《计算模型导引》(2019)课后习题答案(三):λ-演算

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3.1 证明括号引理:对于任何,在中出现的左括号个数等于在中出现的右括号个数。

证明:表示的左括号数目,的右括号数,以下即证

只需对的结构做归纳:

3.2 试求

解: 为了使得-项与变量间能互相区分,下文约定可以对其添加下标作为记号,如

可记,且,所以

所以

3.3 证明:没有

证明:简记

其具有唯一的归约分支:无穷-化归链。

3.4呈形,证明:

(1)

(2)

注意,对于一般的,但

证明: (1)

(2)反证法,假设,不妨取,此时就不能进行归约,并且,由命题3.14定理3.20

的事实矛盾。

3.5 证明二元不动点定理:对于任何,存在,满足

证明: 存在组合子可以使得

即可保证

然后第一个公式可写为,取即可。

3.6 证明:对任何,方程对于有解。

证明:,其中,则

原命题转化为有解,直接由不动点定理得,取,其中为不动点组合子。

并且,所以验证通过。

因此,便是方程解。

3.7 证明:对于任意的,若,则存在以及,满足

(1)

(2)

(3)对任何

证明:的自反和传递闭包,即,其中时表示自反的情况。

数学归纳法证明之:

  • 时,显然取,原命题成立

  • 若已知,原命题成立,对的情况进行分析

    必然存在(不必唯一)一个中间项使得

    又因为存在,显然取可使成立

综上,原命题得证。

3.8 证明:对于任意,若,则

证明:题3.7,存在归约链

由于是合拍闭包的,因此有,因此

3.9 证明:对于任意,若,则存在以及,满足

(1)

(2)

(3)对任何

证明:的自反、传递和对称闭包,即

题3.7类似完成证明,唯一不同在于该“链条”有允许两个方向。

3.10 证明定理3.12

对于任何

证明:二元关系的合拍、自反、对称和传递闭包。

有且只有以下几种形式:

(记号约定

显而易见,上述的形式与形式理论中的公理或者规则互相等价,如,既无遗漏也无多余。

因此

3.11 证明定理3.13

对于任何

证明:同题3.10的合拍、自反、对称和传递闭包,因此类似地,再引入一条表现形式:

且有,即该条转换形式与形式理论中的公理等价,同理原命题亦得证。

3.12 证明:对于任何的,若,则存在使。这就是对于的CR性质。

证明:已知,具有CR性质

利用题3.9中的结论,即时有,对其长度应用数学归纳法:

  • ,即,由自反性,则存在使

  • 时结论成立,试验证时结论成立,即考虑的情况

    故存在使得

    • ,即,故存在使得,进而
    • ,利用的传递性,

综上,原命题成立。

3.13 证明:若在系统中加入下述公理

则对任何的

证明:

3.14 证明命题3.14

上的一个二元关系,,则

(1)不存在使得

(2)

证明:(1)反证法,假设存在使得,即,与矛盾

(2)反证法,因为,假设,即排除的情况,则存在项使得,同样也导致矛盾

3.15 证明引理3.16

,则

证明:,所以有通过依次收缩可以得到

同理通过依次收缩可以得到

构造收缩过程,显然其可以将归约到,以下要证明这个过程是一个mcd

  • ,由可知
  • ,由可知
  • 因为二者来自不同的-项

所以,

3.16 试找出使 -定义函数

解:即可

3.17 试找出使 -定义函数

解:即可

3.18,证明:对于任意的

这里,

证明:容易证明第一个等式成立,

接下来证明第二个等式,

3.19,证明:对于任意的

证明:先代入并归约,

数学归纳法:

  • 时,

  • 若假设有

综上,原命题得证。

3.20 构造使得对于任何

解:亦即寻找 -定义,由题3.19,取即可。

3.21,即

-定义函数,试求使得 -定义函数

解: 亦即寻找使成立

所以,取即可。

3.22 证明引理3.39

存在一般递归函数使得:

证明:

  1. ,可得

3.23习题1.16中定义的函数,试构造使成立。

(该函数定义如下)

解:先定义原始递归函数如下:

然后构造 -定义了

(其中,定义见定理3.23定义见引理3.31的定义参考引理3.33定义见题3.19

,所以应该使

综上,

3.24 构造,使得对于任意,有

解:等价于构造

显然的可以通过递归与复合的方式计算,当然也就是说,故存在使得

定理3.41,存在枚举子使得

所以取即可。验证之,,满足条件。

3.25 证明:存在,使得对于任意

证明:定理3.41,已知存在枚举子,使得对于任何,有

因此,构造即可,以下验证之,

验证通过,总是存在符合条件。