Grahams numarası - Grahams number - Wikipedia

Graham'ın numarası bir muazzam sayı olarak ortaya çıktı üst sınır matematiksel alanındaki bir problemin cevabına Ramsey teorisi. Matematikçi adını almıştır Ronald Graham, numarayı görüşmelerde kullanan popüler Bilim yazar Martin Gardner üzerinde çalıştığı problemin üst sınırlarının basitleştirilmiş bir açıklaması olarak. 1977'de Gardner sayıyı açıkladı Bilimsel amerikalı, bunu genel halka tanıtmak. Tanıtımı sırasında, yayınlanmış bir matematiksel kanıtta kullanılmış olan en büyük spesifik pozitif tamsayı idi. Sayı 1980'de yayınlandı Guinness Rekorlar Kitabı, popüler ilgisini artırıyor. Diğer belirli tamsayılar (örneğin AĞAÇ (3) ) Graham'ın sayısından çok daha büyük olduğu biliniyor, o zamandan beri birçok ciddi matematiksel ispatta ortaya çıktı, örneğin Harvey Friedman çeşitli sonlu biçimleri Kruskal teoremi. Ek olarak, Graham'ın sayısının türetildiği Ramsey teorisi probleminin daha küçük üst sınırlarının geçerli olduğu kanıtlanmıştır.

Graham'ın sayısı diğerlerinden çok daha büyük büyük sayılar gibi Skewes sayısı ve Moser numarası, her ikisi de sırayla a'dan çok daha büyük googolplex. Bunlarda olduğu gibi, o kadar büyük ki Gözlemlenebilir evren sıradan bir dijital gösterim Graham'ın numarası, her basamağın bir Planck hacmi, muhtemelen ölçülebilir en küçük alan. Ancak Graham'ın sayısının bu dijital temsilindeki basamakların sayısı bile o kadar büyük bir sayı olurdu ki, sayısal temsili gözlemlenebilir evrende temsil edilemez. Hane sayısı bile olamaz o sayı — ve benzeri, gözlemlenebilir evrendeki toplam Planck hacmi sayısını aşan birkaç kez. Dolayısıyla Graham'ın sayısı ile bile ifade edilemez güç kuleleri şeklinde ${ displaystyle a ^ {b ^ {c ^ { cdot ^ { cdot ^ { cdot}}}}}}$.

Bununla birlikte, Graham'ın numarası açıkça şu şekilde verilebilir: hesaplanabilir özyinelemeli formüller kullanılarak Knuth'un yukarı ok gösterimi Graham tarafından yapıldığı gibi veya eşdeğeri. Tanımlamak için özyinelemeli bir formül olduğu için, normalden çok daha küçüktür. meşgul kunduz sayılar. Tam olarak hesaplanamayacak kadar büyük olsa da, Graham'ın sayısının basamak dizisi basit algoritmalar aracılığıyla açıkça hesaplanabilir. Son 12 basamak ... 262464195387. İle Knuth'un yukarı ok gösterimi Graham'ın numarası ${ displaystyle g_ {64}}$, nerede

$${ displaystyle g_ {n} = sol {{ begin {matrix} 3 uparrow uparrow uparrow uparrow 3, & n = 1 3 uparrow ^ {g_ {n-1}} 3, & n geq 2, n in mathbb {N} end {matris}} sağ.}$$

Bağlam

Bir tek renkli 4 köşe eş düzlemli tam alt grafiğini içeren 2 renkli 3 boyutlu bir küp örneği. Alt grafik küpün altında gösterilmektedir. Örneğin, mevcut alt grafiğin alt kenarının mavi bir kenar ile değiştirilmesi durumunda, bu küpün böyle bir alt grafiğe sahip olmayacağına dikkat edin - böylece karşı örnekle N* > 3.

Graham'ın numarası aşağıdaki soruna bağlıdır: Ramsey teorisi:

Her çiftini bağlayın geometrik köşeler bir n-boyutlu hiperküp elde etmek için tam grafik 2'deⁿ köşeler. Bu grafiğin her bir kenarını kırmızı veya mavi renklendirin. En küçük değeri nedir n hangisi için her bu renklendirme, dörtte en az bir tek renkli tam alt grafik içerir. aynı düzlemde köşeler?

