กลับไปหน้าบทความ

อ่าน 12 นาที

ฟังก์ชันการจับคู่

ใน ทางคณิตศาสตร์ ฟังก์ชัน การจับคู่ คือกระบวนการในการเข้ารหัส จำนวนธรรมชาติ สองจำนวน ให้เป็นจำนวนธรรมชาติเพียงจำนวนเดียว อย่างไม่ซ้ำกัน

ฟังก์ชันการจับคู่

ในทางคณิตศาสตร์ฟังก์ชันการจับคู่คือกระบวนการในการเข้ารหัสจำนวนธรรมชาติ สองจำนวน ให้เป็นจำนวนธรรมชาติเพียงจำนวนเดียว อย่างไม่ซ้ำกัน

ฟังก์ชันการจับคู่ใดๆ ก็ได้สามารถใช้ในทฤษฎีเซตเพื่อพิสูจน์ว่าจำนวนเต็มและจำนวนตรรกยะมีจำนวนสมาชิกเท่ากับจำนวนธรรมชาติ[ 1 ]

คำนิยาม

ฟังก์ชันการจับคู่คือฟังก์ชันหนึ่งต่อหนึ่งทั่วถึง

[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]

การสรุปทั่วไป

โดยทั่วไป ฟังก์ชันการจับคู่บนเซตคือฟังก์ชันที่แมปองค์ประกอบแต่ละคู่จากไปยังองค์ประกอบของโดยที่องค์ประกอบคู่ที่แตกต่างกันของ จะเชื่อม โยงกับองค์ประกอบที่แตกต่างกันของ[ 5 ] [ a ] ​​หรือการจับคู่แบบหนึ่งต่อหนึ่งจากไปยัง[ 6 ]

แทนที่จะแยกออกจากโดเมนความเป็นอาร์กิวเมนต์ของฟังก์ชันการจับคู่ยังสามารถทำให้เป็นแบบทั่วไปได้: มีฟังก์ชันการจับคู่แคนเตอร์แบบทั่วไปn อาร์กิวเมนต์ บน[ 3 ]

ฟังก์ชันการจับคู่แคนเตอร์

กราฟแสดงฟังก์ชันการจับคู่ของแคนเตอร์
ฟังก์ชันการจับคู่ของแคนเตอร์จะกำหนดจำนวนธรรมชาติหนึ่งจำนวนให้กับจำนวนธรรมชาติแต่ละคู่
กราฟของฟังก์ชันการจับคู่แคนเตอร์
กราฟของฟังก์ชันการจับคู่แคนเตอร์

ฟังก์ชันการจับคู่ของแคนเตอร์เป็นฟังก์ชันการจับคู่ แบบเรียกซ้ำพื้นฐาน

กำหนดโดย

ที่ไหน[ 7 ]

นอกจากนี้ยังสามารถแสดงได้ดังนี้[ 5 ]

นอกจาก นี้ ยังเป็นฟังก์ชันเอกภาคอย่างเคร่งครัดเมื่อเทียบกับตัวแปรแต่ละตัว กล่าวคือ สำหรับทุกค่าถ้าแล้ว; ในทำนองเดียวกัน ถ้าแล้ว

ข้อความที่ระบุว่านี่เป็นฟังก์ชันการจับคู่กำลังสองเพียงอย่างเดียวเรียกว่าทฤษฎีบทฟูเอเตอร์-โปลยา[ 8 ]ยังคงเป็นคำถามที่เปิดอยู่ว่านี่เป็นฟังก์ชันการจับคู่พหุนามเพียงอย่างเดียวหรือไม่ เมื่อเราใช้ฟังก์ชันการจับคู่กับk 1และk 2เรามักจะใช้สัญลักษณ์k 1 , k 2 แทน จำนวน ที่ได้ [ 9 ]

