Vladimir Yu. Sazonov- On Feasible Numbers

8/3/2019 Vladimir Yu. Sazonov- On Feasible Numbers

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O n F e a s i b l e N u m b e r s

V l a d i m i r Y u . S a z o n o v

P r o g r a m S y s t e m s I n s t i t u t e o f R u s s i a n A c a d e m y o f S c i e n c e s ,

P e r e s l a v l - Z a l e s s k y , 1 5 2 1 4 0 , R u s s i a .

e - m a i l : s a z o n o v @ l o g i c . b o t i k . y a r o s l a v l . s u

A b s t r a c t . A f o r m a l a p p r o a c h t o f e a s i b l e n u m b e r s , a s w e l l a s t o m i d d l e

a n d s m a l l n u m b e r s , i s i n t r o d u c e d , b a s e d o n i d e a s o f P a r i k h ( 1 9 7 1 ) a n d

i m p r o v i n g h i s f o r m a l i z a t i o n . T h e \ v a g u e " s e t F o f f e a s i b l e n u m b e r s i n -

t u i t i v e l y s a t i s e s t h e a x i o m s 0 2 F F + 1 F a n d 2

1 0 0 0

62 F , w h e r e t h e

l a t t e r i s s t r o n g e r t h a n a c o n d i t i o n c o n s i d e r e d b y P a r i k h , a n d s e e m s t o b e

t r e a t e d r i g o r o u s l y h e r e f o r t h e r s t t i m e . O u r t e c h n i c a l c o n s i d e r a t i o n s ,

t h o u g h q u i t e s i m p l e , h a v e s o m e u n u s u a l c o n s e q u e n c e s . A d i s c u s s i o n o f

m e t h o d o l o g i c a l q u e s t i o n s a n d o f r e l e v a n c e t o t h e f o u n d a t i o n s o f m a t h e -

m a t i c s a n d o f c o m p u t e r s c i e n c e i s a n e s s e n t i a l p a r t o f t h e p a p e r .

1 I n t r o d u c t i o n

H o w t o f o r m a l i z e t h e i n t u i t i v e n o t i o n o f f e a s i b l e n u m b e r s ? T o s e e w h a t f e a s i -

b l e n u m b e r s a r e , l e t u s s t a r t b y c o u n t i n g : 0 , 1 , 2 , 3 , a n d s o o n . A t t h i s p o i n t , A . S .

Y e s e n i n - V o l p i n ( i n h i s \ A n a l y s i s o f p o t e n t i a l f e a s i b i l i t y " , 1 9 5 9 ) a s k s : \ W h a t d o e s

t h i s ` a n d s o o n ' m e a n ? " \ U p t o w h a t e x t e n t ` a n d s o o n ' ? " A n d h e a n s w e r s : \ U p

t o e x h a u s t i o n ! " N o t e t h a t b y c o s m o l o g i c a l c o n s t r a i n t s e x h a u s t i o n m u s t o c c u r

s o m e w h a t b e f o r e , s a y , 2

1 0 0 0

, w h i c h i s l a r g e r t h a n t h e n u m b e r o f e l e c t r o n s i n

t h e u n i v e r s e ! I n a s t r i c t e r s e n s e , 2

1 0 0

m i g h t a l s o b e v i e w e d a s n o n - f e a s i b l e , b u t

2

1 0

= 1 0 2 4 i s s u r e l y f e a s i b l e . T h e p r o b l e m i s t h a t w e c a n n o t i m a g i n e a n y u n i -

v e r s a l l y a c c e p t e d b o r d e r p o i n t b e t w e e n f e a s i b l e a n d n o n - f e a s i b l e n u m b e r s , s e e m -

i n g l y p r e c l u d i n g a s y s t e m a t i c m a t h e m a t i c a l s t u d y o f f e a s i b i l i t y . O u r a i m h e r e i s

t o s h o w t h a t , q u i t e t o t h e c o n t r a r y , f e a s i b i l i t y i s a n o t i o n t h a t c a n b e c a p t u r e d

a n d a n a l y z e d b y p r e c i s e m a t h e m a t i c a l m e a n s .

N e v e r t h e l e s s , a c c o r d i n g t o q u i t e a d i e r e n t a p p r o a c h a f o r m a l b o r d e r

p o i n t b e t w e e n \ f e a s i b l e " a n d \ n o n - f e a s i b l e " m a y b e p o s t u l a t e d t o e x i s t .

W e j u s t r e j e c t t h e a b s t r a c t i o n o f p o t e n t i a l f e a s i b i l i t y i n a n o t h e r w a y . W e

c o u l d p o s t u l a t e t h e e x i s t e n c e o f s o m e r e s o u r c e b o u n d s w h i c h a l w a y s a p -

p e a r i n p r a c t i c e a n d s h o u l d n o t b e n e g l e c t e d , a s u s u a l l y , b u t e x p l i c i t l y

t a k e n i n t o o u r c o n s i d e r a t i o n , s a y , a s p a r a m e t e r s . T h i s l e a d s u s t o t h e

i d e a o f a n i t e r o w o f n a t u r a l n u m b e r s w i t h t h e l a r g e s t n u m b e r ( s y m -

b o l i z i n g t h e i n c i d e n t a l r e s o u r c e b o u n d ) , w h i c h m a y b e d e n o t e d l i k e z e r o

a s . I t p r o v e s t h a t r e c u r s i o n t h e o r y r e l a t i v i z e d t o s u c h a n i t e r o w o f

?

S u p p o r t e d b y R u s s i a n B a s i c R e s e a r c h F o u n d a t i o n ( p r o j e c t 9 3 - 0 1 1 - 1 6 0 1 6 ) . T h i s p a p e r

i s a n e x t e n d e d v e r s i o n o f t h e a b s t r a c t ( S a z o n o v 1 9 9 2 ) .


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n a t u r a l n u m b e r s i s e s s e n t i a l l y t h e t h e o r y o f p o l y n o m i a l - t i m e c o m p u t a b i l -

i t y ( S a z o n o v 1 9 8 0 ) , ( G u r e v i c h 1 9 8 3 ) , ( I m m e r m a n 1 9 8 2 ) , ( V a r d i 1 9 8 2 ) .

T h e n w e m a y c o n s i d e r t h e c o r r e s p o n d i n g v e r s i o n o f P e a n o A r i t h m e t i c i n

f 0 1 ; : : : ; ? 1 g w i t h t w o c o n s t a n t s 0 a n d a n d t h e o r d i n a r y i n d u c -

t i o n s c h e m a , e t c . ( S a z o n o v 1 9 8 0 a , 1 9 8 9 ) . M o r e o v e r , i t m a k e s s e n s e t o x

t h e v a l u e o f t o b e e q u a l , s a y , t o 8 ( t h e c a s e o f t h e c h e s s - b o a r d 8 8 )

H o w e v e r , i n t h i s p a p e r w e w i l l t r e a t t h e \ n e g a t i o n " o f t h e a b s t r a c t i o n o f

p o t e n t i a l f e a s i b i l i t y s o m e w h a t d i e r e n t l y , w i t h o u t p o s t u l a t i n g a n y m a x -

i m a l ( f e a s i b l e ) n a t u r a l n u m b e r .

