\ &{\text{if}}\ x=1\ {\text{in}}\ G\end{cases}}}

هذا يدل على أنجي{\displaystyle G}تحتوي على مسألة كلامية قابلة للحل.

عدم قابلية حل مسألة الكلمات الموحدة

يمكن توسيع المعيار المذكور أعلاه، الخاص بإمكانية حل المسألة اللفظية في زمرة واحدة، بحجة مباشرة. وهذا يُعطي المعيار التالي لإمكانية حل المسألة اللفظية بشكل منتظم لفئة من الزمر المعروضة بشكل محدود:

لحل مسألة كلامية موحدة لفصل دراسيك{\displaystyle K}بالنسبة للمجموعات، يكفي إيجاد دالة تكرارية .و(P،w){\displaystyle f(P,w)}يتطلب ذلك عرضًا محدودًاP{\displaystyle P}لمجموعةجي{\displaystyle G}وكلمةw{\displaystyle w}في مولداتجي{\displaystyle G}بحيث كلماجيك{\displaystyle G\in K}:
و(P،w)={0لو w1 في جيغير محدد/لا يتوقف لو w=1 في جي{\displaystyle f(P,w)={\begin{cases}0&{\text{if}}\ w\neq 1\ {\text{in}}\ G\\{\text{undefined/does not halt}}\ &{\text{if}}\ w=1\ {\text{in}}\ G\end{cases}}}
نظرية بون-روغرز: لا توجد خوارزمية جزئية موحدة تحل مشكلة الكلمات في جميع المجموعات المعروضة بشكل محدود مع مشكلة كلمات قابلة للحل.

بمعنى آخر، فإن مسألة الكلمات الموحدة لفئة جميع الزمر ذات العرض المحدود والتي لها مسألة كلمات قابلة للحل، هي مسألة غير قابلة للحل. وهذا له بعض النتائج المهمة. على سبيل المثال، يمكن استخدام نظرية تضمين هيغمان لإنشاء زمرة تحتوي على نسخة متماثلة من كل زمرة ذات عرض محدود ولها مسألة كلمات قابلة للحل. يبدو من الطبيعي التساؤل عما إذا كانت هذه الزمرة يمكن أن يكون لها مسألة كلمات قابلة للحل. ولكن من نتائج بون-روغرز أن:

نتيجة: لا توجد مجموعة مسائل كلامية قابلة للحل عالميًا. أي، إذاجي{\displaystyle G}إذا كانت مجموعة ذات عرض منتهٍ تحتوي على نسخة متماثلة من كل مجموعة ذات عرض منتهٍ تحتوي على مسألة كلامية قابلة للحل، فإنجي{\displaystyle G}يجب أن يكون لها في حد ذاتها مشكلة كلامية غير قابلة للحل.

ملاحظة: افترضجي=X|R{\displaystyle G=\langle X\,|\,R\rangle }هي مجموعة معروضة بشكل محدود ولها مسألة كلامية قابلة للحل وح{\displaystyle H}هي مجموعة جزئية منتهية منجي{\displaystyle G}. يتركح*=ح{\displaystyle H^{*}=\langle H\rangle }، لتكون المجموعة التي تم إنشاؤها بواسطةح{\displaystyle H}ثم المسألة اللفظية فيح*{\displaystyle H^{*}}يمكن حلها: بمعلومية كلمتينح،ك{\displaystyle h,k}في المولداتح{\displaystyle H}لح*{\displaystyle H^{*}}اكتبها ككلمات فيX{\displaystyle X}وقارن بينهما باستخدام حل المسألة اللفظية فيجي{\displaystyle G}من السهل الاعتقاد بأن هذا يُظهر حلاً موحداً للمسألة اللفظية للفئةك{\displaystyle K}(على سبيل المثال) من المجموعات المولدة بشكل نهائي والتي يمكن تضمينها فيجي{\displaystyle G}لو كان الأمر كذلك، لكان من السهل استنتاج عدم وجود مجموعة مسائل كلامية قابلة للحل عالميًا من نظرية بون-روغرز. ومع ذلك، فإن الحل الذي تم عرضه للتو للمسألة الكلامية للمجموعات فيك{\displaystyle K}ليست متجانسة. ولتوضيح ذلك، لنفترض مجموعةج=Y|تيك{\displaystyle J=\langle Y\,|\,T\rangle \in K}؛ من أجل استخدام الحجة المذكورة أعلاه لحل المسألة اللفظية فيج{\displaystyle J}من الضروري أولاً عرض عملية الربطهـ:Yجي{\displaystyle e:Y\to G}ويمتد ذلك إلى التضمينهـ*:ججي{\displaystyle e^{*}:J\to G}إذا كانت هناك دالة تكرارية تقوم برسم تمثيلات (مولدة بشكل نهائي) للمجموعات فيك{\displaystyle K}إلى تضمينات فيجي{\displaystyle G}ثم حل موحد للمسألة اللفظية فيك{\displaystyle K}يمكن بالفعل بناء دالة تكرارية. ولكن ليس هناك سبب، بشكل عام، للافتراض بوجود مثل هذه الدالة التكرارية. ومع ذلك، يتضح أنه باستخدام حجة أكثر تعقيدًا، فإن مسألة الكلمات فيج{\displaystyle J}يمكن حلها دون استخدام تضمينهـ:ججي{\displaystyle e:J\to G}بدلاً من ذلك، يُستخدم تعدادٌ للتشاكلات ، وبما أن هذا التعداد يمكن إنشاؤه بشكل منتظم، فإنه ينتج عنه حلٌ منتظم لمسألة الكلمات فيك{\displaystyle K}.

