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PrSS VS 康托范式

来自Googology Wiki

本条目展示 PrSS康托范式的列表分析和互译方法。

枚举

PrSS 表达式 康托范式
(0) 1
(0,0) 2
(0,0,0) 3
(0,1)=(0,0,0,) ω
(0,1,0) ω+1
(0,1,0,0) ω+2
(0,1,0,1)=(0,1,0,0,0,) ω×2
(0,1,0,1,0,1) ω×3
(0,1,1)=(0,1,0,1,0,1,) ω2
(0,1,1,0) ω2+1
(0,1,1,0,1) ω2+ω
(0,1,1,0,1,0) ω2+ω+1
(0,1,1,0,1,0,1) ω2+ω×2
(0,1,1,0,1,1)=(0,1,1,0,1,0,1,0,1,) ω2×2
(0,1,1,0,1,1,0,1,1) ω2×3
(0,1,1,1)=(0,1,1,0,1,1,0,1,1,) ω3
(0,1,1,1,1) ω4
(0,1,2)=(0,1,1,1,) ωω
(0,1,2,0,1,2) ωω×2
(0,1,2,1)=(0,1,2,0,1,2,0,1,2,) ωω+1
(0,1,2,1,0,1,2) ωω+1+ωω
(0,1,2,1,0,1,2,1) ωω+1×2
(0,1,2,1,1)=(0,1,2,1,0,1,2,1,0,1,2,1,) ωω+2
(0,1,2,1,1,1) ωω+3
(0,1,2,1,2)=(0,1,2,1,1,1,) ωω×2
(0,1,2,1,2,1) ωω×2+1
(0,1,2,1,2,1,2) ωω×3
(0,1,2,2)=(0,1,2,1,2,1,2,) ωω2
(0,1,2,2,1) ωω2+1
(0,1,2,2,1,2) ωω2+ω
(0,1,2,2,1,2,1) ωω2+ω+1
(0,1,2,2,1,2,1,2) ωω2+ω×2
(0,1,2,2,1,2,2)=(0,1,2,2,1,2,1,2,1,2,) ωω2*2
(0,1,2,2,2)=(0,1,2,2,1,2,2,1,2,2,) ωω3
(0,1,2,3)=(0,1,2,2,2,) ωωω
(0,1,2,3,2) ωωω+1
(0,1,2,3,2,3) ωωω×2
(0,1,2,3,3) ωωω2
(0,1,2,3,4)=(0,1,2,3,3,3,) ωωωω
(0,1,2,3,4,5,...)=Limit of PrSS ε0

最终得到,PrSS 的极限是 ε0.

互译方法

PrSS 和康托范式之间存在直接的转换关系.下面介绍 PrSS 到康托范式的转换:

对于待转换的 PrSS 表达式 S,首先找到 S 中所有的项 0,以这些 0 为起点把 S 分为若干个以 0 开头的子表达式,并在中间用加号连接.如果一个子表达式只有一项,即 (0),则将其变为 1.否则,将 (0,X) 变换为 ωX,其中 X 是将 X 中所有的项都减一后得到的表达式.

然后继续对 X 递归地进行操作,直到无法操作为止,就得到了对应的康托范式.

例如 PrSS 表达式 (0,1,2,2,0,1,2,1,1,0,1,2,1,1,0,1,1,1),首先把它分为若干个 0 开头的子表达式并用加号连接,得到 (0,1,2,2)+(0,1,2,1,1)+(0,1,2,1,1)+(0,1,1,1),随后将每个子表达式按照 (0,X)ωX 的形式变换,得到 ω(0,1,1)+ω(0,1,0,0)+ω(0,1,0,0)+ω(0,0,0).随后,把指数上的 PrSS 继续递归变换.(0,1,1) 变换为 ω(0,0)=ω1+1=ω2(0,1,0,0) 变换为 ω1+1+1=ω+2.而 (0,0,0) 就是 1+1+1=3.因此我们便得到了 (0,1,2,2,0,1,2,1,1,0,1,2,1,1,0,1,1,1) 对应的康托范式 ωω2+ωω+2×2+ω3

证明

S 是一个 PrSS 表达式,我们用 T(S) 表示 S 所对应的序数。例如,若 S=(0,1,2),则 T(S)=ωω

S1,S2 是两个 PrSS 表达式,我们用 (S1,S2) 表示将 S1,S2 首尾相连得到的 PrSS 表达式。例如,若 S1=(0,1,2)S2=(0,1),则 (S1,S2)=(0,1,2,0,1)