S o , i f w e d e n o t e t h e \ v a g u e " o r \ f u z z y " s e t o f f e a s i b l e n u m b e r s a s F t h e n w e

s h o u l d p o s t u l a t e t h a t 0 2 F F + 1 F a n d 2

1 0 0 0

62 F a c c o r d i n g t o o u r i n t u i t i o n .

H o w e v e r , i t s e e m s t h a t T r a d i t i o n a l M a t h e m a t i c s ( b o t h c l a s s i c a l a n d i n t u i t i o n -

i s t i c ) d o e s n o t a l l o w c o n s i d e r i n g s u c h p o s t u l a t e s a s c o n s i s t e n t o n e s . A l s o , t h e

a p p r o a c h o f A . S . Y e s e n i n - V o l p i n ( w h i c h i s s o m e t i m e s c a l l e d \ u l t r a i n t u i t i o n i s m "

o r \ u l t r a n i t i s m " , \ a c t u a l i s m " ( T r o e l s t r a 1 9 9 0 ) ) b e i n g v e r y s u g g e s t i v e , a p p e a r s

t o o i n f o r m a l .

T r o e l s t r a a n d v a n D a l e n ( 1 9 8 8 ) a l s o w r o t e o n f e a s i b i l i t y n o t i o n t h e f o l l o w i n g .

\ N a t u r a l n u m b e r s a r e u s u a l l y r e g a r d e d a s u n p r o b l e m a t i c f r o m a c o n s t r u c t i v e

p o i n t o f v i e w ; t h e y c o r r e s p o n d t o v e r y s i m p l e m e n t a l c o n s t r u c t i o n s : s t a r t t h i n k -

i n g o f a n a b s t r a c t u n i t , t h i n k o f a n o t h e r u n i t d i s t i n c t f r o m t h e r s t o n e a n d

c o n s i d e r t h e c o m b i n a t i o n ( \ t h i n k t h e m t o g e t h e r " ) . T h e i n d e n i t e r e p e t i t i o n o f

t h i s p r o c e s s g e n e r a t e s t h e c o l l e c t i o n N o f n a t u r a l n u m b e r s . I t s h o u l d b e p o i n t e d

o u t t h a t a l r e a d y h e r e a n e l e m e n t o f i d e a l i z a t i o n e n t e r s . W e r e g a r d 5 , 1 0 0 0 a n d

1 0

1 0

1 0

a s o b j e c t s o f \ t h e s a m e s o r t " t h o u g h o u r m e n t a l p i c t u r e i n e a c h o f t h e s e

c a s e s i s d i e r e n t : w e c a n g r a s p \ v e " i m m e d i a t e l y a s a c o l l e c t i o n o f u n i t s , w h i l e

o n t h e o t h e r h a n d 1 0

1 0

1 0

c a n o n l y b e h a n d l e d v i a t h e n o t i o n o f e x p o n e n t i a t i o n ;

1 0 0 0 r e p r e s e n t a n i n t e r m e d i a t e c a s e . V i s u a l i z i n g 1 0

1 0

1 0

a s a s e q u e n c e o f u n i t s i s

o u t o f t h e q u e s t i o n . E x p o n e n t i a t i o n a s a n a l w a y s p e r f o r m a b l e o p e r a t i o n o n t h e

n a t u r a l n u m b e r s i n v o l v e s a m o r e a b s t r a c t i d e a t h a n i s g i v e n w i t h t h e g e n e r a t i o n

o f N < : : : > T h e r e a r e c o n s i d e r a b l e o b s t a c l e s t o o v e r c o m e f o r a c o h e r e n t a n d

s y s t e m a t i c d e v e l o p m e n t o f u l t r a - n i t i s m , a n d i n o u r o p i n i o n n o s a t i s f a c t o r y d e -

v e l o p m e n t e x i s t s a t p r e s e n t . " ( p . 5 { 6 . ) \ c e r t a i n l y w e h a v e m u c h l e s s d i c u l t y

m a n a g i n g t h e i d e a l i z e d c o n c e p t o f t h e n a t u r a l n u m b e r s , e v e n t h o u g h i t i s h i g h l y

s o p h i s t i c a t e d o n e . " ( p . 8 3 2 . ) \ O n t h e o t h e r h a n d , i n t u i t i o n i s t i c a l l y w e d o a c c e p t

t h a t \ i n p r i n c i p l e " w e c a n v i e w 1 0

1 0

1 0

a s a s e q u e n c e o f u n i t s ( i . e . w e r e j e c t t h e

u l t r a n i t i s t o b j e c t i o n ) , a n d t h e a u t h o r s a r e n o t s u r e t h a t t h i s i s r e a l l y l e s s s e r i -

o u s t h a n t h e p l a t o n i s t e x t r a p o l a t i o n . A t l e a s t i t n e e d s a r g u m e n t s . " ( p . 8 5 1 . ) A l s o

B o r e l ( 1 9 4 7 ) m e n t i o n e d t h a t \ t h e v e r y l a r g e n i t e o e r s t h e s a m e d i c u l t i e s a s

t h e i n n i t e " .

A n o t h e r i n f o r m a l c o n s i d e r a t i o n o f f e a s i b i l i t y n o t i o n w a s g i v e n i n a p o p u l a r

l e c t u r e o f A . N . K o l m o g o r o v ( 1 9 7 9 ) w h o s e i d e a o f m i d d l e a n d s m a l l n u m b e r s i s

f o r m a l l y d e v e l o p e d i n t h i s p a p e r .

A r i g o r o u s m a t h e m a t i c a l a p p r o a c h t o f e a s i b i l i t y w a s s u g g e s t e d b y R . P a r i k h

( 1 9 7 1 ) a n d d e v e l o p e d f u r t h e r b y o t h e r a u t h o r s ( V . P . O r e v k o v ( 1 9 7 9 ) , R . O . G a n d y

( 1 9 8 2 ) , A . G . D r a g a l i n ( 1 9 8 5 ) ) . A s P r o f e s s o r G a n d y n o t e d t o t h e a u t h o r , R . P a r i k h


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w a s t h e r s t w h o s h o w e d t h a t f e a s i b i l i t y i n d e e d c a n b e t r e a t e d a s m a t h e m a t i c a l l y

c o h e r e n t n o t i o n . H o w e v e r , t h e r e a s o n f o r w r i t i n g t h e p r e s e n t p a p e r i s t h a t h i s

v e r y i n t e r e s t i n g f o r m a l i z a t i o n o f f e a s i b i l i t y n o t i o n a p p e a r s n o t t o b e c o m p l e t e l y

a d e q u a t e .

