Sunday, March 20, 2011

Wielkie Liczby, Cz 1

Zaczynam zawsze serie notek od Cz 0 (i na niej na ogół kończę). Czyżbym teraz rozpoczął od Cz 1, a nie Cz 0? Ależ skąd! Cz 0 dałem na buzza bezpośrednio. Podałem w niej najprostsze funkcje, że tak powiem - bezpośrednie, dosyć szybko rosnące. Bo nie chodzi tak naprawdę o wielkie liczby, lecz o szybko rosnące funkcje. W szczególności wspomniałem silnię, [;n!;], oraz potęgę [;\Delta(n):=n^n;]. Ta ostatnia oczywiście rośnie znacznie szybciej. Jednak silnia dopuszcza prostszą definicję rekurencyjną:

  • [;0!:=1;]

  • [;\forall_{n>0}\quad n!:=n\cdot(n-1)!;]


Dla  [;\Delta(n);]  nie widzę równie prostej definicji rekurencyjnej, w której występowałaby tylko jedna zmienna. Gdyby jednak pogodzić się z potęgowaniem, to można wprowadzić znacznie szybciej rosnącą funkcję  [;\nabla(n);]  dla  [;n=1\ 2\ ...;],  jakby silnię eksponencjalną:

  • [;\nabla(1):=1;]

  • [;\forall_{n>0}\quad \nabla(n):=n^{\nabla(n-1)};]


- wizualnie:

    [;1\quad 2^1\quad 3^{2^1}\quad 4^{3^{2^1}}\quad 5^{4^{3^{2^1}}}\quad\dots;]

czyli

    [;1\quad 2\quad 9\quad 262144\quad 5^{262144}\quad\dots;]

Matematycy nie są tak chciwi. Na ogół wolą prostotę, na przykład wieżę dwójkową  [;w(n);],  gdzie

  • [;w(0):=1;]

  • [;\forall_{n>0}\quad w(n):=2^{w(n-1));]


- wizualnie

    [;1\quad 2\quad 2^2\quad 2^{2^2}\quad 2^{2^{2^2}}\quad 2^{2^{2^{2^2}}}\dots;]

czyli

    [;1\quad 2\quad 4\quad 16\quad 65536\quad 2^{65536}\quad\dots;]




Chodziłem do 8 klasy razem z Julkiem Burginem, który podarował mi wtedy piękne polskie wydanie "Kalejdoskopu Matematycznego", Hugona Steinhausa. Steinhaus definiuje w nim ogromne liczby obrazowo (oryginalna była właśnie obrazowość, bo temat był poważnie rozwinięty wcześniej, przez logików, w kontekście teorii funkcji rekursywnych i obliczalności). Zaczyna Steinhaus od  [;n;]  narysowanego w trójkącie, co definiuje, jako  [;n^n;].  Ja jednak piszę [;\Delta(n);]. Następnie definiuje/rysuje Steinhaus  [;n;]  wewnątrz kwadratu, co - Steinhaus mówi nam - oznacza to samo, co  [;n;]  narysowane w  [;n;]  trójkątach (dostajemy trójkątną cebulę). Będę tu pisał  [;\square(n);]. Zatem

  • [;\square(2) = \Delta(\Delta(2)) = \Delta(4) = 256;]

  • [;\square(3) = \Delta(\Delta(\Delta(3))) = \Delta(\Delta(27)) = \left(27^{27}\right)^{27^{27}};]

  • itd. :-)


Widzimy, że funkcja  [;\square(n);]  rośnie całkiem żwawo. Steinhaus na tym nie poprzestaje. Mógłby z kolei wprowadzić n w pięciokącie, potem w sześciokącie, ... Zlenił się, i poprzestal na następnym kroku, jako, że chodziło mu tylko o edukację wstępną i rozrywkę. Zatem nie mówi o pięciokącie, lecz o kółku/okręgu. Tak więc definuje  [;n;]  w kółku, jako  [;n;]  narysowane w  [;n;]  kwadratach. Będę pisał  [;\bigcirc(n);].  Na przykład:

    [;\bigcirc(2) = \square(\square(2)) = \square(256) = \dots;]

koszmar! :-) Mamy bowiem  256  w  256  trójkątach, czyli  [;256^{256}=65536;]  w  255  trójkątach, czyli  [;65536^{65536};]  w  254  trójkątach, itd. itd. itd. ...