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Ejemplos de afirmaciones que no se pueden demostrar con un método prometedor

Motivación: En el artículo de Razborov y Rudichs "Pruebas naturales" definen una clase de pruebas que llaman "pruebas naturales" y muestran que bajo ciertos supuestos no se puede demostrar que $P\neq NP$ utilizando una "prueba natural". Sé que este tipo de resultados es común en la teoría de la complejidad, pero no conozco ningún ejemplo bueno de otros campos. Por eso pregunto:

Pregunta: ¿Puedes dar un ejemplo de un enunciado S que no se sepa que es indemostrable (podría ser un problema sin resolver o pero también podría ser un teorema), una clase de pruebas que parezca prometedora y una prueba de que una prueba de esta clase no puede demostrar S.

Me interesan tanto los problemas famosos no resueltos como los ejemplos elementales, que pueden servir para explicar este tipo de pensamiento a, por ejemplo, estudiantes de primer año.

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Nathan Fellman Puntos 2496

El hecho de que existan oráculos $A,B$ tal que $P^A = NP^A$ , $P^B \neq NP^B$ (un teorema de Baker, Gill y Solovay) implica que el $P=NP$ La pregunta no puede resolverse con métodos "estándar" (porque se relativizaría a cualquier oráculo).

Edición: La mayoría de los métodos utilizados para demostrar las desigualdades de las clases de complejidad (por ejemplo, la diagonalización en la demostración de los teoremas de jerarquía espacial y temporal) funcionan incluso si se cambia el modelo de computación para permitir que un bit de computación sea "libre" (es decir, si la máquina de Turing puede acceder a un oráculo). El hecho de que tales métodos de "relativización" estándar no puedan bastar (según este teorema) para demostrar $P=NP$ o su negación se toma como prueba de que $P=NP$ es una cuestión seria y no trivial. Lo mismo ocurre con $NP$ frente a $coNP$ . Por cierto, es cierto que $P^A \neq NP^A$ en relación con un oráculo aleatorio (donde "oráculo aleatorio" significa que la pertenencia de cualquier cadena a $A$ se decide al azar) con probabilidad 1,* aunque esto no significa que $P \neq NP$ .

Un ejemplo de método no relativizador es la aritmetización de la fórmula booleana (que convierte una fórmula booleana en un polinomio que es distinto de cero en una asignación de las variables a ceros y unos si la fórmula es satisfacible con esos como las entradas correspondientes), utilizado en la demostración del teorema de Shamir que $IP=PSPACE$ , hecho que no es cierto en relación con los oráculos arbitrarios.

*La probabilidad tiene que ser cero o uno por la ley cero-uno de Kolmogorov, por cierto.

Hay una discusión muy interesante sobre el teorema Baker-Gill-Solovay en el blog de Terence Tao, aquí .

10voto

Wheelie Puntos 2365

Este es un hilo antiguo, pero ya que se revivió, me gusta el siguiente ejemplo completamente elemental:

Declaración A: Un disco de diámetro uno no puede estar cubierto por tiras de anchura total inferior a 1.

Prueba: Mira el hemisferio sobre este disco. El área de la banda esférica es proporcional a la anchura, independientemente de la posición, y la comparación trivial de áreas remata el problema.

Declaración B: Un triángulo equilátero de longitud uno no puede estar cubierto por franjas de anchura total inferior a 1.

Uno estaría ciertamente tentado a intentar algo similar al planteamiento anterior hasta que se da cuenta de que la prueba anterior también muestra que no se puede cubrir el disco dos veces con tiras de anchura total inferior a 2. Sin embargo, es fácil cubrir el triángulo dos veces con 5 tiras de anchura 1/3 cada una.

8voto

Shuft Puntos 420

Como el teorema del menor de los gráficos, que ya se ha mencionado, Teorema del árbol de Kruskal no se puede demostrar por métodos finitarios. Además, tiene un enunciado algo más simple (porque implica incrustar más bien la relación menor del grafo relación):

Toda secuencia infinita de árboles contiene una subsecuencia monótona infinita, bajo la relación de incrustación.

Esta afirmación puede explicarse sin duda a los estudiantes de primer año. El hecho de que sea indemostrable por métodos finitarios es bastante sutil, porque el hecho de que la afirmación implica una secuencia infinita arbitraria significa que el teorema no puede ni siquiera ser declaró en la aritmética de Peano. Hay formas de evitar esto, como la "forma finita de Friedman" del teorema de Kruskal.

8voto

steevc Puntos 211

Cuando se resuelve un problema de valor inicial para una EDP, con datos iniciales en alguna clase de espacio de funciones, una forma popular de proceder es aplicar el método de mapeo de contracción (o iteración de Picard) en un espacio de funciones adecuado (normalmente uno relacionado con el espacio de funciones en el que están los datos). Cuando esto funciona, se suele obtener la existencia local o global de la solución, así como la unicidad (si se restringe la clase de soluciones a un espacio de funciones adecuado), y la dependencia continua (de hecho, Lipschitz y analítica) de los datos iniciales (en ciertas métricas).

Sin embargo, para algunas ecuaciones se sabe que la dependencia continua (Lipschitz o analítica) o la unicidad fallan en ciertas regularidades. Esto excluye la posibilidad de utilizar la iteración de Picard para construir soluciones en esa regularidad, incluso si la existencia de la solución puede obtenerse por otros medios.

Este es el caso, en particular, de las ecuaciones "supercríticas" en las que la regularidad proporcionada por las diversas cantidades controladas a priori es demasiado débil. Desgraciadamente, esta clase de ecuaciones incluye ejemplos importantes como la tridimensional de Navier-Stokes, lo que constituye una razón de peso para que el problema de regularidad global de esta ecuación se considere difícil (véase la entrada de mi blog http://terrytao.wordpress.com/2007/03/18/why-global-regularity-for-navier-stokes-is-hard/ para más información).

8voto

bneely Puntos 346

Otro ejemplo elemental se refiere al hecho de que los enteros son ilimitados en R. Sorprende a mucha gente que se necesite el axioma de completitud para demostrarlo, pero se puede demostrar que es así encontrando campos ordenados que extiendan R (por ejemplo, un ordenamiento apropiado sobre funciones racionales hace el trabajo) donde falla.

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