دليل على عدم وجود مجموعة مسائل كلامية قابلة للحل عالميًا

يفترضجي{\displaystyle G}كانت مجموعة مسائل كلامية قابلة للحل عالميًا. بالنظر إلى عرض محدودP=X|R{\displaystyle P=\langle X\,|\,R\rangle }من مجموعةح{\displaystyle H}يمكن للمرء أن يحصي جميع التشاكلات بشكل متكررح:حجي{\displaystyle h:H\to G}من خلال حصر جميع عمليات الربط أولاًح:Xجي{\displaystyle h^{\dagger }:X\to G}لا تمتد جميع هذه التطبيقات إلى التشاكلات، ولكن، بما أنح(R){\displaystyle h^{\dagger }(R)}إذا كانت المجموعة محدودة، فمن الممكن التمييز بين التشاكلات وعدم التشاكلات، باستخدام حل المسألة اللفظية فيجي{\displaystyle G}. يؤدي "استبعاد" التشاكلات غير المتجانسة إلى التعداد التكراري المطلوب:ح1،ح2،...،حن،...{\displaystyle h_{1},h_{2},\ldots ,h_{n},\ldots }.

لوح{\displaystyle H}إذا كانت لدينا مسألة كلامية قابلة للحل، فإن أحد هذه التشاكلات على الأقل يجب أن يكون تضمينًا. لذا، إذا أعطينا كلمةw{\displaystyle w}في مولداتح{\displaystyle H}:

لو w1 في ح، حن(w)1 في جي بالنسبة للبعض حن{\displaystyle {\text{If}}\ w\neq 1\ {\text{in}}\ H,\ h_{n}(w)\neq 1\ {\text{in}}\ G\ {\text{for some}}\ h_{n}}
لو w=1 في ح، حن(w)=1 في جي للجميع حن{\displaystyle {\text{If}}\ w=1\ {\text{in}}\ H,\ h_{n}(w)=1\ {\text{in}}\ G\ {\text{for all}}\ h_{n}}

لنأخذ في الاعتبار الخوارزمية الموصوفة بواسطة الشفرة الزائفة:

لنفترض أن n = 0 ولنفترض أن repeatable = TRUE بينما ( repeatable ) قم بزيادة n بمقدار 1 إذا ( أظهر حل المسألة اللفظية في G أن h n ( w ) ≠ 1 في G ). اجعل repeatable = FALSE الناتج 0.

هذا يصف دالة تكرارية:

و(w)={0لو w1 في حغير محدد/لا يتوقف لو w=1 في ح.{\displaystyle f(w)={\begin{cases}0&{\text{if}}\ w\neq 1\ {\text{in}}\ H\\{\text{undefined/does not halt}}\ &{\text{if}}\ w=1\ {\text{in}}\ H.\end{cases}}}

الوظيفةو{\displaystyle f}يعتمد ذلك بوضوح على طريقة العرضP{\displaystyle P}باعتبارها دالة للمتغيرين، فهي دالة تكراريةو(P،w){\displaystyle f(P,w)}تم إنشاء نموذج يأخذ عرضًا محدودًاP{\displaystyle P}لمجموعةح{\displaystyle H}وكلمةw{\displaystyle w}في مولدات مجموعةجي{\displaystyle G}بحيث كلماجي{\displaystyle G}يحتوي على مسألة كلامية قابلة للحل:

و(P،w)={0لو w1 في حغير محدد/لا يتوقف لو w=1 في ح.{\displaystyle f(P,w)={\begin{cases}0&{\text{if}}\ w\neq 1\ {\text{in}}\ H\\{\text{undefined/does not halt}}\ &{\text{if}}\ w=1\ {\text{in}}\ H.\end{cases}}}

لكن هذا يحل بشكل موحد مسألة الكلمات لفئة جميع المجموعات المعروضة بشكل محدود والتي لها مسألة كلمات قابلة للحل، مما يناقض نظرية بون-روغرز. هذا التناقض يثبتجي{\displaystyle G}لا يمكن أن يوجد.