R . P a r i k h c o n s i d e r e d t h e o r d i n a r y P e a n o A r i t h m e t i c P A ( i n t h e l a n g u a g e o f

p r i m i t i v e r e c u r s i v e f u n c t i o n s ) a u g m e n t e d w i t h a n e w u n a r y p r e d i c a t e F ( w h i c h

s h o u l d n o t o c c u r i n t h e I n d u c t i o n S c h e m a o f P A ! ) a n d n e w a x i o m s l i k e t h e

f o l l o w i n g :

0 2 F 1 2 F ( x 2 F & y 2 F ) x + y 2 F & x y 2 F & 8 z x ( z 2 F ) )

a n d , m o s t i m p o r t a n t ,

2

2

1 0 0 0

62 F

H e r e i t i s d e n e d b y p r i m i t i v e r e c u r s i o n 2

0

: = 1 a n d 2

k + 1

= 2

2

k

( a n d m o r e

g e n e r a l l y , 2

x

0

= x 2

x

k + 1

= 2

2

x

k

= 2

2

x

k

2

x

k

= 2

2

x

k t i m e s \ 2 " ) . S o , 2

2

1 0 0 0

d e n o t e s

a h u g e v a l u e o f e x p o n e n t i a l t o w e r o f 2

1 0 0 0

n u m b e r o f s t a g e s . T h e r e s u l t i n g t h e o r y

P A

F

w a s p r o v e d i n ( P a r i k h 1 9 7 1 ) t o b e p r a c t i c a l l y ( o r f e a s i b l y ) c o n s i s t e n t i n t h e

s e n s e t h a t e v e r y f o r m a l p r o o f o f a c o n t r a d i c t i o n i n t h i s t h e o r y s h o u l d c o n t a i n a t

l e a s t 2

1 0 0 0

s y m b o l s .

M o r e e x a c t l y , i t f o l l o w s f r o m P a r i k h ' s t h e o r e m s 2 2 a a n d 2 2 b ( P a r i k h

1 9 7 1 ) t h a t i n a n y t r e e - l i k e H i l b e r t - s t y l e p r o o f i n P A

F

o f t h e c o n t r a d i c t i o n

0 = 1 t h e n u m b e r o f l o g i c a l a x i o m s A ( t ) ) 9 x A ( x ) c o n t a i n i n g F o r t h e i r

q u a n t i e r c o m p l e x i t y o r t h e n u m b e r o f n e w F - a x i o m s i n v o l v e d s h o u l d

b e > 2

9 9 0

T h i s m e t a m a t h e m a t i c a l s t a t e m e n t i s p r o v e d i n t h e o r d i n a r y m a t h e m a t i c a l m a n -

n e r ( r o u g h l y s p e a k i n g , i n t h e f r a m e w o r k o f Z e r m e l o - F r e n k e l s e t t h e o r y o r t h e

l i k e ) a n d i s b a s e d o n H i l b e r t a n d A c k e r m a n n ' s - s y m b o l e l i m i n a t i o n t e c h n i q u e .

I n f a c t , R . P a r i k h a n d o t h e r a u t h o r s ( u s i n g a l s o t h e c u t - e l i m i n a t i o n t e c h n i q u e )

a r e c o n c e r n e d r a t h e r w i t h o b t a i n i n g c o m p l e x i t y e s t i m a t e s f o r s o m e p r o o f p a -

r a m e t e r s . H o w e v e r , w e p r e f e r t o s t r e s s o n r e a s o n a b l e c o n c r e t e v a l u e s o f t h e s e

p a r a m e t e r s . W e b e l i e v e t h a t , e . g . 2

9 9 0

o r e v e n 2

1 0 0

a r e n o n - f e a s i b l e n u m b e r s a n d

1 0 0 0 i s f e a s i b l e o n e i n s o m e a b s o l u t e s e n s e . S o , t h e i r f e a s i b i l i t y / n o n - f e a s i b i l i t y

d o e s n o t d e p e n d o n a n y c o m p u t e r t e c h n o l o g y . ( O t h e r w i s e t h e p a r a m e t r i c a p -

p r o a c h w o u l d b e i n d e e d t h e m o s t r e a s o n a b l e . ) T h a t i s w h y w e w i l l o f t e n u s e

\ n i t e " / \ i n n i t e " i n s t e a d o f \ f e a s i b l e " / \ n o n - f e a s i b l e " . W e a l s o c a l l s u c h n u m -

b e r s a s 2

1 0 0 0

a s \ i m a g i n a r y n i t e " o r s i m p l y \ i m a g i n a r y " o r e v e n a s \ i n n i t e " .

T h e n u m b e r 2

2

1 0 0 0

i s t o o r o u g h u p p e r b o u n d f o r f e a s i b l e n u m b e r s a n d w i t h o u t

e s s e n t i a l c h a n g e s o f t h e a b o v e a p p r o a c h w e c a n n o t r e p l a c e s u c h u p p e r b o u n d i n

t h e l a s t a x i o m o f R . P a r i k h b y 2

1 0 0 0

o r e v e n b y 2

1 0 0 0

( w h e r e 2

1 0 0 0

2

1 0 0 0

2

2

1 0 0 0

) . I n f a c t , w e c a n a r g u e ( b y u s i n g t h e m a t e r i a l o f t h e n e x t s e c t i o n ) t h a t

p r o v a b i l i t y o f 2

1 0 0 0

2 F i s i n s o m e e x a c t s e n s e i n e v i t a b l e h e r e . S o , e v e n t h e

i n t u i t i v e l y t r u e a x i o m 2

1 0 0 0

62 F w o u l d b e c o n t r a d i c t o r y i n P A

F

. T h i s m e a n s

t h a t P a r i k h ' s u p p e r b o u n d 2

2

1 0 0 0

f o r f e a s i b l e n u m b e r s w a s s u c i e n t l y e x a c t f o r


4/22

t h e c o n c r e t e f o r m a l i s m h e u s e d . S i m u l t a n e o u s l y , t h i s w i t n e s s e s t h a t h i s t h e o r y

( t o g e t h e r w i t h i t s u n d e r l y i n g l o g i c ) i s n o t c o m p l e t e l y a d e q u a t e a s a t h e o r y o f

f e a s i b l e n u m b e r s . I t i s r a t h e r a r s t s a t i s f a c t o r y a p p r o x i m a t i o n .