1971'de Graham ve Rothschild, Graham-Rothschild teoremi üzerinde Ramsey teorisi nın-nin parametre kelimeleri Bu sorunun bir çözümü olduğunu gösteren özel bir durum N *. Değerini sınırladılar N * 6 ≤ tarafından N * ≤ N, ile N büyük ama açıkça tanımlanmış bir sayı olmak

${ displaystyle F ^ {7} (12) = F (F (F (F (F (F (F (12))))))),}$

nerede ${ displaystyle F (n) = 2 yukarı yönde ^ {n} 3}$ içinde Knuth'un yukarı ok gösterimi; sayı 4 → 2 → 8 → 2 ile 2 → 3 → 9 → 2 arasındadır. Conway zincirleme ok gösterimi.^[1] Bu, 2014 yılında üst sınırlar yoluyla azaltılmıştır. Hales – Jewett numarası -e

${ Displaystyle N '= 2 uparrow uparrow 2 uparrow uparrow (3 + 2 uparrow uparrow 8)}$

üç içeren tetrasyonlar.^[2] 2019'da bu, şu şekilde daha da geliştirildi:^[3]

${ Displaystyle N '' = (2 uparrow uparrow 5138) cdot ((2 uparrow uparrow 5140) uparrow uparrow (2 cdot 2 uparrow uparrow 5137)) ll 2 uparrow uparrow ( 2 uparrow uparrow 5138)}$

6'nın alt sınırı daha sonra 2003 yılında Geoffrey Exoo tarafından 11'e yükseltildi.^[4] ve 2008'de Jerome Barkley tarafından 13'e.^[5] Böylece, en iyi bilinen sınırlar N * vardır 13 ≤ N * ≤ N ''.

Graham'ın numarası, G, şundan çok daha büyüktür N: ${ displaystyle f ^ {64} (4)}$, nerede ${ displaystyle f (n) = 3 yukarı yönde ^ {n} 3}$. Graham'ın yayınlanmamış bir çalışmasına atfedilen problemin bu zayıf üst sınırı, sonunda Martin Gardner tarafından yayınlandı ve Bilimsel amerikalı Kasım 1977'de.^[6]

Yayın

Sayı, bir dereceye kadar popüler bir ilgi gördü. Martin Gardner bunu "Matematik Oyunları" bölümünde açıkladı Bilimsel amerikalı Kasım 1977'de, Graham'ın yakın zamanda yayınlanmamış bir ispatla "ciddi bir matematiksel kanıtta şimdiye kadar kullanılan en büyük sayının rekorunu elinde tutacak kadar büyük bir sınır" kurduğunu yazdı. 1980 Guinness Rekorlar Kitabı Gardner'ın iddiasını tekrarlayarak bu sayıya olan popüler ilgiyi artırdı. Fizikçiye göre John Baez Graham, Gardner'la konuşurken Graham'ın sayısı olarak bilinen miktarı icat etti. Graham, iş arkadaşıyla birlikte çıkardığı Ramsey teorisindeki bir sonucu açıklamaya çalışırken Bruce Lee Rothschild Graham, söz konusu miktarın ispatta görünen gerçek sayıdan daha kolay açıklanabileceğini buldu. Graham'ın Gardner'a tanımladığı sayı, makalenin kendisindeki sayıdan daha büyük olduğu için, ikisi de Graham ve Rothschild tarafından incelenen sorunun çözümü için geçerli üst sınırlardır.^[7]

Tanım

Kullanma Knuth'un yukarı ok gösterimi, Graham'ın numarası G (Gardner'da tanımlandığı gibi Bilimsel amerikalı makale)

$${ displaystyle left. { begin {matrix} G & = & 3 underbrace { uparrow uparrow cdots cdots cdots cdots cdots uparrow} 3 && 3 underbrace { uparrow uparrow cdots cdots cdots cdots uparrow} 3 && underbrace { qquad quad vdots qquad quad} && 3 underbrace { uparrow uparrow cdots cdots uparrow} 3 && 3 uparrow uparrow uparrow uparrow 3 end {matrix}} right } { text {64 katman}}}$$

sayısı nerede oklar sonraki her katmanda, altındaki bir sonraki katmanın değeri belirlenir; yani,