البنية الجبرية والمسألة اللفظية

هناك عدد من النتائج التي تربط بين قابلية حل المسألة اللفظية والبنية الجبرية . وأهم هذه النتائج هي نظرية بون-هيغمان :

تكون مسألة الكلمات قابلة للحل لمجموعة ذات عرض محدود إذا وفقط إذا كان من الممكن تضمينها في مجموعة بسيطة يمكن تضمينها في مجموعة ذات عرض محدود.

يُعتقد على نطاق واسع أنه من الممكن بناء المجموعة بحيث تكون المجموعة البسيطة نفسها ذات عرض نهائي. إذا كان الأمر كذلك، فمن المتوقع أن يكون إثبات ذلك صعبًا، لأن عملية الربط من العروض إلى المجموعات البسيطة يجب أن تكون غير تكرارية.

وقد أثبت برنارد نيومان وأنجوس ماكنتاير ما يلي :

تكون مسألة الكلمات قابلة للحل لمجموعة ذات عرض محدود إذا وفقط إذا كان من الممكن تضمينها في كل مجموعة مغلقة جبريًا .

الأمر المثير للدهشة في هذا هو أن المجموعات المغلقة جبرياً متوحشة لدرجة أنه لا يوجد لأي منها عرض تكراري.

أقدم نتيجة تربط البنية الجبرية بإمكانية حل المسألة اللفظية هي نظرية كوزنتسوف :

مجموعة بسيطة معروضة بشكل متكررS{\displaystyle S}تحتوي على مسألة كلامية قابلة للحل.

ولإثبات ذلك، دعX|R{\displaystyle \langle X|R\rangle }أن يكون عرضًا متكررًا لـS{\displaystyle S}اختر عنصرًا غير عنصر محايدأS{\displaystyle a\in S}، إنه،أ1{\displaystyle a\neq 1}فيS{\displaystyle S}.

لوw{\displaystyle w}كلمة عن المولداتX{\displaystyle X}لS{\displaystyle S}ثم دع:

Sw=X|R{w}.{\displaystyle S_{w}=\langle X|R\cup \{w\}\rangle .}

توجد دالة تكراريةوX|R{w}{\displaystyle f_{\langle X|R\cup \{w\}\rangle }}بحيث:

وX|R{w}(x)={0لو x=1 في Swغير محدد/لا يتوقف لو x1 في Sw.{\displaystyle f_{\langle X|R\cup \{w\}\rangle }(x)={\begin{cases}0&{\text{if}}\ x=1\ {\text{in}}\ S_{w}\\{\text{undefined/does not halt}}\ &{\text{if}}\ x\neq 1\ {\text{in}}\ S_{w}.\end{cases}}}

يكتب:

ز(w،x)=وX|R{w}(x).{\displaystyle g(w,x)=f_{\langle X|R\cup \{w\}\rangle }(x).}

ثم بسبب بناءو{\displaystyle f}إذا كان التوزيع منتظمًا، فهذه دالة تكرارية لمتغيرين.

وبناءً على ذلك :ح(w)=ز(w،أ){\displaystyle h(w)=g(w,a)}هي دالة تكرارية. بحسب تصميمها:

ح(w)={0لو أ=1 في Swغير محدد/لا يتوقف لو أ1 في Sw.{\displaystyle h(w)={\begin{cases}0&{\text{if}}\ a=1\ {\text{in}}\ S_{w}\\{\text{undefined/does not halt}}\ &{\text{if}}\ a\neq 1\ {\text{in}}\ S_{w}.\end{cases}}}

منذS{\displaystyle S}هي مجموعة بسيطة، ومجموعات القسمة الوحيدة لها هي نفسها والمجموعة التافهة .أ1{\displaystyle a\neq 1}فيS{\displaystyle S}، نرىأ=1{\displaystyle a=1}فيSw{\displaystyle S_{w}}إذا وفقط إذاSw{\displaystyle S_{w}}يكون الأمر تافهاً إذا وفقط إذاw1{\displaystyle w\neq 1}فيS{\displaystyle S}. لذلك:

ح(w)={0لو w1 في Sغير محدد/لا يتوقف لو w=1 في S.{\displaystyle h(w)={\begin{cases}0&{\text{if}}\ w\neq 1\ {\text{in}}\ S\\{\text{undefined/does not halt}}\ &{\text{if}}\ w=1\ {\text{in}}\ S.\end{cases}}}

إن وجود مثل هذه الدالة يكفي لإثبات أن المسألة اللفظية قابلة للحل لـS{\displaystyle S}.