T h i s p a p e r i s d e v o t e d t o p e r f o r m s o m e f u r t h e r s t e p t o o v e r c o m e t h i s d i f -

c u l t y . I t c o n s i s t s i n n d i n g s u i t a b l e r e s t r i c t i o n o n t h e u n d e r l y i n g p r e d i c a t e

c a l c u l u s c o n s i d e r e d a s L o g i c o f M a t h e m a t i c s a n d i n a r g u i n g t h a t t h i s r e s t r i c -

t i o n ( p r o b a b l y

2

) d o e s n o t c r u c i a l l y d e s t r o y o u r a b i l i t y t o d e v e l o p m a t h e m a t i c a l

k n o w l e d g e . M o r e o v e r , t h i s a l l o w s t o c o n s i d e r e v e n t h e f e a s i b l e n u m b e r 1 0 0 0 a s i n -

n i t e i n a s u i t a b l e s e n s e ( c f . V o p e n k a ' s n o t i o n o f \ w i t n e s s e d u n i v e r s e " ( V o p e n k a

1 9 7 9 ) ) . T h i s r e s t r i c t i o n o n l o g i c ( i n i t s s t r o n g e s t f o r m ) p r o v e s t o b e q u i t e s i m -

p l e . I t s m a i n c l a u s e h a s b e e n w e l l k n o w n f o r a l o n g t i m e b u t w a s n o t c o n s i d e r e d

i m m e d i a t e l y i n c o n n e c t i o n w i t h f e a s i b l e n u m b e r s . I t c o n s i s t s j u s t i n r e j e c t i n g t h e

c u t r u l e o r , e q u i v a l e n t l y , i n a l l o w i n g o n l y n o r m a l n a t u r a l d e d u c t i o n s i n d e v e l o p -

i n g M a t h e m a t i c s . T h e b a s i c a i m o f t h i s p a p e r i s t o d e m o n s t r a t e t h e a d e q u a c y

o f s u c h a r e s t r i c t i o n . W e a l s o s u g g e s t s o m e o t h e r m o r e l i b e r a l a n d s t i l l a d e q u a t e

r e s t r i c t i o n .

N o t e , t h a t t h e r e i s a m o r e r o u g h a p p r o a c h t o f e a s i b i l i t y w h i c h a l s o w a s i n i -

t i a t e d b y R . P a r i k h ( 1 9 7 1 ) . H e r e o n l y 9 n ( 2

n

= 1 ) m a y b e p o s t u l a t e d , r a t h e r

t h a n 2

1 0 0 0

= 1 . T h e r e w e r e m a n y c o r r e s p o n d i n g w o r k s o n B o u n d e d A r i t h m e t i c

w h e r e e x p o n e n t i a t i o n i s n o t a p r o v a b l y t o t a l f u n c t i o n . I n a d d i t i o n t o a b o v e m e n -

t i o n e d ( S a z o n o v 1 9 8 0 a , 1 9 8 9 ) w e r e f e r t o ( B u s s 1 9 8 6 ) , ( N e l s o n 1 9 8 6 ) a n d t o m o r e

r e c e n t b o o k s ( H a j e k a n d P u d l a k 1 9 9 3 ) a n d ( K r a j

i c e k 1 9 9 5 ) f o r f u r t h e r d e t a i l s

a n d t h e l i t e r a t u r e .

T h e c o m p l e x i t y t h e o r i s t s k n o w v e r y w e l l t h a t t h e r e i s a n e s s e n t i a l d i e r e n c e

b e t w e e n , s a y , b i n a r y a n d u n a r y n o t a t i o n s y s t e m s f o r n a t u r a l n u m b e r s . S o , t h e

( i m a g i n a r y ) n u m b e r 2

1 0 0 0

i n b i n a r y n o t a t i o n h a s a q u i t e f e a s i b l e f o r m 1 0 0 0

( o n l y t h o u s a n d z e r o s ) , b u t i t s u n a r y r e p r e s e n t a t i o n 1 1 1 1 1 i s n o n - f e a s i b l e ,

w h i c h c o r r e s p o n d s t o o u r i n t u i t i o n a b o u t t h i s n u m b e r . T h a t i s w h y w e p r e f e r

( n o t f o r p r a c t i c a l a i m s ) u n a r y n o t a t i o n s y s t e m w h i c h a l s o p r o p e r l y r e e c t s t h e

c o u n t i n g p r o c e s s . I t i s v e r y g o o d t h a t w e a l s o h a v e b i n a r y , d e c i m a l a n d o t h e r

n u m b e r s y s t e m s w h i c h a l l o w s t o c o n s i d e r a b l y a b b r e v i a t e \ u n a r y " n u m b e r s . B u t

t h i s d o e s n o t m e a n t h a t e . g . e a c h ( f e a s i b l e i n l e n g t h ) b i n a r y s t r i n g l i k e 1 0 0 0

d e n o t e s s o m e ( f e a s i b l e ) n u m b e r . N o n e t h e l e s s , t h e t r a d i t i o n i s s o s t r o n g t h a t

e v e n i n B o u n d e d A r i t h m e t i c t h e a b b r e v i a t i o n s o f n a t u r a l n u m b e r s a r e i d e n t i e d

w i t h t h e n u m b e r s t h e m s e l v e s . T h i s t h e o r y i s A r i t h m e t i c o n l y b y t h e f o r m o f

i t s a x i o m s . A c t u a l l y i t p r o v e s t o b e a t h e o r y o f b i n a r y s t r i n g s . O n t h e o t h e r

h a n d , P e a n o a n d P r i m i t i v e R e c u r s i v e A r i t h m e t i c c o m p l e t e l y n e g l e c t a n y s u c h

d i s t i n c t i o n s b e c a u s e t h e y a r e t o o s t r o n g a n d r o u g h f o r t h i s .

2 W h y C o n s i d e r F e a s i b l e N u m b e r s ?

L e t u s r s t a s k t h e c o u n t e r - q u e s t i o n : W h y c o n s i d e r n o n - f e a s i b l e n u m b e r s ? I t

s e e m s t h a t t h e r e i s n o n e e d i n M a t h e m a t i c s a n d i n A p p l i e d M a t h e m a t i c s t o s p e -

2

N o t e , t h a t w e c o n s i d e r t h i s p a p e r a s a r e a s s u r i n g e x p e r i m e n t , a r e a s o n a b l e s t e p , b u t

n o t a s a n a l t r u t h .