$${ displaystyle G = g_ {64},}$$

${ displaystyle g_ {1} = 3 uparrow uparrow uparrow uparrow 3,}$

${ displaystyle g_ {n} = 3 uparrow ^ {g_ {n-1}} 3,}$

ve bir yukarı ok üzerindeki üst simge, kaç tane ok olduğunu gösterir. Diğer bir deyişle, G 64 adımda hesaplanır: ilk adım hesaplamaktır g₁ 3 saniye arasında dört yukarı ok ile; ikinci adım hesaplamaktır g₂ ile g₁ 3 sn arasında yukarı oklar; üçüncü adım hesaplamaktır g₃ ile g₂ 3 sn arasında yukarı oklar; ve böylece, sonunda hesaplanana kadar G = g₆₄ ile g₆₃ 3s arasında yukarı oklar.

Eşdeğer olarak,

$${ displaystyle G = f ^ {64} (4), { text {nerede}} f (n) = 3 uparrow ^ {n} 3,}$$

ve üst simge f gösterir işlevin yinelenmesi, Örneğin., ${ Displaystyle f ^ {4} (n) = f (f (f (f (n))))}$. Ailesi açısından ifade edildi hiperoperasyonlar ${ displaystyle { text {H}} _ {0}, { text {H}} _ {1}, { text {H}} _ {2}, cdots}$, işlev f belirli bir sıra ${ displaystyle f (n) = { text {H}} _ {n + 2} (3,3)}$, hızla büyüyen Ackermann işlevi Bir(n, n). (Aslında, ${ Displaystyle f (n)> A (n, n)}$ hepsi için n.) İşlev f ayrıca şu şekilde ifade edilebilir Conway zincirleme ok gösterimi gibi ${ displaystyle f (n) = 3 rightarrow 3 rightarrow n}$ve bu gösterim aynı zamanda aşağıdaki sınırları sağlar G:

$${ displaystyle 3 rightarrow 3 rightarrow 64 rightarrow 2$$

Büyüklük

Graham'ın sayısının muazzam boyutunu takdir etmenin zorluğunu ifade etmek için, sadece üs alma açısından sadece ilk terimi ifade etmek yararlı olabilir (g₁) hızla büyüyen 64 terimli dizinin. İlk olarak, açısından tetrasyon (${ displaystyle uparrow uparrow}$) tek başına:

$${ displaystyle g_ {1} = 3 uparrow uparrow uparrow uparrow 3 = 3 uparrow uparrow uparrow (3 uparrow uparrow uparrow 3) = 3 uparrow uparrow (3 uparrow uparrow (3 uparrow uparrow dots (3 uparrow uparrow 3) dots))}$$

sağdaki ifadede 3'lerin sayısı

$${ displaystyle 3 uparrow uparrow uparrow 3 = 3 uparrow uparrow (3 uparrow uparrow 3)}$$

Şimdi her tetrasyon (${ displaystyle uparrow uparrow}$) operasyon bir güç kulesine indirgenir (${ displaystyle uparrow}$) tanıma göre

$${ displaystyle 3 uparrow uparrow X = 3 uparrow (3 uparrow (3 uparrow dots (3 uparrow 3) dots)) = 3 ^ {3 ^ { cdot ^ { cdot ^ { cdot ^ {3}}}}}}$$

Böylece,

$${ displaystyle g_ {1} = 3 uparrow uparrow (3 uparrow uparrow (3 uparrow uparrow dots (3 uparrow uparrow 3) dots)) quad { text {sayı nerede 3 sayısı}} quad 3 uparrow uparrow (3 uparrow uparrow 3)}$$

yalnızca tekrarlanan "üs alma kuleleri" açısından,

$${ displaystyle g_ {1} = left. { begin {matrix} 3 ^ {3 ^ { cdot ^ { cdot ^ { cdot ^ { cdot ^ {3}}}}}} end {matris }} sağ } sol. { begin {matrix} 3 ^ {3 ^ { cdot ^ { cdot ^ { cdot ^ {3}}}}} end {matrix}} right } noktalar sol. { begin {matrix} 3 ^ {3 ^ {3}} end {matrix}} right } 3 quad { text {burada kule sayısı}} quad left. { begin {matrix} 3 ^ {3 ^ { cdot ^ { cdot ^ { cdot ^ {3}}}}} end {matrix}} right } left. { begin {matrix} 3 ^ {3 ^ {3}} end {matris}} sağ } 3}$$

ve en soldaki kuleden başlayarak her bir kuledeki 3'lü sayı, sağdaki bir sonraki kulenin değeriyle belirtilir.

