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疾糠郑幼耪馓ɑ髡鏣所要进行的那样,作用于输入的余下部分。普适图灵机是万有的模仿者。“磁带”的开始部分赋予该普适机器U需要用以准确模拟任何给定机器T的全部信息!
为了了解这是如何进行的,我们首先需要一种给图灵机编号的系统方式。考虑定义某个特殊的,譬如讲在前面描述的图灵机的一个指令表。我们必须按照某种准确的方案把这表编码成0和1的串。我们可借助于以前采用的“收缩”步骤来办到。因为,如果我们用数2,3,4,5和6来分别代表符号R、L、STOP、箭头(→)以及逗点,那么我们就可以用110、1110、11110、111110以及1111110的收缩把它们编码。这样,出现在该表中的这些符号实际的串可以采用分别被编码成0和10的位数0和1。由于在该图灵机的表中,在二进位计数的结尾大写的数的位置足以把大写的0和1从其他小写的阿拉伯数字中区分开来,所以我们不需要用不同的记号。这样,1101将被读成二进位数1101,而在磁带上被编码成1010010。特别是,00读作00,它可毫不含糊地被编码成0,或者作为被完全省略的符号。实际上我们可以不必对任何箭头或任何在它紧前头的符号进行编码,而依靠指令的数字顺序去标明哪些符号必须是什么。尽管在采用这个步骤时,在必要之处要提供一些额外的“哑”指令,以保证在这个顺序中没有缝隙。这样的做法具有相当好的经济性。(例如,图灵机XN+1没有告诉我们对1100要做什么的命令,这是因为这条指令在机器运行时从不发生,所以我们应该插入一条“哑”指令,譬如讲1100→00R,它可合并到表中而不改变任何东西。类似地,我们应该把101→00R插入到XN×2中去。)若没有这些“哑的”,表中后面的指令的编码就会被糟蹋了。因为在结尾处的符号L或R足以把一条指令和另一条隔开,所以我们在每一指令中实际不需要逗号。因此,我们采用下面的编码:0表示0或0,10表示1或1,110表示R,1110表示L,11110表示stop。作为一个例子,让我们为图灵机XN+1编码 (插入指令1100→00R)。
在去掉箭头和在它们紧前面的位数以及逗号之后,我们得到00R 11R 00R 101R 110L 101R 01STOP1000L 1011L 1001L1100R101R00R1111R111R 1110R为了和早先说的相一致,我们可以去掉每一个00,并把每一个01简单地用1来取代,这样得到R11RR101R110L101R1STOP1000L1011L1001L1100R101RR1111R111R1110R如下是在磁带上的相应的码:11010101101101001011010100111010010110101111010000111010010101110100010111010100011010010110110101010101101010101101010100110我们总是可以把开始的110(以及它之前的无限的空白磁带)删去。由于它表示00R,这代表开头的指令00→00R。而我已隐含地把它当作所有图灵机共有的。这样仪器可从磁带记号左边任意远的地方向右跑到第一个记号为止。而且,由于所有图灵机都应该把它们的描述用最后的110结束(因为它们所有都用R、L或STOP来结束),所以我们也可把它(以及假想跟在后面的0的无限序列)删去。这可以算作两个小节约。所得到的二进位数是该图灵机的号码,它在XN+1的情况下为:
101011011010010110101001110100101101011110100001110100101011101000101110101000110100101101101010101011010101101010100。这一特殊的数在标准十进位记号下为450813704461563958982113775643437908。我们有时不严格地把号码为n的图灵机称为第n台图灵机,并用Tn来表示。这样,XN+1是第450813704461563958982113775643437908台图灵机!我们必须顺着这图灵机的“表”走这么远,才找到一台甚至只进行如此平凡的(在扩展二进位记号上)对自然数加一的运算,这真使人印象深刻!(尽管在我的编码中还可以有很少的改善余地,但我认为自己进行得相当有效率。)实际存在某些更低号码的有趣的图灵机。例如,UN+1的二进位号码为101011010111101010它只是十进位制的177642!这样,只不过是把一个附加的1加到序列1的尾巴上的特别平凡的图灵机UN+1是第177642台图灵机。 为了好奇的原因,我们可以注意在任一种进位制中“乘二”是在图灵机表中这两个号码之间的某处。我们找到XN×2的号码为10389728107,而UN×2的号码为1492923420919872026917547669。