S 是一个 PrSS 表达式,我们用 (0,S+1) 表示首项为 0,其余项为 S 中每一项 +1 得到的自然数列。例如,若 S=(0,1,2,0,1),则 (0,S+1)=(0,1,2,3,1,2)

S 是一个 PrSS 表达式,我们用 (S,1) 表示首项为在 S 结尾添加一项 1 得到的自然数列。例如,若 S=(0,1,2,1),则 (S,1)=(0,1,2,1,1)

下面我们证明 PrSS 表达式与康托范式的互译方法。证明过程分为三步:

  1. S1,S2 是两个 PrSS 表达式,则 T((S1,S2))=T(S1)+T(S2)
  2. S 是一个 PrSS 表达式,且除首项为 0 外不含其他 0 项,则 T((S,1))=T(S)ω
  3. S 是一个 PrSS 表达式,则 T((0,S+1))=ωT(S)
命题 1:设 S1,S2 是两个 PrSS 表达式,则 T((S1,S2))=T(S1)+T(S2)。

对 S2 使用超限归纳法。

若 S2 是空表达式,则 T(S2)=0(S1,S2)=S1。所以 T((S1,S2))=T(S1)+T(S2) 成立。

若 S2 是后继表达式,设 S2=(S3,0),则 T(S2)=T(S3)+1。
根据归纳假设,有 T((S1,S3))=T(S1)+T(S3)。
所以 T((S1,S2))=T((S1,S3,0))=T((S1,S3))+1=(T(S1)+T(S3))+1=T(S1)+(T(S3)+1)=T(S1)+T(S2)。

若 S2 是极限表达式,设 S2 的展开式为 R0,R1,R2,。
从坏根的定义可以看出,(S1,S2) 的坏根位于 S2 部分,所以 (S1,S2) 的坏部包含于 S2 部分,所以 (S1,S2) 的展开式为 (S1,R0),(S1,R1),(S1,R2),。
根据归纳假设,T(S1,Rn)=T(S1)+T(Rn),n。
所以 T((S1,S2))=sup{T(S1,R0),T(S1,R1),T(S1,R2),}=sup{T(S1)+T(R0),T(S1)+T(R1),T(S2)+T(R2),}=T(S1)+sup{T(R0),T(R1),T(R2),}=T(S1)+T(S2)。

由超限归纳法我们得出,对任意 PrSS 表达式 S2,有 T((S1,S2))=T(S1)+T(S2)
命题 2:设 S 是一个 PrSS 表达式,且除首项为 0 外不含其他 0 项,则 T((S,1))=T(S)ω。

从坏根的定义可以看出,(S,1) 的坏根是首项 0,所以 (S,1) 的展开式为 (),S,(S,S),,其中第 n 项为 nS 首尾相连。
根据命题 1,这个基本列的第 n 项为 T(S)n。所以 T((S,1))=sup{T(S)0,T(S)1,T(S),2}=T(S)ω
命题 3:设 S 是一个 PrSS 表达式,则 T((0,S+1))=ωT(S)。

对 S 使用超限归纳法。

若 S 是空表达式,则 T(S)=0(0,S+1)=(0)。所以 T((0,S+1))=1=ω0=ωT(S) 成立。

若 S 是后继表达式,设 S=(S,0),则 T(S)=T(S)+1。
根据归纳假设,有 T((0,S+1))=ωT(S)。
因为 (0,S+1) 除首项为 0 外不含其他 0 项,根据命题 2,有 T((0,S+1,1))=T((0,S+1))ω。
所以 T((0,S+1))=T((0,S+1,1))=T((0,S+1))ω=ωT(S)ω=ωT(S)+1=ωT(S)。

若 S 是极限表达式,设 S 的展开式为 S0,S1,S2,。
从坏根的定义可以看出,(0,S+1) 的坏根位于 S+1 部分,所以 (0,S+1) 的坏部包含于 S+1 部分,所以 (0,S+1) 的展开式为 (0,S0+1),(0,S1+1),(0,S2+1)。
根据归纳假设,T(0,Sn+1)=ωT(Sn),n。
所以 T((0,S+1))=sup{T(0,S0+1),T(0,S1+1),T(0,S2+1),}=sup{ωT(S0),ωT(S1),ωT(S2),}=ωsup{T(S0),T(S1),T(S2),}=ωT(S)。

由超限归纳法我们得出,对任意 PrSS 表达式 S,有 T((0,S+1))=ωT(S)