Diğer bir deyişle, g₁ ilk önce kule sayısı hesaplanarak hesaplanır, ${ displaystyle n = 3 uparrow 3 uparrow 3 dots uparrow 3}$ (burada 3'lerin sayısı ${ displaystyle 3 uparrow 3 uparrow 3 = 7625597484987}$) ve ardından hesaplama n^inci kule aşağıdaki sırayla:

      1. kule: 3           2. kule: 3 ↑ 3 ↑ 3 (3'lerin sayısı 3) = 7625597484987           3. kule: 3 ↑ 3 ↑ 3 ↑ 3 ↑ ... ↑ 3 (3'lerin sayısı 7625597484987) = …           ⋮      g1 = ninci kule: 3 ↑ 3 ↑ 3 ↑ 3 ↑ 3 ↑ 3 ↑ 3 ↑ ... ↑ 3 (3'lerin sayısı n-1inci kule)

Birbirini izleyen her kuledeki 3'lü sayıların hemen önündeki kule tarafından verildiği yer. Üçüncü kulenin hesaplanmasının sonucunun, niçin kule sayısı g₁.

Bu ilk terimin büyüklüğü, g₁, o kadar büyük ki, yukarıdaki görüntü nispeten kolay anlaşılsa da, pratik olarak anlaşılmaz. Hatta n, sadece kule sayısı bu formülde g₁, Planck ciltlerinin sayısından çok daha fazladır (kabaca 10¹⁸⁵ bunlardan) hangisine alt bölümlere ayırmayı hayal edebilirsiniz? Gözlemlenebilir evren. Ve bu ilk terimden sonra, hızla büyüyen içinde 63 terim daha var. g Graham'ın numarasından önceki sıra G = g₆₄ ulaşıldı. Bu dizinin ne kadar hızlı büyüdüğünü göstermek için g₁ eşittir ${ displaystyle 3 uparrow uparrow uparrow uparrow 3}$ sadece dört yukarı ok ile, içerisindeki yukarı okların sayısı g₂ bu anlaşılmaz derecede büyük bir sayı mı g₁.

En sağdaki ondalık basamaklar

Graham'ın numarası, 3 şeklinde bir "güç kulesi" dir.n (çok büyük bir değerle n), bu nedenle en sağdaki ondalık basamakları, bu tür tüm kulelerde ortak olan belirli özellikleri karşılamalıdır. Bu özelliklerden biri şudur: d (diyelim ki) 'den büyük olan bu tür tüm kuleler, aynı d en sağdaki ondalık basamak dizisine sahiptir.. Bu, daha genel bir özelliğin özel bir durumudur: d tüm bu tür yüksek kulelerin en sağdaki ondalık hanesi d+2, bağımsız kuledeki en üstteki "3" ün; yani, en üstteki "3" herhangi bir başkasıyla değiştirilebilir negatif olmayan tamsayı etkilemeden d en sağdaki rakamlar.

Aşağıdaki tablo, birkaç değer için göstermektedir. d, bu nasıl olur. Belirli bir kule yüksekliği ve basamak sayısı için dtam kapsamlı dbasamaklı sayılar (10^d onlardan) yapar değil meydana gelir; bunun yerine, belirli bir küçük değer alt kümesi bir döngüde kendini tekrar eder. Döngünün uzunluğu ve bazı değerler (parantez içinde) bu tablonun her hücresinde gösterilmiştir:

Özellikle en sağdaki d Nihayetinde yeterince uzun olan 3'lü tüm kuleler tarafından paylaşılan rakamlar kalın yazıyla yazılmıştır ve kule yüksekliği arttıkça gelişmekte olduğu görülebilir. Herhangi bir sabit basamak sayısı için d (tablodaki satır), 3 için olası değer sayısı${ displaystyle scriptstyle uparrow}$3↑…3↑x mod 10^d, gibi x tüm negatif olmayan tam sayılar üzerindeki aralıklar, yükseklik arttıkça, yükseklik aşıldığında "olasılık kümesi" tek bir sayıya (renkli hücreler) indirgenene kadar, sürekli olarak azaldığı görülmektedir. d+2.

