圖靈機正式面世80年︰一個與現實毫不相干的問題為人類帶來了 ...

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圖靈的眾多貢獻當中,最為重要的正是1936年這份論文,因為在文中他首次提出「圖靈機」這個概念——文中他稱為a-機器,a代表「自動」(automatic)——為現代 ... 集團資訊關於我們集團介紹我們的團隊旗下媒體關鍵評論網everylittled.INSIDE運動視界Cool3c電影神搜未來大人物歐搜哇商益旗下節目多元服務Ad2Taketla拿票趣關鍵議題研究中心Cr.EDShareParty達思智能科技士奇傳播與我們合作內容行銷與廣告業務異業合作原創內容暨內容媒體業者合作加入我們新聞中心 2016/12/02,科學KayueFactcheckLab執行編輯,曾任《關鍵評論網》編輯,最想寫的還是數學。

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立即支持1936年11月30日出版的《倫敦數學學會會刊》(ProceedingsoftheLondonMathematicalSociety),有一篇標題看來平平無奇的文章︰〈論可計算數及其在判定問題上的一個應用〉(Oncomputablenumbers,withanapplicationtotheEntscheidungsproblem),作者是圖靈(AlanTuring)。

2012年,圖靈誕生100周年,學界將該年訂為「圖靈年」,舉辦活動以紀念其重大貢獻。

2014年電影《模仿遊戲》亦講述了圖靈於二戰時協助破解德軍密碼的故事(雖然忽略了波蘭數學家的貢獻),相信不少人對圖靈的名字、貢獻及其因同性戀傾向被迫害的經歷略有所聞。

圖靈的眾多貢獻當中,最為重要的正是1936年這份論文,因為在文中他首次提出「圖靈機」這個概念——文中他稱為a-機器,a代表「自動」(automatic)——為現代電腦、電腦科學及計算理論奠下數學基礎。

當然,除圖靈以外,他之前及之後均有不少人對電腦發展貢獻良多。

不過今日(編按:作者撰文於11月30日)——〈論可計算數〉第一部份發表80周年(第二部份於同年12月23日發表),讓我們先看一看他的「圖靈機」為何如此重要。

數學基礎一切源自一個貌似非常「離地」、與現實毫不相干的問題︰我們如何確定數學知識可靠?19世紀,數學發展越來越抽象,因此亦出現了各種公理系統——公理是指被視作「不證自明」的命題,數學家以公理為基礙,再用邏輯推論出不同數學定理。

但到了20世紀初,有批數學家(以及關心數學的哲學家)開始擔心數學知識不夠穩固,他們想確保由特定公理出發,不會推論出矛盾——假如有矛盾的話,數學就完了。

他們不是杞人憂天,當時集合論中出現了數個悖論(指一種導致矛盾的命題),或會導致數學出現矛盾。

幸運的話,有些悖論可以透過引入新概念去解決,例如自數學界出現「極限」的嚴格定義後,甚少人會認為「阿基里斯永遠無法追上烏龜」的芝諾悖論是個問題。

那個時候這批數學家大概分成三派,其中一派是數學家希爾伯特(DavidHilbert)主導的「形式主義」。

簡略來說,形式主義者希望藉由把數學還原成純粹符號的形式系統,再用(有限制的)數學去證明這個系統不會出現「0=1」之類的矛盾句,從而確保數學不會產生矛盾。

羅素(BertrandRussell)及懷海德(AlfredWhitehead)三大冊《數學原理》(PrincipiaMathematica),則是從邏輯主義出發,嘗試以邏輯公理推導出整個數學系統——他們想的是,既然邏輯不可能自相矛盾,只要證明數學是由邏輯延伸出來,就可以確保數學一致。

兩人終告失敗(原因並非本文重點),不過書中改良自弗雷格(GottlobFrege)的邏輯系統,促進了數理邏輯發展。

其後邏輯學家整理出一套現稱為「一階邏輯」的系統,包含若干邏輯公理和推導規則,由此出發可以推導出不少已知的邏輯定理,是個很好用的系統。

判定問題回到希爾伯特,他想完全將數學化約成一個僅有符號的形式系統(這方面羅素及懷海德貢獻了不少),只要按照規則,完全不懂數學、不知道符號意義的人也可以推演出「數學定理」,這樣就可以撇除人為錯誤(例如受直覺誤導)。

他又希望找到一套清晰的判定程序,去確認如何判斷一個邏輯公式是否屬於邏輯系統的定理,假如成功,下一個目標自然是判斷數學命題是否數學定理——這樣數學家就不用再苦苦思索那些懸而未決的數學猜想,只要一起運行這個「判定程序」,就可以獲得答案,簡單直接。

不過,希爾伯特於1928年提出的這個「判定問題」(Entscheidungsproblem),在1935至1936年期間,分別由數學家邱奇(AlonzoChurch)及圖靈獨立得出答案︰不可能。

要解決判定問題,首先需要釐清一個概念︰何謂「清晰的判定程序」?當然,有一些條件非常明顯,例如程序必須是有限的——僅包含有限條規則、能夠在有限時間完成。

程序當中的規則也必須極之簡單,以符合希爾伯特的要求。

舉個例,假如我要教一位小學生判定一個數字以否質數,可以利用他懂得「整數」、「除數」、「餘數」和「比較大小」等概念,去讓他按照程序執行,然後他就會發現7是質數、8不是質數、9不是質數…但希爾伯特所要求的還要更少——執行規則的人只能夠辨認符號(不會把不同的符號混淆)、抄寫符號、按照規則把符號串轉換等,甚至不懂「加減乘除」等基本數學運算,也不會知道數學符號的意思。

圖靈機終於回到圖靈的論文,在〈論可計算數〉中他設想以下一部機器,包含以下部份︰ 一條紙帶,這條紙帶分成一格一格的(好吧聽起來的確有點像廁所衛生紙),每格可以印一個符號。

第一格的編號為0,然後是1、2、3…沒有盡頭,以◻表示空格。

可以在紙帶上左右移動的讀寫頭,它每次能夠讀取所處位置那一格的內容(同一時間只可讀取一格),亦可以改變其內容——改寫其他符號或變成空格。

會存在機器目前狀態(state)的狀態暫存器,每部機器的可能狀態數目有限,其中一個稱為「開始狀態」,就是機器一開始時所處的狀態。

儲存所有規則的指令集,機器會根據其目前狀態以及讀寫頭當時讀取的方格內容來執行指令,進行下一步動作。

上述4個部份當中,決定機器如何運作的是指令集及狀態。

為方便說明,以下機器的狀態以顏色表示,而符號只有0、1及◻(空格)。

圖靈把指令限制在這個形式︰ 當處於A狀態並讀取到符號X時,寫入符號Y,移動讀寫頭,並轉至B狀態。

以下是一些例子︰ 當處於紅色狀態並讀取到符號0時,寫入符號1,讀寫頭左移一格,並轉至藍色狀態。

當處於黃色狀態並讀取到符號1時,寫入符號1(即維持原狀),讀寫頭留在原處,並維持在紅色狀態。

當處於藍色狀態並讀取到符號0時,清除符號(變成空格◻),讀寫頭右移一格,並轉至黃色狀態。

如果沒有適用的指令時,這部設想中的機器——後世稱為圖靈機——就會停止運作。

PhotoCredit:RockyAcosta,CCBY3.0一個圖靈機模型。

不同圖靈機分別,在於它們擁有不同的可能狀態以及指令集——事實上,我們只需要看一部圖靈機的指令集,就知道它可以有甚麼狀態,因此可以說,圖靈機的指令集(以及一開始時紙帶上的內容)決定了它如何運作。

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