นิยามนี้สามารถขยายความแบบอุปนัยไปยังฟังก์ชันทูเพิลของแคนเตอร์ ได้

เนื่องจาก​

โดยมีกรณีพื้นฐานที่กำหนดไว้ข้างต้นสำหรับคู่: [ 10 ]

ระบบจำนวนเชิงการจัดเรียง (combinatorial number system)ให้การสรุปทั่วไปอีกประการหนึ่งของฟังก์ชันการจับคู่ของแคนเตอร์ไปสู่การจับคู่แบบหนึ่งต่อหนึ่ง:

การกลับฟังก์ชันการจับคู่ของแคนเตอร์

ให้เป็นจำนวนธรรมชาติใดๆ เราจะแสดงว่ามีค่า ที่ไม่ซ้ำกันเพียงค่าเดียวเท่านั้นที่ทำให้

ดังนั้น ฟังก์ชันπ(x, y)จึงสามารถหาฟังก์ชันผกผันได้ การกำหนดค่ากลางบางค่าในการคำนวณจะเป็นประโยชน์:

โดยที่tคือเลขสามเหลี่ยมของwถ้าเราแก้สมการกำลังสอง

สำหรับwที่เป็นฟังก์ชันของtเราจะได้

ซึ่งเป็นฟังก์ชันที่เพิ่มขึ้นอย่างเคร่งครัดและต่อเนื่องเมื่อtเป็นจำนวนจริงที่ไม่เป็นลบ เนื่องจาก

เราเข้าใจแล้ว

และด้วยเหตุนี้

โดยที่⌊ ⌋คือฟังก์ชันพื้นดังนั้นในการคำนวณxและyจากzเราจึงทำดังนี้:

เนื่องจากฟังก์ชันการจับคู่ของแคนเตอร์สามารถผกผันได้ จึงต้องเป็นฟังก์ชันหนึ่งต่อหนึ่งและทั่วถึง[ 5 ]

ตัวอย่าง

เพื่อคำนวณπ (47, 32) :

47 + 32 = 79
79 + 1 = 80
79 × 80 = 6320
6320 ÷ 2 = 3160
3160 + 32 = 3192

ดังนั้นπ (47, 32) = 3192

เพื่อหาค่าxและyที่ทำให้π ( x , y ) = 1432 :

8 × 1432 = 11456
11456 + 1 = 11457
11457 = 107.037 ,
107.037 − 1 = 106.037 ,
106.037 ÷ 2 = 53.019
⌊53.019⌋ = 53 ,

ดังนั้นw = 53 ;

53 + 1 = 54
53 × 54 = 2862
2862 ÷ 2 = 1431

ดังนั้นt = 1431 ;

1432 − 1431 = 1 ,

ดังนั้นy = 1 ;

53 − 1 = 52 ,

ดังนั้นx = 52 ; ดังนั้นπ (52, 1) = 1432

อนุพันธ์

ฟังก์ชัน "เลื้อย" ที่เพิ่มขึ้นตามแนวทแยงมุม ซึ่งมีหลักการเดียวกับฟังก์ชันจับคู่ของแคนเตอร์ มักถูกนำมาใช้เพื่อแสดงให้เห็นถึงความสามารถในการนับได้ของจำนวนตรรกยะ

รูปทรงกราฟิกของฟังก์ชันการจับคู่ของแคนเตอร์ ซึ่งเป็นลำดับทแยงมุม เป็นเทคนิคมาตรฐานในการทำงานกับลำดับอนันต์และความสามารถในการนับ [ b ] กฎพีชคณิตของฟังก์ชันรูปทรงทแยงมุมนี้สามารถตรวจสอบความถูกต้องสำหรับพหุนามหลายช่วง ซึ่งพหุนามกำลังสองจะเป็นพหุนามที่ง่ายที่สุด โดยใช้วิธีการอุปนัยอันที่จริง เทคนิคเดียวกันนี้ยังสามารถนำไปใช้เพื่อพยายามหาฟังก์ชันอื่นๆ จำนวนมากสำหรับรูปแบบต่างๆ ในการแจงนับระนาบได้อีกด้วย

โดยทั่วไปแล้ว ฟังก์ชันการจับคู่สามารถกำหนดได้แบบอุปนัย กล่าวคือ เมื่อกำหนดคู่ที่n แล้ว คู่ที่ ( n +1)คืออะไรวิธีที่ฟังก์ชันของแคนเตอร์ดำเนินไปในแนวทแยงมุมบนระนาบสามารถแสดงได้ดังนี้

.

