2021-04-28 图灵停机问题证明(Halting Problem)

本文介绍停机问题,网上有一些证明,但是细节方面有点小漏洞,我们这里优化了一下。

停机问题:是否存在一个确定的程序(或者算法)能够判定 任意一个程序, 对于任意输入 是否 能在有限时间内返回 ?

答案是否定的,下面给出一个证明:

我们把所有的程序都看成函数 ,

反证法,假设存在一个程序满足要求,我们可以记该程序为is_halting:

typedef void (*func)(char*) Program;
bool is_halting (Program program, char* input);

我们不清楚内部实现,也不需要写出,只是假设存在,该函数可以正确判定program对于input会不会停机,返回true表示会停机,返回false表示不会停机

现在,构造一个函数

 void hack (char* code)
 {
      Program program = compile(code); //编译code源码
      if (is_halting (program , code))
      {
          while (true);
         return;
      }
      else
         return ;
 }

然后调用 :

//其中decompile是反编译的意思,把一个函数反编译为源码字符串
bool ok =  is_halting(hack,decompile(hack));

那么这个函数将返回 true还是 false?
我们假设它返回true,
那么意味着 :
hack(decompile(hack)) 将会在有限时间内返回
我们设decompile(hack) = hackStr,将其代入hack的源码,

 void hack (char* hackStr)
 {
//先反编译再编译,则返回的是program == hack
      Program program = compile(hackStr); 
      if (is_halting (program , hackStr)) //这根据假设
//等价于 is_halting(hack, hackStr) ,并且将返回true,死循环
      {
          while (true); 
         return;
      }
      else
         return ;
 }

根据以上分析,hack(decompile(hack)) 永远不会返回,矛盾。

我们再假设返回false
这意味着:

 hack(decompile(hack))将永远不会返回

还是代入hack源码:

 void hack (char* hackStr)
 {
//先反编译再编译,则返回的是program == hack
      Program program = compile(hackStr); 
      if (is_halting (program , hackStr)) //这根据假设
//等价于 is_halting(hack, hackStr) ,并且将返回false,
      {
          while (true); 
         return;
      }
      else
         return ; //程序会走到这里并且返回
 }

可以看到hack(decompile(hack))返回了,矛盾。

综上,无论如何都会产生矛盾,注意,我么在证明过程中
只是假设了返回值为 void,输入为char*的程序,也就是对于这一类程序我们证明了不存在满足要求的算法,那么既然对这一类程序都不存在,自然对于任意程序而言,就更不存在了。

至此,我们就证明了图灵停机问题。

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