5/22

c i a l l y i n t r o d u c e t h e m . R a t h e r , s u c h u n r e a l i s t i c t h i n g s a s n o n - f e a s i b l e n u m b e r s

o r n o n - m e a s u r a b l e s e t s , o r t h e p o s s i b i l i t y \ t o m a k e t w o a p p l e s f r o m o n e w h i c h

h a v e t h e s a m e f o r m " ( d u e t o t h e C h o i c e A x i o m i n S e t T h e o r y ) e t c . a r e u n d e -

s i r a b l e s i d e e e c t s o f v a r i o u s f o r m a l t e c h n i q u e s . W e p r o v e b y t h e M a t h e m a t i c a l

I n d u c t i o n t h a t f u n c t i o n 2

x

i s t o t a l . H o w e v e r , t h e c o m p u t a t i o n a l p r a c t i c e s h o w s

t h a t i t i s a c t u a l l y p a r t i a l ( 2

1 0 0 0

= 1 ) ! T h i s i s a n i n t e r e s t i n g a n d a c t u a l l y w e l l

k n o w n ( i n S c i e n c e a n d i n e v e r y - d a y l i f e ) s t r a n g e e e c t w h e n w e i m m e d i a t e l y s e e

s o m e t h i n g a s \ b l a c k " b u t n e v e r t h e l e s s t h i n k ( f o r a t e c h n i c a l c o n v e n i e n c e , b y a

h a b i t o r f o r s o m e o t h e r r e a s o n s ) t h a t i t i s \ w h i t e " .

A n o t h e r p r i n c i p l e w h i c h i s p o s t u l a t e d i n M a t h e m a t i c s a n d L o g i c , d e s p i t e i t s

\ f a l s e " c o n s e q u e n c e s , i s t h e t r a n s i t i v i t y o f i m p l i c a t i o n . F o r e x a m p l e , w e m a y

a r g u e t h a t t h e i m p l i c a t i o n i s n o t t r a n s i t i v e i n s o m e r e a l s i t u a t i o n s s u c h a s t h e

f o l l o w i n g o n e : i f s o m e b o d y i s a b a b y t o d a y t h e n h e w i l l b e a b a b y o n e m o n t h

l a t e r , b u t a f t e r o n e h u n d r e d m o n t h s h e w i l l b e s u r e l y n o t a b a b y . H e n c e , o n e

h u n d r e d a p p l i c a t i o n s o f t h e t r a n s i t i v i t y o f i m p l i c a t i o n f a i l i n t h i s c a s e .

I t s e e m s t h a t t h e r e a s o n f o r s u c h a p p r o a c h e s t o d e v e l o p M a t h e m a t i c s w h i c h

c o n t r a d i c t t o o u r g r o u n d i n t u i t i o n a n d e x p e r i e n c e i s i n n e g l e c t i n g t h e c o r r e -

s p o n d i n g \ v a g u e " n o t i o n s \ f e a s i b l e " / \ n o n - f e a s i b l e " , \ b i g " / \ s m a l l " , e t c . a s n o n -

m a t h e m a t i c a l o n e s . A l s o t h e r e s u l t i n g o r d i n a r y w o r k i n g a p p a r a t u s p r o v e s t o b e

s t i l l e x t r e e m l y s u c c e s s f u l , s u c i e n t a n d a d e q u a t e i n m a n y o t h e r i m p o r t a n t r e -

s p e c t s . H o w e v e r , w h y s h o u l d w e c o n s i d e r t h e s e t r a d i t i o n a l a p p r o a c h e s a s t h e

b e s t o r t h e u n i q u e p o s s i b l e o n e s ?

N o t e t h a t t h e o r d i n a r y C o m p l e x i t y T h e o r y a l s o d e a l s w i t h f e a s i b i l i t y p r o b -

l e m s . T h e r e f o r e , f o r c o m p l e t e n e s s ' s a k e t h i s i m p o r t a n t c o m p a r a t i v e l y - q u a n t i t a -

t i v e a p p r o a c h t o a l g o r i t h m s t h e o r y m i g h t b e d e l i b e r a t e l y c o n c e r n e d a l s o w i t h

f e a s i b l e n u m b e r s ( n o t j u s t o n l y w i t h f e a s i b l e c o m p u t a t i o n s o f f u n c t i o n s a n d p r e d -

i c a t e s d e n e d b o t h o n f e a s i b l e a n d n o n - f e a s i b l e a r g u m e n t s ) . K o l m o g o r o v ' s C o m -

p l e x i t y T h e o r y o f F i n i t e o b j e c t s s e e m s w a s s u c i e n t l y c l o s e t o t h i s i d e a . P r o b a b l y

i t s h i g h e s t s u c c e s s i n t h e t r a d i t i o n a l f r a m e w o r k w a s t h e r e a s o n t h a t t h i s t h e o r y

d i d n o t t u r n t o f e a s i b i l i t y c o n s i d e r a t i o n s i n a r i g o r o u s m a t h e m a t i c a l w a y .

M o r e o v e r , b y t h e a u t h o r ' s o p i n i o n f e a s i b l e n u m b e r s c o u l d b e t h e p r o p e r n o -

t i o n t o s e t i n t o t h e f o u n d a t i o n o f ( A p p l i e d ) M a t h e m a t i c s . T h i s i s s i m p l y a n o t h e r

w a y t o i n t r o d u c e c o m p l e x i t y t h e o r e t i c a p p r o a c h i n M a t h e m a t i c s b y r e c o n s i d e r -

i n g t h e i n i t i a l f u n d a m e n t a l n o t i o n s . I t s e e m s t h a t t h i s c o u l d g i v e m o r e s m o o t h

c o n n e c t i o n o f M a t h e m a t i c s w i t h r e a l c o m p u t e r s . A l s o t h i s i s a d i e r e n t a n d

h o p e f u l l y m o r e n a t u r a l a p p r o a c h t o s o c a l l e d \ f u z z y " M a t h e m a t i c s a s w e l l a s

t o ( F e a s i b l y ) C o n s t r u c t i v e M a t h e m a t i c s . A s i s w e l l k n o w n , t h e O r d i n a r y C o n -

s t r u c t i v i s m a l l o w s t r a n s f o r m a t i o n o f e x i s t e n c e p r o o f s t o p o t e n t i a l c o n s t r u c t i o n s

o f c o r r e s p o n d i n g \ e x i s t i n g " o b j e c t s . I n c o n t r a s t , F e a s i b l e C o n s t r u c t i v i s m s h o u l d

g u a r a n t e e j u s t f e a s i b l e c o n s t r u c t i o n s o f f e a s i b l e o b j e c t s .

3

3

T h e r e a r e a l s o o t h e r a p p r o a c h e s t o F e a s i b l e C o n s t r u c t i v i s m o r , m o r e p r e c i s e l y , t o

P o l y n o m i a l C o n s t r u c t i v i s m ( C o o k 1 9 7 5 ) , ( C o o k a n d U r q u h a r t 1 9 9 3 ) , ( B u s s 1 9 8 6 ) ,

( S a z o n o v 1 9 8 9 ) w h i c h a r e c o n c e r n e d w i t h e x t r a c t i n g f r o m c o n s t r u c t i v e e x i s t e n c e

p r o o f s t h e c o r r e s p o n d i n g p o l y n o m i a l - t i m e c o n s t r u c t i o n s o f p o s s i b l y n o n - f e a s i b l e ( i n

t h e p r o p e r s e n s e ) n i t e o b j e c t s .