Basit bir algoritma^[8] bu rakamları hesaplamak için şu şekilde tanımlanabilir: Let x = 3, then iterate, d zamanlar, Görev x = 3^x mod 10^d. Baştaki 0'ların çıkarılması dışında, atanan son değer x (onluk bir rakam olarak) daha sonra aşağıdakilerden oluşur: d 3'ün en sağdaki ondalık basamağı ↑↑n, hepsi için n > d. (Son değeri x daha azına sahip d rakamlar, ardından gerekli sayıda baştaki 0'lar eklenmelidir.)

İzin Vermek k bunların sayıca fazla olması kararlı uygunluk ilişkisini karşılayan rakamlar (mod 10^k) ≡ [G^G] (mod 10^k).

k=t-1, burada G (t):=3↑↑t.^[9] Bunu takip eder, g₆₃ ≪ k ≪ g₆₄.

Yukarıdaki algoritma, Graham'ın sayısının 500 en sağdaki ondalık basamağını üretir (OEIS: A133613):

...02425950695064738395657479136519351798334535362521   43003540126026771622672160419810652263169355188780   38814483140652526168785095552646051071172000997092   91249544378887496062882911725063001303622934916080   25459461494578871427832350829242102091825896753560   43086993801689249889268099510169055919951195027887   17830837018340236474548882222161573228010132974509   27344594504343300901096928025352751833289884461508   94042482650181938515625357963996189939679054966380   03222348723967018485186439059104575627262464195387

Referanslar

Kaynakça

• Gardner, Martin (Kasım 1977). "Matematik Oyunları" (PDF). Bilimsel amerikalı. 237 (5): 18–28. Bibcode:1977SciAm.237e..18G. doi:10.1038 / bilimselamerican1177-18.; Gardner'da (2001) yeniden basılmıştır (revize edilmiştir), aşağıda alıntılanmıştır.
• Gardner, Martin (1989). Penrose Fayanslarından Trapdoor Şifrelerine. Washington, D.C .: Amerika Matematik Derneği. ISBN  978-0-88385-521-8.
• Gardner, Martin (2001). Devasa Matematik Kitabı: Klasik Bulmacalar, Paradokslar ve Sorunlar. New York, NY: Norton. ISBN  978-0-393-02023-6.
• Graham, R. L .; Rothschild, B.L. (1971). "Ramsey Teoremi n-Parametre Setleri " (PDF). Amerikan Matematik Derneği İşlemleri. 159: 257–292. doi:10.2307/1996010. JSTOR  1996010. İçin açık formül N s. 290. Bu "Graham'ın numarası" değil G Martin Gardner tarafından yayınlandı.
• Graham, R. L .; Rothschild, B.L. (1978). "Ramsey Teorisi". Rota'da, G-C (ed.). Kombinatorik Çalışmaları (Matematikte MAA Çalışmaları). 17. Amerika Matematik Derneği. s. 80–99. ISBN  978-0-88385-117-3. S. 90, çözüm için "mevcut en iyi tahmin" i belirtirken, N 1971 gazetesinden tekrarlandı.

Dış bağlantılar

• OEIS dizi A133613 (Graham'ın numarası)
• Sbiis Saibian'ın Graham'ın numarası hakkındaki makalesi
• "Hiperküplerde Ramsey Sorunu "Geoff Exoo tarafından
• Graham'ın numarasıyla ilgili Mathworld makalesi
• Graham'ın numarası nasıl hesaplanır
• Graham'ın sayısını kavramsallaştırmak
• N-cube için bazı Ramsey sonuçları ön yayın Graham'ın numarasından bahsediyor
• Padilla, Tony; Parker, Matt. "Graham'ın Numarası". Numberphile. Brady Haran. Arşivlenen orijinal 2014-05-27 tarihinde. Alındı 2013-04-08.
• Ron Graham. "Graham's Number nedir? (Feat Ron Graham)" (video). Numberphile. Brady Haran.
• Ron Graham. "Graham'ın Numarası Ne Kadar Büyük? (Feat Ron Graham)" (video). Numberphile. Brady Haran.
• Graham'ın sayısının son 16 milyon rakamı tarafından Darkside iletişim grubu