问题

是否存在某些问题不能用有限步骤解决?

回答
在我看来,这个问题触及了我们认知和计算的边界,也让我对“解决”这个词有了更深的思考。答案是肯定的,确实存在一些问题,它们似乎无法在有限的步骤内得到解答。这并非我们不够聪明,也不是计算能力不足,而是问题的本质决定了这一点。

我想到几个最直观的例子。

首先是那些无限递归的问题。想象一下,你站在一面镜子前面,镜子里又映出了另一面镜子,如此循环往复。如果你试图数清有多少个你,或者描述这个景象,你会发现自己陷入了一个永无止境的循环。每一个“你”都包含着另一个“你”,你永远无法抵达一个真正的起点,也无法完成计数。在数学上,这就像一些无限数列的定义,比如一个数等于它本身加上一(x = x + 1),这在逻辑上是自相矛盾的,无法用有限步骤找到一个稳定的解。在计算机科学里,这被称为“无限循环”,程序会一直运行下去,直到耗尽资源。

其次是那些涉及无穷集合的计数或枚举问题。比如,我想找出所有小于无穷大的正整数。我可以开始数:1, 2, 3... 但我永远也数不完,因为正整数的集合是无限的。如果我试图“解决”这个问题,列出所有这些数,那么我的步骤将是无限的,永远无法完成。这并非是我计算能力的问题,而是我需要处理的对象的数量本身就是无限的。

再者,有一些问题是不可判定的。这听起来有点抽象,但它确实是真实存在的。最著名的例子是停机问题。给定任何一个计算机程序和它的输入,我们能不能写一个程序,来判断它是否会在有限的时间内运行完毕(即“停机”),还是会永远运行下去?图灵证明了,这样的通用判断程序是不可能存在的。也就是说,我们无法用有限的步骤,为所有可能的程序和输入找到一个普遍适用的答案。这就像一个终极的谜题,我们永远无法找到一个万能钥匙去解决它。

还有一些问题,虽然理论上可以用有限步骤解决,但所需的步骤数量会随着输入规模的增长而爆炸式增长,以至于在实际操作中变得不可行,我们常称之为NPhard问题。举个例子,考虑著名的旅行商问题:一个推销员要去访问N个城市,每个城市都去一次且仅去一次,然后返回出发点,他希望找到一条总路程最短的路线。对于少数几个城市,我们可以一一列举所有可能的路线并比较,找到最优解。但是,随着城市数量的增加,可能的路线数量会以惊人的速度增长(阶乘增长),即使是最快的计算机,也无法在合理的时间内找到所有这些路线并比较。虽然理论上存在一个(极其庞大)的有限步骤集合可以解决它,但在实际意义上,对于大规模问题,它就成为了“无法用有限步骤解决”的。

更深层次地,我认为很多哲学和意义上的问题也属于这一类。比如,“生命的意义是什么?”“什么是美?”这些问题没有明确的输入和输出,也没有一个普遍认可的“解决”的标准。我们可以进行无休止的讨论、思考和探索,但永远无法得到一个最终、统一的答案,因为答案本身就存在于不断的变化和主观的体验之中。这些问题更像是引导我们不断反思和探索的指引,而非需要一个终结性的“解”。

所以,我认为,存在着一些问题,它们之所以“无法用有限步骤解决”,是因为:

问题的定义本身就包含无限的循环或生成。
需要处理的对象数量是无限的。
从根本上,问题的结构决定了不存在一个通用的、有限步骤的解决算法。
虽然理论上有解,但解决过程的复杂性使其在实际中不可行,我们称之为“无法在实际意义下用有限步骤解决”。
问题的性质是开放的、主观的,无法被明确地界定和“解决”。

这些问题的存在,反而让我觉得世界更加迷人。它提醒我们,即使拥有强大的工具和无尽的时间,有些事情依然超出了“解决”的范畴,需要的是另一种方式的理解和面对。

网友意见

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从数理逻辑的角度上略微详细地回答一下。一段“证明”的定义是,一个由命题构成的有限列,其中的每一个命题 ,它要么是公理,要么 与 同时存在于命题列中并且编号比它小。

这个时候,对于这个命题列最后的命题 ,我们称这段证明证明了 .

虽然想举例子,但是具体的细节有点麻烦,真的很难举出个好看的例子……不那么严密地说,考虑以下的公理系统:

(1)对于任意 ,
(2)对于任意 ,
(3)对于任意 ,

这个实际上应该是推理规则……为了简便就当作是公理好了,而且“对于任意……”在这里不当作全称量词,而是当作一堆公理所构成的集合,也就是对于任意逻辑式 都有一条公理是 .

