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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:记表示的左括号数目,为的右括号数,以下即证。
只需对的结构做归纳:
- ,
- ,
- ,
3.2 试求的。
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 设呈形,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和定理3.20,
与的事实矛盾。
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。
取即可保证。
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: 取,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:是的自反和传递闭包,即,其中时表示自反的情况。
数学归纳法证明之:
当时,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: 由题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,或。
证明:是的自反、传递和对称闭包,即。
与题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,是的合拍、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,是的合拍、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,则存在使且。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:
当,即,由自反性,则存在使且。
若时结论成立,试验证时结论成立,即考虑的情况
故存在使得
- 若,即,故存在使得,进而
- 若,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:
设是上的一个二元关系,,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:
若且,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:取即可
3.17 试找出使 -定义函数
解:取即可
3.18 令,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 设,证明:对于任意的和,
证明:先代入并归约,
数学归纳法:
时,
若假设有即
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 设,即
且 -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:
-
,可得
3.23 设为习题1.16中定义的函数,试构造使对成立。
(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)
又,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
由定理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,使得对于任意有
证明:由定理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。