6/22

L e t u s i l l u s t r a t e t h i s o n t h e f o l l o w i n g q u a s i - p r a c t i c a l e x a m p l e . C o n s i d e r a

v a r i a t i o n o f t h e c h e s s g a m e w h i c h d i e r s f r o m t h e o r d i n a r y o n e e s s e n t i a l l y b y

a l l o w i n g f o r w h i t e s a n d b l a c k s t o m a k e j u s t t w o m o v e s o f t h e p i e c e s a t o n c e

i n s t e a d o f o n e m o v e . L e t a l s o t h e o v e r a l l n u m b e r o f m o v e s i s b o u n d e d , s a y , b y

1 0 0 . T h e n w e m a y e a s i l y p r o v e t h a t w h i t e s h a v e a s t r a t e g y w h i c h a l l o w s t h e m

a t l e a s t n o t t o l o s e t h e g a m e . I n d e e d , o t h e r w i s e t h e y c a n m o v e a k n i g h t f o r t h -

a n d - b a c k a f t e r w h i c h b l a c k s p r o v e t o b e a t t h e s y m m e t r i c a l p o s i t i o n ! I n t u i t i v e l y ,

i t i s c l e a r t h a t t h i s p r o o f o f t h e e x i s t e n c e o f a s t r a t e g y f o r w h i t e s i s h i g h l y n o n -

c o n s t r u c t i v e . ( F o r t h e o r d i n a r y c h e s s g a m e w e h a v e n o p r o o f a t a l l ! ) O n t h e

o t h e r h a n d , f r o m t h e p o i n t o f v i e w o f t h e t r a d i t i o n a l c o n s t r u c t i v i s m w e m a y

p o t e n t i a l l y n d ( b y s u c c e s s i v e t r i a l s ) t h e r e q u i r e d s t r a t e g y f o r w h i t e s w h i c h m a y

b e c o n s i d e r e d e v e n a s a ( h u g e ) n i t e o b j e c t o f a b o u n d e d s i z e . W e b e l i e v e t h a t

a F e a s i b l e N u m b e r T h e o r y i s a r e a s o n a b l e f r a m e w o r k w h i c h w i l l g i v e a p r e c i s e

s e n s e t o t h e n o t i o n o f F e a s i b l e C o n s t r u c t i v i t y . O n l y t h e n w e c o u l d h o p e t o p r o v e

t h e p l a u s i b l e h y p o t h e s i s t h a t t h e r e e x i s t s n o f e a s i b l y - c o n s t r u c t i v e p r o o f f o r ( t h e

v a r i a t i o n o f o r f o r t h e o r i g i n a l ) c h e s s g a m e t h a t w h i t e s , s a y , h a v e a w i n n i n g o r

n o n - l o s i n g s t r a t e g y .

I f , n e v e r t h e l e s s , w h i t e s d o h a v e a n i n t u i t i v e l y f e a s i b l y c o n s t r u c t i v e s t r a t e g y

i n a n y r e a s o n a b l e r i g o r o u s s e n s e t h e n t h i s c o u l d b e g u a r a n t e e d j u s t b y a p r o o f i n

a F e a s i b l y C o n s t r u c t i v e T h e o r y . N o t o n l y t h e o r d i n a r y C o n s t r u c t i v i s m , b u t e v e n

P o l y n o m i a l C o n s t r u c t i v i s m m e n t i o n e d i n t h e a b o v e f o o t n o t e c a n d o n o t h i n g i n

t h i s s i t u a t i o n . I t p r o b a b l y c o u l d w o r k i f w e g e n e r a l i z e 8 8 c h e s s - b o a r d t o n n

f o r s u c i e n t l y l a r g e n . H o w e v e r , w h a t a b o u t 8 8 ?

3 F o r m a l S y s t e m s R e v i s e d

W h a t i s ( a p r o o f i n ) a f o r m a l o r a n a x i o m a t i c s y s t e m ? I t i s n e c e s s a r y h e r e t o g i v e

a r i g h t a n s w e r t o t h i s q u e s t i o n . T h e o r d i n a r y e x p l a n a t i o n o f t h i s n o t i o n i s r a t h e r

r o u g h f o r o u r a i m t o f o r m a l i z e f e a s i b l e n u m b e r s . W e d e n e a f o r m a l s y s t e m

e . g . a s a n i t e s e t o f r u l e s A

1

: : : A

k

= A

k + 1

w h e r e A

i

a r e s o m e s y n t a c t i c a l l y w e l l

f o r m e d ( s c h e m e s o f ) f o r m u l a s . H o w e v e r , w e m a y c o n s i d e r n i t e ( i n s t a n c e s o f t h e

s c h e m a t i c ) f o r m u l a s A

i

a n d t h e i r s e q u e n c e s ( w h i c h a r e f o r m a l p r o o f s a c c o r d i n g

t o t h e r u l e s ) i n t h r e e w a y s :

1 . a s s o m e r e a l o r f e a s i b l e s t r i n g s o f s y m b o l s w h i c h m a y a p p e a r o n a s h e e t o f

p a p e r o r i n a c o m p u t e r m e m o r y ,

2 . a s s o m e a b s t r a c t , i m a g i n a r y n i t e s t r i n g s w h i c h a r e c o n s i d e r e d o n l y a s p o t e n -

t i a l l y - f e a s i b l e

4

o r

3 i n s i d e s o m e m a t h e m a t i c a l ( m e t a - ) t h e o r y ( s u c h a s P A o r Z F v i a a G o d e l

n u m b e r i n g o r t h e l i k e ) .

I n t h e r s t t w o c a s e s o u r i n t e n d e d s u b j e c t i s s o m e a x i o m a t i z e d b r a n c h o f

M a t h e m a t i c s d e s c r i b e d b y t h e g i v e n f o r m a l s y s t e m a n d d e v e l o p e d , r e s p e c t i v e l y ,

4

A s u s u a l , t h i s t e r m d o e s n o t m e a n s o m e t h i n g w h i c h c o u l d b e m a d e f e a s i b l e i n o u r

s e n s e . I t r a t h e r a l l o w s t o t h i n k a b o u t t o o l o n g n o n - f e a s i b l e s t r i n g s w h i c h a r e c o n s i d -

e r e d a s n i t e o n l y b y s o m e s u c i e n t l y f o r m a l r e a s o n s o r b y a n i d e a l i z a t i o n .