ฟังก์ชันนี้ต้องกำหนดด้วยว่าจะทำอย่างไรเมื่อถึงขอบเขตของควาดรันต์ที่ 1 – ฟังก์ชันการจับคู่ของแคนเตอร์จะรีเซ็ตกลับไปที่แกน x เพื่อดำเนินการต่อในแนวทแยงมุมต่อไปอีกหนึ่งขั้น หรือในเชิงพีชคณิต:

.

นอกจากนี้ เราต้องกำหนดจุดเริ่มต้น ซึ่งจะเป็นขั้นตอนแรกในวิธีการอุปนัยของเรา: π (0, 0) = 0

สมมติว่ามีพหุนามกำลังสองสองมิติที่ตรงตามเงื่อนไขเหล่านี้ (ถ้าไม่มี ก็สามารถทำซ้ำโดยลองใช้พหุนามที่มีดีกรีสูงกว่า) รูปแบบทั่วไปจึงเป็นดังนี้

.

แทนค่าเงื่อนไขเริ่มต้นและเงื่อนไขขอบเขตเพื่อให้ได้f = 0และ:

,

ดังนั้นเราจึงสามารถจับคู่kเทอมของเราเพื่อให้ได้

b = a
d = 1- a
e = 1+ a .

ดังนั้นพารามิเตอร์ทุกตัวสามารถเขียนได้ในรูปของaยกเว้นcและเราก็มีสมการสุดท้าย ซึ่งเป็นขั้นตอนแนวทแยงมุม ที่จะเชื่อมโยงพารามิเตอร์เหล่านั้นเข้าด้วยกัน:

ขยายและจับคู่เงื่อนไขอีกครั้งเพื่อให้ได้ค่าคงที่สำหรับaและcและด้วยเหตุนี้จึงได้ค่าพารามิเตอร์ทั้งหมด:

a = 1/2= b = d
c = 1
e = 3/2
f = 0 .

ดังนั้น

คือฟังก์ชันการจับคู่ของแคนเตอร์ และเราได้แสดงให้เห็นผ่านการพิสูจน์แล้วว่าฟังก์ชันนี้ตรงตามเงื่อนไขทั้งหมดของการอุปมาน

ฟังก์ชันการจับคู่แคนเตอร์แบบเลื่อน

ฟังก์ชันการจับคู่ต่อไปนี้: โดยที่[ 11 ] เหมือนกับฟังก์ชันการจับคู่ของแคนเตอร์ แต่เลื่อนเพื่อไม่รวม 0 (เช่น , , และ) [ 7 ]มันถูกใช้ในตำราเรียนคอมพิวเตอร์ยอดนิยมของฮอปครอฟต์และอุลล์แมน (1979)

สำหรับเลขลำดับ

มีฟังก์ชันการจับคู่ "มาตรฐาน" สำหรับจำนวนเชิงอันดับซึ่งเป็นฟังก์ชันการจับคู่สำหรับจำนวนอะเลฟ ทุกจำนวนพร้อมกัน (กล่าวคือจำนวนเชิงอันดับเริ่มต้น ของ จำนวนคาร์ดินัลที่เรียงลำดับได้ดีอนันต์ทุก จำนวน ) ฟังก์ชันนี้ถูกเหนี่ยวนำโดยการเรียงลำดับที่ดีของคู่จำนวนเชิงอันดับดังต่อไปนี้: [ 12 ]

