什么是可计算理论

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转载最新推荐文章于 2025-09-27 09:41:22 发布 423 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

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这个学期刚好上这门课，此课绝对是CS课程中的神课，需要一定的决心和耐心才能啃下来。这篇文章可以说是一篇科普文，争求通俗易懂。

可计算理论是计算理论的一个分支，还有两个分支分别是自动机和计算复杂性。

这些名词都顾名思义，自动机讲的是计算的模型，比如图灵机，它是由无限长磁带，读写磁头和一些状态转移序列组成；可计算理论，研究的是一个函数（或程序）是不是能被计算，但是什么叫能被计算呢，比如说给定x，你给我计算出2x，这个函数就是可计算的，那又有什么函数是不可计算的呢？稍后你会看到著名的停机问题，这个程序就是不可计算的；计算复杂性研究的是如何有效地解决问题。

这刚好是计算的三个方面：计算的模型，计算的界限，计算的代价。

现在让我们关注可计算性这个方面。

什么是可计算函数？

如果存在一段程序来计算一个函数，那么这个函数就是可计算的。通俗来讲，你能用编程语言写出来并运行的都是可计算函数，更通俗来讲，你写完程序，在windows下会生成一个exe执行文件，假设打开后会提示你给一个程序的输入，这个程序根据这个输入能计算出相应的结果，可以把这个程序看为一个函数，给定x，输出f(x)。以后你每次想计算f(x)，只要运行相同的程序就可以了。处理一类问题有相同的算法，这样的函数叫可计算函数。比如给x，输出x^2+6，就是可计算的。

这里需要把程序P和函数f的概念说清楚。如果一个程序P的效果可以和一个函数f的效果一样，也就是说给定x，P(x)=f(x)，我们就说P能够计算f。但是他们不是一一对应的关系，即多个程序可以对应同一个f。比如说给定x，输出2x，函数f是唯一确定的，即f(x)=2x，但程序不是确定的，比如我可以给每个程序最后加个不相关赋值语句，程序的输出是不变的，但每个程序都是不一样的。

什么是不可计算函数？

考虑这样一个问题：是否存在一个程序，它能够计算任何程序在给定输入下是否会运行结束？

答案是不存在。这就是著名的停机问题。

现在让我们来证明一下，证明思想相当精妙和精简。

假设这样的函数存在，设为halt(char* program, char* input)，那么这个函数编写出来就是这样的：

[cpp]view plaincopy 
    
 bool halt(char* program, char* input)  
 {  
     if(<program> halts on <input>)  
         return true;  
     else  
         return false;  
 }  

然后我们考虑这样一个函数，这个函数就像它的程序名一样那么邪恶：

[cpp]view plaincopy 
    
 void Evil(char *p)  
 {  
     if(halt(p,p))  
         while(1);   //forever loop  
     else  
         return;  
 }  

然后我们考虑Evil(Evil)是否会停机（即Evil这个程序的输入是它本身）。

如果Evil(Evil)会停机，那么必然执行的是else语句里的return，那么if的判定条件为false，那么halt(Evil,Evil)必返回false，即Evil程序不会在Evil输入上停机，而假设是会停机，矛盾。

如果Evil(Evil)不会停机，那么必然执行的if语句里的死循环，所以if的判定条件为true，那么halt(Evil,Evil)必返回true，即Evil程序会在Evil输入上停机，而假设是不会停机，矛盾。

所以它停也矛盾，不停也矛盾，于是得出halt(char* program, char* input)这个函数是不存在的。

实际上还有很多函数都是不可计算的。比如，

不存在一个程序，它能够判断任何程序是否是0函数。（0函数就是说对于所有输入输出都是0）。

不存在一个程序，它能够判断任意两个程序是否计算同样的f。

那么是否有一个比较系统的方法来判断哪些函数是不可计算的呢？答案是有的，这就是著名的Rice's Theorem。这个定理说的是，有一个函数集合B（即这个集合B是函数f的集合），并且B不是空集，也不是全部函数f，那么程序P是否属于B是不可计算的。

什么意思呢，举个形象的例子。比如说你是程序设计这门课的助教。你布置了一个作业，要求学生写一个程序，任意给定x，输出2x。学生马上写完交给你了，你惊奇地发现这门课竟然有200名学生，然后一个偷懒的想法在你脑中诞生了：我是不是能写一个程序，来自动判断学生上交的程序是否满足要求呢？Rice‘s theorem打破了你的幻想，这样的程序是不存在的。

这个例子中，令B包含f(x)=2x这个函数，助教想做的是判断一个程序是否属于这个集合B，Rice‘s theorem告诉我们这样的程序不存在。