7/22

i n a s t r i c t l y f o r m a l o r p o t e n t i a l l y f o r m a l w a y . I n t h e t h i r d c a s e w e a r e a c t u a l l y

c o n s i d e r i n g M e t a m a t h e m a t i c s o f t h e f o r m a l s y s t e m , s o m a k i n g m o r e p r e c i s e t h e

s e c o n d c a s e . ( H o w e v e r , i t m a y b e a s k e d , w h i c h w a y w e p r o v e m e t a m e t a m a -

t h e m a t i c a l r e s u l t s ? L e t u s i n t e r r u p t t h i s i n n i t e r e g r e s s ! ) O f c o u r s e , a l l t h e s e

a s p e c t s a r e e x p l i c i t l y o r i m p l i c i t l y i n v o l v e d i n e v e r y d a y m a t h e m a t i c a l a c t i v i t y .

B u t t h e m o s t e s s e n t i a l p o i n t o f t h i s p a p e r i s t h a t w e s h o u l d n o t m i x t h e m .

L e t u s c o n s i d e r f o r e x a m p l e t h e f o l l o w i n g r s t o r d e r t h e o r y T ( r e g a r d e d

e v e n t u a l l y a s a n i t e l i s t o f f o r m a l a x i o m s c h e m e s a n d r u l e s ) o f s o m e w e a k

a r i t h m e t i c o f n a t u r a l n u m b e r s ( e v e n w i t h n o I n d u c t i o n A x i o m a t a l l ) . N o n -

l o g i c a l s y m b o l s o f T a r e o n e - p l a c e f u n c t i o n s y m b o l s f o r t h e s u c c e s s o r o p e r a t i o n

s ( x ) = x + 1 a n d t h r e e - p l a c e p r e d i c a t e s y m b o l R w i t h t h e m e a n i n g R ( x ; y ; z ) ,

x + 2

y

= z . T h e r e a r e o n l y t w o s p e c i a l a x i o m s i n T r e c u r s i v e l y d e n i n g R

T

R ( x 0 s x ) ( x + 2

0

= x + 1 ) a n d

R ( x ; y ; z ) & R ( z ; y ; v ) ) R ( x ; s y ; v ) ( x + 2

y + 1

= ( x + 2

y

) + 2

y

)

N o t e , t h a t T d o e s n o t p r o v e t h a t x + 2

y

i s a t o t a l f u n c t i o n , i . e . f o r m a l l y

T 6 ` 8 x y 9 z R ( x ; y ; z )

D e n e t h e f o l l o w i n g s e q u e n c e o f f o r m u l a s . E

0

( x ) = x = x E

i + 1

( x ) = 9 y 2

E

i

R ( 0 ; x ; y ) ( : = 9 y ( E

i

( y ) & R ( 0 ; x ; y ) ) , \ 2

x

i s d e n e d a n d 2 E

i

" ) . H e n c e E

i

( x )

m e a n s t h a t t h e v a l u e o f 2

x

i

i s d e n e d . A l s o t a k e N

0

( x ) = x = x a n d N

i + 1

( x ) =

8 y 2 N

i

9 z 2 N

i

R ( y ; x ; z ) ( , 8 y 2 N

i

( y + 2

x

2 N

i

) )

T h e o r e m . T E

1 0 0 0

( 0 ) ( i . e . T \ 2

1 0 0 0

i s a n i t e n u m b e r " ) .

P r o o f . ( E s s e n t i a l l y d u e t o V . P . O r e v k o v ( 1 9 7 9 ) ; c f . a l s o R . S t a t m a n ( 1 9 7 8 , 1 9 7 9 ) . )

W e r s t i n f e r N

i

( 0 ) , i = 0 1 2 ; : : : i n T . F o r i = 0 1 t h i s i s t r i v i a l . T h e c a s e

N

i + 2

( 0 ) i s e q u i v a l e n t t o p r o v i n g t h e f o r m u l a 8 y 2 N

i + 1

( y + 1 2 N

i + 1

) o r e q u i v -

a l e n t l y 8 y 8 x 2 N

i

( x + 2

y

2 N

i

) ) 8 x 2 N

i

( x + 2

y + 1

2 N

i

) ] . B u t t h e l a t t e r

f o l l o w s f r o m t h e s e c o n d a x i o m o f T

T h e n w e c a n p r o v e N

i

E

i

i n T b y i n d u c t i o n o n i = 0 1 2 ; : : : . T h e c a s e

i = 0 i s t r i v i a l . T o p r o v e N

i + 1

E

i + 1

w e t a k e a n y y 2 N

i + 1

, i . e . a n y y s u c h t h a t

( 2

y

i s n i t e a n d ) N

i

i s c l o s e d u n d e r a d d i t i o n o f 2

y

, a n d a p p l y i t t o 0 2 N

i

. T h i s

g i v e s 2

y

= 0 + 2

y

2 N

i

E

i

a n d h e n c e y 2 E

i + 1

, a s r e q u i r e d .

I t f o l l o w s s t e p - b y - s t e p t h a t a l l E

i

( 0 ) i = 0 1 2 ; : : : ; 1 0 0 0 , a r e p r o v a b l e i n T

ut

W e c l a i m t h a t t h e r e i s s o m e t h i n g w r o n g i n t h e a b o v e p r o o f ( w h i c h , h o w e v e r ,

s e e m s v e r y n i c e i n i t s e l f ) . I n d e e d , w h a t a n d h o w h a v e b e e n p r o v e d h e r e ? F i r s t

o f a l l , M a t h e m a t i c s a n d M e t a m a t h e m a t i c s w e r e m i x e d s t r o n g l y . E v e n i n t h e f o r -

m u l a t i o n o f t h e t h e o r e m t h e e x p r e s s i o n E

1 0 0 0

( 0 ) i s n o t a f o r m u l a o f o u r l a n g u a g e

b u t o n l y a s h o r t d e n o t a t i o n f o r s o m e l e g i t i m a t e b u t r a t h e r l o n g f o r m u l a . ( E

i

( x )

c o n t a i n s e x a c t l y 3 + 1 3 i s y m b o l s ) .

H o w e v e r , t h i s i s n o t t h e m a i n d i c u l t y w i t h t h i s p r o o f . O f c o u r s e , E

1 0 0 0

( 0 )

c o u l d b e e v e n t u a l l y w r i t t e n e x p l i c i t l y ( 1 3 0 0 3 s y m b o l s a r e n o t s o m a n y ) . M u c h


8/22

w o r s e i s t h e c a s e w i t h t h e ( r e c u r s i v e ) a b b r e v i a t i o n N

1 0 0 0

w h i c h c a n n o t b e e l i m i -

n a t e d i n p r a c t i c e b e c a u s e t h e i n t e n d e d f o r m u l a o f t h e o r i g i n a l l a n g u a g e e v i d e n t l y

s h o u l d c o n t a i n > 2

1 0 0 0

s y m b o l s . S o , t h i s d i r e c t a t t e m p t t o m a k e t h e p r o o f r i g o r -

o u s i . e . t o e l i m i n a t e t h e A b s t r a c t i o n o f P o t e n t i a l F e a s i b i l i t y , M e t a m a t h e m a t i c s

a n d o t h e r i n f o r m a l a n d i l l e g a l m e a n s d o e s n o t s u c c e e d .

