Математическая энциклопедия - конструктивная математика

конструктивное направление в математике,математика, строящаяся в соответствии с тем или иным конструктивным математич. мировоззрением, обыкновенно стремящимся связывать утверждения о существовании математнч. объектов с возможностью их построения и отвергающим в силу этого ряд установок традиционной теоретико-множественной математики, приводящих к появлению чистых теорем существования (в частности, абстракцию актуальной бесконечности и универсальный характер исключенного третьего закона). Конструктивная тенденция в математике проявлялась в той или иной форме на протяжении всей ее истории, хотя, по-видимому, только К. Гаусс (С. Gauss) впервые отчетливо выразил принципиальное для К. м. различие становящейся (потенциальной) и актуальной математнч. бесконечности и возразил против употребления последней. Дальнейшие критические шаги в этом направлении были сделаны Л. Кронекером (L. Кrоnесkеr), А. Пуанкаре (Н. Poincare) и особенно Л. Брауэром (L. Brouwer). В критике Л. Брауэра, совпавшей по времени с кризисом оснований математики конца 19 нач. 20 вв., энергично, отвергалась как вера в экзистенциальный характер бесконечных множеств, так и убеждение в допустимости неограниченной экстраполяции классических логических принципов, в особенности закона исключенного третьего. В качестве альтернативы теоретико-множественному подходу Л. Брауэр, а затем и его последователи, разработали оригинальную программу построения математики, известную ныне под названием интуиционизм. Интуиционистскую математику Л. Брауэра можно считать первой систематич. попыткой построения математики на конструктивной основе. Параллельно успехам интуиционистов в созданной Д. Гильбертом (D. Hilbert) с целью обоснования теоретико-множественной математики доказательств теории был четко выявлен ряд первоначальных понятий, послуживший впоследствии отправной точкой отличных от интуиционизма конструктивных течений. Значительная часть соответствующих работ (при этом обнаружился достаточно широкий спектр толкования различными исследователями терминов "конструктивный", "эффективный" и пр.) опиралась на успехи, достигнутые (опять-таки под влиянием идей Д. Гильберта) в изучении математич. понятия алгоритма. Один из наиболее последовательных и законченных подходов к построению К. м. на этой основе доставляется основанной А. А. Марковым советской школой К. м., формирование основных понятий к-рой относится к 50-м гг. 20 в. Сам термин "К. м." (конструктивное направление в математике) часто употребляется в узком смысле слова для именования математики, строящейся советским конструктивным направлением; ниже этот термин будет использоваться именно в указанном только что смысле.

К. м. может быть коротко охарактеризована следующими основными чертами: (1) предметом изучения являются конструктивные процессы и возникающие в результате их выполнения конструктивные объекты;.(2) рассмотрение конструктивных процессов и объектов производится в рамках абстракции потенциальной осуществимости с полным исключением идеи актуальной бесконечности; (3) интуитивное понятие эффективности связывается с точным понятием алгоритма; (4) используется специальная, учитывающая специфику конструктивных процессов п объектов конструктивная логика.

Понятия конструктивного процесса и конструктивного объекта являются первоначальными; представления о них имеют своим источником практическую материальную деятельность человека. Примерами конструктивных процессов могут служить сборка часов на конвейере, полная или частичная разборка их в ремонтной мастерской, набор текстов (с корректурами) в типографии, формирование и расформирование железнодорожных составов и пр. Характерной чертой конструктивных процессов является протекающее по отдельным шагам оперирование в рамках нек-рых четко указанных правил с элементарными, заведомо отличимыми друг от друга объектами, считающимися неразложимыми в ходе этих процессов. Возникающие в результате фигуры, составленные из исходных элементарных объектов, и считаются конструктивными объектами. К. м. не имеет необходимости углубляться в общее понятие конструктивного процесса и объекта, поскольку для ее нужд оказывается вполне достаточным один специальный вид конструктивных объектов слова в том или ином алфавите.

Рассмотрение слов (это понятие также представляется первоначальным) происходит на следующей основе.