لا يُثبت هذا البرهان وجود خوارزمية موحدة لحل مسألة الكلمات لهذه الفئة من الزمر. يكمن عدم التوحيد في اختيار عنصر غير تافه من الزمرة البسيطة. لا يوجد ما يدعو إلى افتراض وجود دالة تكرارية تربط عرض الزمرة البسيطة بعنصر غير تافه من الزمرة. مع ذلك، في حالة الزمرة ذات العرض المحدود، نعلم أنه لا يمكن أن تكون جميع المولدات تافهة (مع أن أي مولد منفرد يمكن أن يكون كذلك). باستخدام هذه الحقيقة، يمكن تعديل البرهان لإظهار ما يلي:

يمكن حل المسألة اللفظية بشكل موحد لفئة المجموعات البسيطة المعروضة بشكل محدود.

انظر أيضاً

ملحوظات

  1. ديهن 1911 .
  2. ديهن 1912 .
  3. جريندلينجر، مارتن (يونيو 1959)، "خوارزمية دين لمسألة الكلمات"، الاتصالات في الرياضيات البحتة والتطبيقية ، 13 (1): 67-83 ، doi : 10.1002/cpa.3160130108 .
  4. ليندون، روجر سي. (سبتمبر 1966)، "حول خوارزمية دين" ، حوليات الرياضيات ، 166 (3): 208-228 ، doi : 10.1007/BF01361168 ، hdl : 2027.42/46211 ، S2CID 36469569 ، مؤرشف من الأصل في 2013-12-28 ، تم استرجاعه في 2013-09-12 . 
  5. شوب، بول إي. (يونيو 1968)، "حول خوارزمية دين ومسألة الاقتران" ، حوليات الرياضيات ، 178 (2): 119-130 ، doi : 10.1007/BF01350654 ، S2CID 120429853 ، مؤرشف من الأصل في 2016-03-05 ، تم استرجاعه في 2013-09-12 . 
  6. نوفيكوف، ب.س. (1955)، "حول عدم إمكانية حل مسألة الكلمات في نظرية الزمر باستخدام الخوارزميات"، وقائع معهد ستيكلوف للرياضيات (باللغة الروسية)، 44 : 1-143 ، Zbl 0068.01301 
  7. بون، ويليام و. (1958)، "مسألة الكلمات" (ملف PDF) ، وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم ، 44 (10): 1061-1065 ، Bibcode : 1958PNAS...44.1061B ، doi : 10.1073/pnas.44.10.1061 ، PMC 528693 ، PMID 16590307 ، Zbl 0086.24701   
  8. تود، جكوكسيتر، إتش إس إم (1936)، "طريقة عملية لحصر المشاركات في مجموعة مجردة منتهية"، وقائع جمعية إدنبرة الرياضية ، 5 (1): 26-34 ، doi : 10.1017/S0013091500008221
  9. كنوت، د .؛ بنديكس، ب. (2014) [1970]، "مسائل كلامية بسيطة في الجبر الشامل" ، في ليتش، ج. (محرر)، مسائل حسابية في الجبر المجرد: وقائع مؤتمر عُقد في أكسفورد برعاية مختبر أطلس للحاسوب التابع لمجلس أبحاث العلوم، من 29 أغسطس إلى 2 سبتمبر 1967 ، سبرينغر، ص 263-297 ، ISBN  9781483159423
  10. روتمان 1994 .
  11. سيمونز، هـ. (1973)، "مسألة الكلمات للعروض المطلقة"، مجلة جمعية لندن الرياضية ، s2-6 (2): 275–280 ، doi : 10.1112/jlms/s2-6.2.275
  12. ماغنوس، فيلهلم (مارس 1969)، "المجموعات المنتهية المتبقية" ، نشرة الجمعية الرياضية الأمريكية ، 75 (2): 305-316 ، doi : 10.1090/S0002-9904-1969-12149-X ، ISSN 0002-9904 
  13. ^ Magnus، Wilhelm (1932)، “Das Identitätsproblem für Gruppen mit einer definierenden Relation”، Mathematische Annalen ، 106 : 295–307 ، دوى : 10.1007 / BF01455888
  14. ^ ليندون ، روجر سي. Schupp، Paul E (2001)، نظرية المجموعة التوافقية ، سبرينغر، الصفحات من 1 إلى 60، ISBN  9783540411581
  15. كولينز وزيسشانغ 1993 ، ص 149.
  16. كولينز وزيسشانغ 1993 ، كور. 7.2.6.
  17. كولينز 1969 .
  18. بوريسوف 1969 .
  19. كولينز 1972 .
  20. كولينز 1986 .
  21. نستخدم النسخة المصححة من كتاب جون بيدرسن "كتالوج الأنظمة الجبرية".

مراجع