Рэймонд Смаллиан - Принцесса или тигр?

Теорема 1.Закон Мак-Каллоха (который, как известно, гласит, что при любом А существует некое число X, которое порождает число АХ ) оказывается справедливым не только для машин, подчиняющихся правилам 1 и 2, но и для машин, подчиняющихся правилам 1 и 4.

Теорема 2.Любая машина, которая подчиняется закону Мак-Каллоха, подчиняется также и двум принципам Крейга.

Теорема 3.Любая машина, которая подчиняется одновременно второму принципу Крейга и правилу 1, должна подчиняться также и всем законам Фергюссона.

Не сообразит ли читатель, как доказать все эти теоремы?

Рассмотрим сначала произвольную машину, которая подчиняется правилам 1 и 4. Как известно, при любом X число 52 X порождает число XX; поэтому если выбрать в качестве X число 52, то мы получим, что число 5252 порождает число 5252. Итак, у нас есть число, которое порождает само себя. Кроме того, число 552552 порождает повторение самого себя. Далее, чтобы для любого А найти число X, которое порождает АХ, возьмем в качестве X число 52 А 52 (в самом деле, оно порождает повторение числа А 52, которое есть число A 52 A 52, то есть число АХ). Тем самым мы доказали теорему 1. (Если мы хотим найти число X, которое порождает повторение АХ, то в качестве X следует взять число 552 А 552.)

А теперь рассмотрим машину, которая подчиняется выведенным Мак-Каллохом правилам 1, 3 и 4. Числом, порождающим обращение самого себя, является, например, число 452452 (оно порождает обращение повторения числа 452, или, другими словами, обращение числа 452452). (Сравните его с предыдущим решением 43243.) Числом, которое порождает повторение обращения самого себя, является число 54525452. (Сравните его с прежним решением 5432543.)

Далее, рассмотрим машину, которая подчиняется правилам 1, 2 и 4. Мы знаем, что число 33233 порождает свой собственный ассоциат точно так же, как и число 352352. Что касается числа X, порождающего повторение самого себя, то у нас уже имеются два решения — это числа 35235 и 552552. Что же касается числа X, порождающего ассоциат повторения самого себя, то одним решением служит число 3532353; другим — число 35523552. Наконец, для числа, которое порождает повторение своего собственного ассоциата, также существуют два решения — это число 5332533 или число 53525352.

Наконец, рассмотрим некоторую произвольную машину, которая подчиняется по меньшей мере двум из правил Мак-Каллоха, а именно: правилам 1 и 4. Для заданного операционного числа M числом А, порождающим М(X), оказывается число М 52 М 52. (Сравните его с прежним решением — числом М 32 М З, полученным для машины, в которой вместо правила 4 используется правило 2.) Если теперь задано операционное число M и некое число А, то числом X, порождающим M(AX), будет число М 52 АМ 52. (Сравните его с прежним решением — М 32 АМ З.) Построенные решения показывают нам, что оба принципа Крейга могут быть получены на основании правил 1 и 4. Впрочем, я сформулировал гораздо более общее утверждение, а именно: для того чтобы получить принципы Крейга, достаточно одного только закона Мак-Каллоха (теорема 2). Это утверждение можно доказать тем же способом, который использовался нами в гл. 10. В самом деле, для любого заданного операционного числа M существует некое число Y, которое порождает MY; отсюда ясно, что число MY порождает М(МY). Поэтому число X порождает М(X), где X = MY . Точно так же для любого числа А, если имеется некоторое число Y, порождающее AMY, число MY порождает М(АMY) и, следовательно, число X порождает М(АХ) при X = MY .

Что же касается теоремы 3, то ее можно доказать так же, как это делалось в предыдущей главе. [Например, если даны операционные числа M и N и если выполняется второй принцип Крейга, то существует некое число X, которое порождает M( N 2 X ). Если теперь мы обозначим число N 2 X через Y, то получим, что число X порождает М(Y), а число Y порождает N(X). ]

Дело, по которому Крейг поехал в Норвегию, заняло у него гораздо меньше времени, чем он предполагал, и ровно через три недели инспектор возвратился домой. Дома его ждала записка от Мак-Каллоха:

Дорогой Крейг!

Если ты случайно вернешься из Норвегии до 12 мая (это пятница), то приходи ко мне в этот день обедать. Фергюссона я уже пригласил.

С приветом

Норман Мак-Каллох

— Вот и отлично! — сказал себе Крейг. — Я вернулся как раз вовремя!

Крейг приехал к Мак-Каллоху минут через пятнадцать после того, как там появился Фергюссон.

— С благополучным возвращением! — приветствовал приятеля Мак-Каллох.

— Пока вас не было, — сразу же сообщил Фергюссон, — Мак-Каллох изобрел новую числовую машину!

— Ну да? — удивился Крейг.

— Я занимался этим не один, — сказал Мак-Каллох, — Фергюссон тоже приложил к ней руку. А вообще-то машина интересная; на этот раз в нее введены следующие четыре правила:

правило MI:для любого числа X число 2 X 2 порождает X;

правил о МII:если число X порождает число Y, то число 6 X порождает число 2 Y;

правило MIII:если число X порождает число Y, то число 4 X порождает число Y⃖ (как и в случае предыдущей машины);

правило MIV:если число X порождает число Y, то число 5 X порождает число YY (как и в случае предыдущей машины).

— Эта машина, — продолжал Мак-Каллох, — обладает всеми прекрасными свойствами моей последней машины — она подчиняется двум твоим принципам и, кроме того, закону двойных аналогов Фергюссона.

Крейг довольно долго и внимательно изучал эти правила. Наконец он сказал:

— Что-то мне никак не удается сдвинуться с места. Не могу даже найти число, которое порождает само себя. Есть тут такие числа?

— Есть, — ответил Мак-Каллох, — но с помощью этой машины найти их гораздо труднее, чем в предыдущем случае. Честно говоря, я тоже не смог решить эту задачу. А вот Фергюссон с ней справился. Более того, теперь мы знаем, что такое короткое число, порождающее само себя, состоит из десяти цифр.

Крейг опять глубоко задумался.

— А что, первых двух правил недостаточно для нахождения такого числа? — поинтересовался он наконец.

— Нет, конечно! — ответил Мак-Каллох. — Для получения этого числа нам необходимы все четыре правила.

— Удивительное дело, — пробормотал Крейг и вновь погрузился в глубокое раздумье.

— О господи! — вдруг воскликнул он, буквально подскочив на стуле. — Да ведь это же решение загадки сейфа!

— О чем это вы? — спросил Фергюссон.