Вначале фиксируется нек-рый алфавит, т. е. список неразложимых, уверенно отличимых друг от друга элементарных знаков (букв). Каждая буква алфавита может копироваться; возникающие в результате последовательных актов такого копирования прямолинейные цепочки знаков считаются словами в исходном алфавите. К словам в данном алфавите удобно отнести также и пустое слово, т. е. цепочку, не содержащую ни одного знака. Напр., цепочки (5) "авввссд" и (6) "книга" являются словами в русском алфавите. При обращении со словами К. м.и в этом проявляется ее абстрактный характер использует абстракции отождествления и потенциальной осуществимости. Первая из них позволяет, отвлекаясь от различий копий и оригинала, говорить о разных копиях данной буквы и о ней самой, как об одной букве. Напр., говорят, что в слово (5) три раза входит буква "в" русского алфавита, тогда как в действительности при написании данного слова воспроизводились три различных конкретных копии исходной буквы. Это соглашение естественным образом распространяется на одинаковые по написанию (графически равные) слова. Напр., о двух конкретных словах: слове "книга" и слове (6) говорят как об одном слове. В допущении абстракции отождествления проявляется предполагаемая К. м. первоначальная способность человека к "чтению" слов, т. е. к многократному и устойчивому опознанию знаковых цепочек как одинаковых или различных. На это обстоятельство как минимальную предпосылку любой научной деятельности указывал Д. Гильберт. Абстракция потенциальной осуществимости позволяет пренебрегать в рассуждениях о написании слов реальными ограничениями в пространстве, времени и материале. Таким образом, о воображаемых очень длинных словах начинают рассуждать как о реально существующих, в частности считается возможным к любому данному слову приписать справа (или слева) любое другое слово. Отсюда вытекает и возможность рассмотрения сколь угодно больших натуральных чисел, а также сложения любых двух натуральных чисел, поскольку натуральными числами можно, напр., считать слова вида 0, 0|, 0|| и т. д. в алфавите 0|. Вместе с тем абстракция потенциальной осуществимости не позволяет рассматривать как своего рода завершенные объекты "бесконечные" слова и совокупность "всех" слов в данном алфавите (в частности, не рассматривается как завершенный объект и натуральный ряд). Такого рода рассмотрения требуют привлечения более сильной абстракции абстракции актуальной бесконечности, к-рая отвергается К. м.

Принятие абстракции потенциальной осуществимости приводит к тому, что наряду с элементарными, целиком обозримыми конструктивными процессами (напр., написанием коротких слов) рассматриваются воображаемые, не подлежащие реальному воспроизведению конструктивные процессы. Такие процессы задаются своими предписаниями; сами эти предписания по существу и становятся предметом исследования. Задающее конструктивный процесс предписание (для простоты речь идет о процессах, оперирующих со словами) должно быть общепонятным и совершенно однозначно определять шаг за шагом последовательное построение слов, причем шаги должны быть элементарными, т. е. не предполагать ничего, кроме умения читать, писать (и стирать) слова. Шаги эти, таким образом, сводятся к написанию и графическому сравнению нек-рых слов, а также к замене вхождений одних слов в другие третьими словами. Окончание процесса определяется самим предписанием и может зависеть от результатов, полученных на шагах, предшествующих заключительному, причем принятие решения о заключительном характере данного шага также должно носить описанный только что элементарный характер. Возможна ситуация, когда никакой шаг не оказывается заключительным, т. е. после каждого совершенного шага данное предписание требует совершить следующий шаг. Такому предписанию не соответствует никакой потенциально выполнимый конструктивный процесс, однако здесь оказывается удобной условная терминология, согласно к-рой соответствующее предписание определяет неограниченно продолжаемый (потенциально бесконечный) процесс. Для оправдания этой терминологии можно было бы также расширить исходные представления о конструктивных процессах, рассматривая наряду с потенциально реализуемыми процессами более абстрактные образования процессы, отождествляемые с их предписаниями. В связи с появлением неограниченно продолжаемых конструктивных процессов возникает вопрос о средствах, при помощи к-рых можно убедиться в обрываемости задаваемого данным предписанием конструктивного процесса. К. м. принимает здесь важный принцип, называемый конструктивного подбора принципом и позволяющий устанавливать такие факты методом от противного, т. е. приводя к нелепости предположение о неограниченной продолжаемости соответствующего конструктивного процесса. Примеры предписаний: (7) написать |; (8) к произвольному слову в алфавите 0| приписать справа |; (9) п. 1: написать | и перейти к п. 2; п. 2: стереть | (т. е. заменить эту букву пустым словом) и перейти к п. 1; (10) п. 1: к произвольному слову в алфавите 0| приписать справа J и перейти к п. 2; п. 2: если обрабатываемое в данный момент слово совпадает с 0||, то закончить процесс, в противном случае вернуться к п. 1; (11) п. 1: написать 0 и перейти к п. 2; п. 2: к обрабатываемому в данный момент слову приписать справа | и перейти к п. 3; п. 3: если получилось совершенное натуральное число, то закончить процесс, в противном случае приписать к обрабатываемому в данный момент слову справа | и перейти к п. 2. Предписание (7) задает конструктивный процесс, оканчивающийся за один шаг написанием однобуквенного слова |. Процесс выполнения (9) неограниченно продолжаем. В настоящее время (к 1978) неизвестно, заканчивается ли конструктивный процесс, задаваемый (11) (в (11) для краткости использовались понятия теории чисел; ясно, что возможно более длинное предписание этого рода, опирающееся исключительно на возможности чтения, написания и сравнения слов в алфавите 0|). Несколько особый характер имеют предписания (8) и (10): их выполнение может начинаться с любого слова в указанном алфавите, при этом конструктивный процесс, определяемый (8), всегда заканчивается, в то время как в случае предписания (10) он неограниченно продолжаем при нек-рых исходных словах. Предписания указанных типов принято называть алгоритмами (в данном контексте речь идет об алгоритмах, оперирующих со словами).