接下来,我们证明爆炸律 ,其中 是一个逻辑式(或者说是命题).

(1) ;公理(1),令 ,
(2) ;公理(2),令 ,
(3) ;(1)+(2)
(4) ;公理(1),令
(5) ;(3)+(4)
(6) ;公理(1),令 ,
(7) ;(5)+(6)
(8) ;公理(3),令 ,
(9) ;(7)+(8)

好了证明完了。这就是证明的运作原理。很好玩吧?上文中出现的 代表“矛盾”,但是定义中其实并没有对何为“矛盾”作出解释,只是通过公理(3)表达出了矛盾所具有的性质,并且现在我们证明了,如果一个公理系统蕴含矛盾,那么你总可以在这个系统内证明任何命题 .


有一个很重要的问题摆在面前,什么叫正确,证明又意味着什么。这个问题是由集合论解决的,集合论考虑为所有逻辑式赋予真值,使得所有公理都是真的,并且考虑到 的含义,我们要求 是真的当且仅当 是真的或者 是假的。之后,如果在任意的真值分布下一个命题的真值都为真,那么我们称它是真命题。在这个定义下,哥德尔完全性定理说明了,一个命题是真的当且仅当它是可证真的。这个只是题外话,但是反过来说,哥德尔完全性定理正是推理规则合理性的表现——能够证明为真的命题当然应当是真命题,而如果一个命题无法被证真,我们也没有理由说它是真命题。

接下来回到题目,存不存在无法用有限步证明的命题?如果了解集合论的不完备性,就可以知道在上述定义中使用的“自然数”是一个集合论中的概念,而这个概念存在一些不确定性。自然数之中除了存在有限的那些元素之外,还存在不完备性所带来的无穷的那一部分——就像暗物质,我们对它们无法触及,既不知道它们存在也不知道它们不存在,但如果我们假定它们存在并进行一些研究,则会发现它们几乎占了自然数的全部。(假定存在暗物质ν,那么ν/2的下取整必然也是暗物质,从而伴随着ν所产生的暗物质可以视为非负有理数域上的线性空间,最后结合良序性,可以将实数正半轴嵌入其中,这也就意味着暗物质如果存在,则至少是不可数无穷多的)

由于不完备性,除了有一些关于自然数本身的命题无法被证明以外,还有一些命题我们“无法证明它们能否被证明”。断言一个命题无法被证真,意味着断言“它的证明不存在”,而如果我们无法证明“一个命题无法被证真”,这也就意味着至少在有些时候,它的证明是存在的。换句话说,当暗物质足够多时,它可以被证真,而当暗物质不够多时它无法被证真。特别地,它无法在现实中被证真(现实中的证明都是真正有限的),但是我们可以在现实中构造一个包含足够多“暗物质”的自然数集,并在其中构造这个命题的证明。不严格地讲,这在某种意义上也可以说是无法用有限步骤证真的真命题。

不完备性的问题还是蛮烧脑的。


如果不是从不完备性的角度上考虑这个问题,就简单的多了,如果我们仅仅是用其它集合来代替自然数集为命题编号,那么我们会发现,在这个集合具有“良序性”时问题不会发生任何改变——因为良序集不可无穷下降,因此只需要从这个命题列中挑选出实际被使用到的命题,它们数量总是有穷的,因此它也可以被有穷长度的证明代替。

相反地,如果不要求这个集合具有良序性,那么这个推理规则就不可靠了,比方说我可以在整数集上证明哥德巴赫猜想。为了精简省略一些具体的推理过程,例如P→P显然是真命题,因此我们把它当作公理。

...
(-2k-1)哥德巴赫猜想→哥德巴赫猜想;公理
(-2k)哥德巴赫猜想;(-2k-1)+(-2k-2)
...
(-4)哥德巴赫猜想;(-5)+(-6)
(-3)哥德巴赫猜想→哥德巴赫猜想;公理
(-2)哥德巴赫猜想;(-3)+(-4)
(-1)哥德巴赫猜想→哥德巴赫猜想;公理
(0)哥德巴赫猜想;(-1)+(-2)

注意到这个证明是满足定义的(除了定义在自然数上这一条以外),每一个命题要么是公理,要么可以由它之前的命题合成得到。但是注意到这一段证明陷入了无尽的循环论证之中:为什么哥德巴赫猜想是对的?因为哥德巴赫猜想是对的。正是自然数的良序性确保了循环论证不会出现,任何一个这样的质问总会抵达问题的根本。

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