แนวคิดพื้นฐานคือ⁠ ⁠ถูกใช้เป็นคีย์เรียงลำดับหลักดังนั้น สำหรับลำดับ⁠ ⁠ทุกคู่ที่มีทั้งสองค่าต่ำกว่า⁠ ⁠จะอยู่ก่อนคู่อื่นๆ ทั้งหมด กล่าวอีกนัยหนึ่งผลคูณคาร์ทีเซียน⁠ ⁠จะถูกแมปไปยังส่วนเริ่มต้น ของการ เรียง ลำดับใหม่นี้ โดยประเภทลำดับของส่วนเริ่มต้นจะถูกระบุด้วย⁠ ⁠

เนื่องจาก⁠ ⁠เป็นลำดับเชิงอันดับที่เพิ่มขึ้นอย่างเคร่งครัด⁠ ⁠นอกจากนี้ยังต่อเนื่องด้วยเนื่องจากสำหรับลิมิตเชิงอันดับ⁠ ⁠เรามี⁠ ⁠ตอนนี้สำหรับจำนวนอเลฟทั้งหมด⁠ ⁠ , ⁠ ⁠สามารถพิสูจน์ได้โดยการเหนี่ยวนำอนันต์ : [ 13 ]

  • ถ้า⁠ ⁠แล้ว⁠ ⁠ โดยความ ต่อเนื่อง เนื่องจาก⁠ ⁠เป็นจำนวนธรรมชาติสำหรับทุกจำนวนธรรมชาติ⁠ ⁠
  • ถ้า⁠ ⁠เป็นลำดับเริ่มต้น แล้ว⁠ ⁠โดยความต่อเนื่อง เนื่องจาก⁠ ⁠สำหรับอนันต์ทั้งหมด⁠ ⁠โดยที่⁠ ⁠สามารถแสดงได้โดยการใช้สมมติฐานอุปนัยกับลำดับเริ่มต้นของ⁠ ⁠

ผลลัพธ์ที่สำคัญอย่างหนึ่งของฟังก์ชันการจับคู่คือสำหรับจำนวนเชิง คาร์ดินัล อนันต์ที่เรียงลำดับได้ดีทั้งหมดโดยเฉพาะอย่างยิ่ง ในZFCจำนวนเชิงคาร์ดินัลทุกจำนวนสามารถเรียงลำดับได้ดี ดังนั้น จึงเป็นจริงสำหรับจำนวนเชิงคาร์ดินัลอนันต์ทั้งหมดใน ทางกลับ กันข้อความที่ว่า " เป็นจริงสำหรับจำนวนเชิงคาร์ดินัลอนันต์ทั้งหมด" บ่งบอกถึงสัจพจน์ของการเลือกผลลัพธ์นี้รู้จักกันในชื่อ ทฤษฎีบทของทาร์สกีเกี่ยวกับการเลือก

ข้อจำกัดเฉพาะจำนวนธรรมชาติ

การจำกัดฟังก์ชันการจับคู่ "แบบแคนอนิก" สำหรับจำนวนเชิงอันดับให้อยู่ในเซตของจำนวนธรรมชาติ⁠ ⁠ทำให้เกิดฟังก์ชันการจับคู่ที่แตกต่างจากฟังก์ชันการจับคู่ของแคนเตอร์ ซึ่งซูดซิกถือว่า "สง่างามกว่า" [ 5 ]นิพจน์ที่ชัดเจนที่กำหนดฟังก์ชันการจับคู่นี้คือ:

ซึ่งสามารถแยกออกจากกันได้โดยใช้สูตร:

(ในเชิงคุณภาพ วิธีนี้จะกำหนดหมายเลขต่อเนื่องให้กับคู่ตัวเลขตามขอบของสี่เหลี่ยมจัตุรัส)