人们从这些号码的大小,也许会毫不奇怪地发现,绝大多数的自然数根本不是可工作的图灵机的号码。现在我们根据这种编号把最先的十三台图灵机列出来:
T0:00→00R,01→00R,T1:00→00R,01→00L,T2:00→00R,01→01R,T3:00→00R,01→00STOP,T4:00→00R,01→10R,T5:00→00R,01→01L,T6:00→00R,01→00R,10→00R,T7:00→00R,01→???,T8:00→00R,01→100R,T9:00→00R,01→10L,T10:00→00R,01→11R,T11:00→00R,01→01STOP,T12:00→00R,01→00R,10→00R。其中,T0简单地就是向右移动并且抹去它所遇到的每一件东西,永不停止并永不往回退。机器T1最终得到同样的效应。但它是以更笨拙的方法,在它抹去磁带上的每个记号后再往后跳回。机器T2也和机器T0一样无限地向右移动,但是它更有礼貌,简单地让磁带上的每一件东西原封不动。由于它们中没有一台会停下,所以没有一台可以合格地被称为图灵机。T3是第一台可敬的机器。它的确是在改变第一个(最左边)的1为0后便谦虚地停止。
T4遭遇了严重的问题。它在磁带上找到第一个1后就进入了一个没有列表的内态,所以它没有下一步要做什么的指令。T8、T9和T10遇到同样的问题。T7的困难甚至更基本。把它编码的0和1的串涉及到五个接续的1的序列:110111110。对于这种序列不存在任何解释,所以只要它在磁带上发现第一个1就被绊住。(我把T7或其他任何机器Tn,它的n的二进位展开包含多于四个1的序列称为不是正确指明的。)机器T5、T6和T12遭遇到和T0、T1和T2类似的问题。它们简单地、无限地、永远不停地跑下去。所有T0、T1、T2、T4、T5、T6、T7、78、T9、T10和T12都是伪品!只有T3和T11是可工作的, 但不是非常有趣的图灵机。 T11甚至比T3更谦虚,它在第一次遇到1时就停止,并且没有改变任何东西!我们应该注意到,在表中还有一个多余。由于T6和T12从未进入内态1,机器T12和T6等同,并在行为上和T0等同。我们既不必为这个多余,也不必为表中的图灵机伪品而烦恼。人们的确可以改善编码以摆脱许多伪品和大大减少重复。所有这些都是以使我们可怜的普适图灵机变得更复杂作为代价。普适图灵机必须把所读到的号码n解码并假装成图灵机Tn。如果我们可以把所有伪品(或者多余量)取走,这还是值得做的。但是,我们很快就会看到,这是不可能的!这样,我们就不触动我们的编码好了。
例如,可方便地把具有…0001101110010000…接续记号的磁带解释成某个数字的二进位表示。我们记得0在两端会无限地继续下去,但是只有有限个1。我还假定1的数目为非零(也就是说至少有一个1)。我们可以选择去读在第一个和最后一个1(包括在内)之中的有限的符号串,在上述的情况是为一自然数的二进位写法110111001,它在十进位表示中为441。然而,这一过程只能给我们奇数(其二进位表示以1结尾的数)。而我们要能表示所有的自然数。这样,我们采取移走最后的1的简单方案(这个1仅仅被当作表示这一程序的终止记号),而把余下来的当成二进位数来读5。因此,对于上述的例子,我们有二进位数11011100,它是十进位的220。这个步骤具有零也用磁带上的记号代表的好处,也就是…0000001000000…
我们考虑图灵机Tn对我们从右边提供给它的磁带上(有限的)0和1的串的作用。根据上面给出的方案,可方便地把这串也考虑作某一个数,譬如m的二进位代表。我们假定,机器Tn在进行了一系列的步骤后最终到达停止(即到达STOP)。现在机器在左边产生的二进位数串是该计算的答案。让我们也以同样方式把这当作,譬如是p的二进位代表来读。我们把表达当第n台图灵机作用到m上时产生p的关系写成:Tn(m)=p。
现在,以稍微不同的方式看这一关系。我们把它认为是一种应用于一对数n和m以得到数p的一个特别运算。(这样,若给定两个数n和m,视第n台图灵机对m作用的结果而得出p。)这一特别运算是一个完全算法的步骤。所以它可由一台特殊的图灵机U来执行。也就是说,U作用到一对(n, m)上产生p。 由于机器U必须作用于n和m两者以产生单独结果p,我们需要某种把一对(n,m)编码到一条磁带上的方法。为此,我们可假定n以通常二进位记号写出并紧接着以序列111110终结。 (我们记得,任一台正确指明的图灵机的二进位数都是仅仅由0,10,110,1110和11110