「知乎」如何证明不可计算的函数比可计算的函数多？ - 高旭旭的博客

这篇文章转载自我在知乎上的回答

严谨的证明的话，可以使用「形式语言」（Formal language）来证明：

在可计算理论和计算复杂度理论中，每个「计算问题」都被描述为一个一个「形式语言」，即字符串的集合。比如对于判断一个图是否是无向连通图这个问题：我们可以写为一个描述所有无向连通图的集合：

由于图灵机只能接受字符串，所以这里的尖括号表示对图的「编码」。出于简单，我们全部使用现实计算机所使用的字母表 $Sigma = {0, 1}$，所以「编码」即一个对象的二进制字符串描述。

如果我们能构造出一个图灵机来「决定」这个「形式语言」，即可以判断一个「输入」是否属于这个集合（membership 与 non-membership），那么我们可以说我们用「图灵机」描述了一个「算法」来计算这个问题，而这个「计算问题」所对应的函数是「可计算的」，否则是「不可计算的」。（注 1）

那么，如果我们有一个包含了所有「可计算函数」的集合，这个集合会有多大呢？

由于

所以，我们这个集合实际上是与整数集 $Z$ 一样大（等势）的，我们把这个集合表示为 $Sigma^{*}$。易知 $Z$ 是「无穷可数（countably infinite）」的，所以我们有无穷可数个「可计算函数」（注 2）。

而「计算问题」有多少个呢？

这个问题可以等同于，我们有多少个形如 ${000, 010}$ 这样的 0，1 序列的集合？即 $Sigma^{*}$ 这个集合有多少个子集？用数学语言描述大专栏「知乎」如何证明不可计算的函数比可计算的函数多？ - 高旭旭的博客就是求 $Sigma^{*}$ 的幂集的势 $| P(Sigma^{*})|$ 。

由于 $Sigma^{*}$ 与 $Z$ 是等势的，所以这个问题等价于求 $|P(Z)|$ 的大小。根据 Cantor’s theorem，一个「无穷可数」的集合的幂集是「无穷不可数（uncountably infinite）」的。（注 3）

根据 Cantor’s theorem，「无穷不可数集」要比「无穷可数集」大。

同时，「无穷不可数集」减去「无穷可数集」后仍然是「无穷不可数集」。（注 4）

所以，「不可计算函数集」，即「计算问题集」与「可计算函数集」的差，仍是「无穷不可数集」，仍比是为「无穷可数集」的「可计算函数集」大。

因此，「不可计算的函数」比「可计算的函数」多。

证毕。

注：

「可计算函数」是算法的直觉说法，「邱奇－图灵论题」猜想任何在算法上可计算的问题同样可以由图灵机计算。但图灵机并不是唯一的计算模型，其他计算模型包括「Lambda 算子」、「$mu$ - 递归函数」等，它们在计算能力上都是与「图灵机」等价的。
证明「所有可计算函数」的集合是「无穷可数集」的方式有很多，只要找到任意一个与「自然数集」的「双射」即可
也可以直接用康托的对角线法（Cantor’s diagonal argument）证明「所有计算问题」的集合是「无穷不可数集」
可以用反证法得证
知乎能用 LaTex 了好评
Aleph Number - Wikipedia

来源：https://www.cnblogs.com/liuzhongrong/p/12371477.html

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