ข้อดีประการหนึ่งของฟังก์ชันการจับคู่นี้ปรากฏให้เห็นเมื่อใช้ฟังก์ชันคู่เพื่อแสดง โครงสร้างคล้าย ต้นไม้ไบนารี โดยที่จำนวนธรรมชาติ ⁠ ⁠แรกแทนประเภทของใบที่แตกต่างกัน และ⁠ ⁠แทนต้นไม้ไบนารีที่มีซับทรีซ้ายและขวาแทนด้วย⁠ ⁠และ⁠ ⁠ตามลำดับ ฟังก์ชันการจับคู่นี้รับประกันว่าต้นไม้ไบนารีทั้งหมดจะเรียงลำดับตามความลึก ตัวอย่างที่เป็นรูปธรรมของโครงสร้างคล้ายต้นไม้ไบนารีดังกล่าวคือนิพจน์แคลคูลัสตัวรวม SK [ 5 ]

ฟังก์ชันการจับคู่อื่นๆ

ฟังก์ชันนี้เป็นฟังก์ชันจับคู่

ในปี พ.ศ. 2533 Regan ได้เสนอฟังก์ชันการจับคู่แรกที่ทราบซึ่งสามารถคำนวณได้ในเวลาเชิงเส้นและใช้พื้นที่คงที่ (เนื่องจากตัวอย่างที่ทราบก่อนหน้านี้สามารถคำนวณได้ในเวลาเชิงเส้นก็ต่อเมื่อการคูณสามารถทำได้เช่นกันซึ่งเป็นสิ่งที่น่าสงสัย) ในความเป็นจริง ทั้งฟังก์ชันการจับคู่นี้และฟังก์ชันผกผันของมันสามารถคำนวณได้ด้วยทรานสดิวเซอร์สถานะจำกัดในเอกสารเดียวกัน ผู้เขียนได้เสนอฟังก์ชันการจับคู่แบบโมโนโทนอีกสองฟังก์ชันที่สามารถคำนวณได้แบบออนไลน์ในเวลาเชิงเส้นและใช้พื้นที่ลอการิทึม ฟังก์ชันแรกยังสามารถคำนวณแบบออฟไลน์ได้ด้วยพื้นที่คงที่[ 4 ]

ในปี 2001 Pigeon ได้เสนอฟังก์ชันการจับคู่โดยอิงจากการสลับบิตซึ่งกำหนดแบบเวียนซ้ำดังนี้:

โดยที่และเป็นบิตที่มีนัยสำคัญน้อยที่สุดของiและjตามลำดับ[ 14 ]

การอ้างอิง

หมายเหตุ

  1. ^นั่นคือการฉีดจาก.
  2. ^บางครั้งมีการใช้คำว่า "การหาค่าประมาณแนวทแยง" เพื่ออ้างถึงการแจงนับประเภทนี้ แต่คำนี้ไม่เกี่ยวข้องโดยตรงกับการหาค่าประมาณแนวทแยงของแคนเตอร์

เชิงอรรถ

  1. ^นกพิราบ :

    "ฟังก์ชันการจับคู่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติในการพิสูจน์ว่าจำนวนสมาชิกของจำนวนตรรกยะและจำนวนเต็มที่ไม่เป็นลบนั้นเท่ากัน กล่าวคือซึ่งเดิมทีเป็นผลงานของแคนเตอร์"

  2. ^นกพิราบ
  3. ^ a b Lisi 2007 .
  4. ^ a b Regan 1992 .
  5. ^ a b c d e Szudzik 2006 .
  6. ^ Szudzik 2017 .
  7. ^ a bนกพิราบสมการที่ 8
  8. ^ Stein (1999 , หน้า 448–452) อ้างอิงใน Pigeon
  9. ^ Rogers, Hartley (1 มกราคม 1967). ทฤษฎีของฟังก์ชันเรียกซ้ำและความสามารถในการคำนวณที่มีประสิทธิภาพ . สำนักพิมพ์ MIT. หน้า 64. ISBN 978-0262680523.{{cite book}}: CS1 maint: date and year (link)
  10. ^นกพิราบสมการ 13-7
  11. ^ Hopcroft & Ullman (1979 , หน้า 169) อ้างอิงใน ( Pigeon , สมการ 2, 3)
  12. Jech 2006 , คำจำกัดความ 3.12.
  13. ^ Jech 2006 , ทฤษฎีบท 3.5.
  14. ^นกพิราบสมการที่ 12

เอกสารอ้างอิง

  • สตีเวน พีเจียน. "ฟังก์ชันการจับคู่" . MathWorld .
  • Lisi, Meri (2007). "ข้อสังเกตบางประการเกี่ยวกับฟังก์ชันการจับคู่ของแคนเตอร์" . Le Matematiche . LXII : 55– 65.
  • Regan, Kenneth W. (ธันวาคม 1992). "ฟังก์ชันการจับคู่ที่มีความซับซ้อนน้อยที่สุด" . วารสารวิทยาการคอมพิวเตอร์และระบบ . 45 (3): 285– 295. doi : 10.1016/0022-0000(92)90027-G . ISSN  0022-0000 .
  • Szudzik, Matthew (2006). "ฟังก์ชันการจับคู่ที่สง่างาม" (PDF) . szudzik.com . เก็บถาวร(PDF)จากต้นฉบับเมื่อวันที่ 25 พฤศจิกายน 2011 . เรียกดูเมื่อวันที่ 16 สิงหาคม 2021 .
  • Szudzik, Matthew P. (1 มิถุนายน 2017). "ฟังก์ชันการจับคู่ที่แข็งแกร่งของ Rosenberg". arXiv : 1706.04129 [ cs.DM ].
  • เจค, โทมัส (2006). ทฤษฎีเซต . Springer Monographs in Mathematics (ฉบับสหัสวรรษที่สาม). Springer-Verlag. doi : 10.1007/3-540-44761-X . ISBN 3-540-44085-2.
  • ฮอปครอฟต์, จอห์น อี. ; อัลแมน, เจฟฟรีย์ ดี. (1979). บทนำสู่ทฤษฎีออโตมาตา ภาษา และการคำนวณ (ฉบับพิมพ์ครั้งที่ 1). แอดดิสัน-เวสลีย์. ISBN 0-201-02988-X.
  • สไตน์, เชอร์แมน เค. (1999). คณิตศาสตร์: จักรวาลที่มนุษย์สร้างขึ้น (ฉบับที่ 3). โดเวอร์. ISBN 9780486404509.
ดึงข้อมูลมาจาก " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Pairing_function&oldid=1348704976 "

สรุปเนื้อหา

ข้อมูลสำคัญจากบทความ

ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ ฟังก์ชันการจับคู่

ใน ทางคณิตศาสตร์ ฟังก์ชัน การจับคู่ คือกระบวนการในการเข้ารหัส จำนวนธรรมชาติ สองจำนวน ให้เป็นจำนวนธรรมชาติเพียงจำนวนเดียว อย่างไม่ซ้ำกัน

คำนิยาม

ฟังก์ชัน การจับคู่ คือ ฟังก์ชันหนึ่งต่อหนึ่งทั่วถึง

การสรุปทั่วไป

โดยทั่วไป ฟังก์ชันการจับคู่บนเซตคือฟังก์ชันที่แมปองค์ประกอบแต่ละคู่จากไปยังองค์ประกอบของโดยที่องค์ประกอบคู่ที่แตกต่างกันของ จะเชื่อม โยง กับองค์ประกอบที่แตกต่างกันของ[ 5 ] [ a ] ​​หรือการจับคู่แบบหนึ่งต่อหนึ่งจากไปยัง [ 6 ] เอ {\displaystyle A} เอ...

ฟังก์ชันการจับคู่แคนเตอร์

ฟังก์ชันการจับคู่ของแคนเตอร์ เป็นฟังก์ชันการจับคู่ แบบเรียกซ้ำพื้นฐาน