T h e c o n c l u s i o n i s t h a t t h e f o r m u l a ( d e n o t e d b y ) E

1 0 0 0

( 0 ) w a s n o t f e a s i b l y

p r o v e d i n T . W e o n l y p r o v e d t h a t , p o t e n t i a l l y o r m e t a m a t h e m a t i c a l l y , t h e r e

e x i s t s a n i m a g i n a r y n i t e p r o o f o f t h e f o r m u l a E

1 0 0 0

( 0 ) i n T . W e c a n n o t b e

c o m p l e t e l y s a t i s e d b y t h i s m e t a p r o o f o f p r o o f e x i s t e n c e b e c a u s e w e s t r o n g l y

b e l i e v e t h a t t h e g e n u i n e m a t h e m a t i c a l p r o o f s h o u l d b e s u c i e n t l y s h o r t t o b e

r e a l l y w r i t t e n e . g . i n a b o o k .

A r e a s o n a b l e w a y o f e l i m i n a t i n g \ m e t a " f r o m m e t a p r o o f s c o n s i s t s i n e x -

t e n d i n g t h e u n d e r l y i n g p r e d i c a t e l o g i c t o l e g i t i m a t e s o m e f o r m a l i s m f o r r e q u i r e d

a b b r e v i a t i o n s . T h i s i s a w a y t o r e p l a c e i n t u i t i v e a n d m e t a m a t h e m a t i c a l m e a n s

b y f o r m a l m a t h e m a t i c a l o n e s w h i c h w e w i l l a d o p t h e r e

5

. T h e r e f o r e w e c o n s i d e r

( s o m e ) a b b r e v i a t i o n m e c h a n i s m s , i n g e n e r a l , a s s t r o n g m a t h e m a t i c a l ( r a t h e r

t h a n l o g i c a l ) t o o l s .

M a t h e m a t i c a l p r i n c i p l e s , i n c o n t r a s t t o l o g i c a l o n e s ( a s w e u n d e r s t a n d t h e m

h e r e ) , m a y h a v e s o m e s p e c i a l c o n s e q u e n c e s a b o u t o b j e c t s u n d e r c o n s i d e r a t i o n

( e . g . t h e e x i s t e n c e o f v e r y l a r g e n u m b e r s e t c . ) . T h e a b o v e T h e o r e m a n d e s p e c i a l l y

c o n s i d e r a t i o n s b e l o w s h o w t h a t s o m e k i n d s o f a b b r e v i a t i o n s i n d e e d m a y h a v e

s u c h c o n s e q u e n c e s

6

O f c o u r s e , w e c a n n o t g i v e t h e m o s t g e n e r a l e x h a u s t i v e m e c h a n i s m f o r a b b r e -

v i a t i o n s t o b e u s e d i n M a t h e m a t i c s . T h i s s e e m s q u i t e a n a l o g o u s t o o u r i n a b i l i t y

t o g i v e a c o m p l e t e f o r m a l i z a t i o n o f a r i t h m e t i c o r s e t t h e o r y . B u t w e m a y i n -

t r o d u c e s o m e u s e f u l a n d c o n c r e t e s u c h m e c h a n i s m s

7

. A l s o w e w o u l d n o t t r y t o

n d a b b r e v i a t i o n s a s s t r o n g a s p o s s i b l e . J u s t a s w e c h o o s e s o m e a x i o m s a n d

r e j e c t o t h e r s i n d e v e l o p i n g s o m e b r a n c h e s o f M a t h e m a t i c s , w e w i l l p r e f e r o n l y

t h o s e m o s t a d e q u a t e a b b r e v i a t i o n m e c h a n i s m s w h i c h d o n o t p r e v e n t u s f r o m

f o r m a l i z i n g t h e s u b j e c t u n d e r c o n s i d e r a t i o n .

R e m e m b e r t h a t o u r p r e s e n t s u b j e c t i s f e a s i b l e n u m b e r s . A n d t h e a b o v e t h e -

o r e m s h o w s t h a t t h e o r y T t o g e t h e r w i t h a l l a b b r e v i a t i o n m e c h a n i s m s u s e d i n i t

( b o t h e x p l i c i t l y m e n t i o n e d a b o v e a n d , e v e n m o r e i m p o r t a n t , i m p l i c i t o n e s ) i s

n o n - a d e q u a t e f o r t h i s a i m : i t p r o v e s t h a t 2

1 0 0 0

i s n i t e ( w h a t m e a n s h e r e ` f e a s i -

5

A n o t h e r i d e a t o i n t r o d u c e E a n d N i = 1 1 0 0 0 , i m m e d i a t e l y i n t h e l a n g u a g e o f

T a n d t o c o n s i d e r t h e i r d e n i t i o n s a s a n e w a x i o m s o f T s e e m s n o t v e r y a p p r o p r i a t e .

W e m u s t n o t c h a n g e a g i v e n t h e o r y a n d i t s l a n g u a g e d e p e n d i n g o n t h e o r e m s t o b e

p r o v e d . L e t u s p l a y i n a g a m e w i t h x e d r u l e s !

6

I n f a c t , t h e a b b r e v i a t i o n s E a n d N i n t h e a b o v e t h e o r e m p r o v e t o b e n o t s o c r u c i a l

i n t h i s r e s p e c t . W e c o n c e n t r a t e d o n t h e m j u s t t o s h o w t h e r o l e o f a b b r e v i a t i o n s i n

t h e g e n e r a l n o t i o n o f f o r m a l p r o o f . Y e t m o r e i m p o r t a n t f o r u s i s s o m e o t h e r k i n d o f

a b b r e v i a t i o n s w h i c h w e r e u s e d i n t h e a b o v e t h e o r e m i m p l i c i t l y . T h e y a r e d i s c u s s e d

b e l o w .

7

A c t u a l l y , i n t h i s p a p e r w e o n l y m e n t i o n s u c h - a n d - s u c h a b b r e v i a t i o n m e c h a n i s m s

w i t h o u t i n t r o d u c i n g t h e m r i g o r o u s l y . W h a t w e w i l l d o h e r e , i s p u t t i n g a f o r m a l v e t o

o n s o m e s u c h m e c h a n i s m s .


9/22

b l e ' ) . H o w e v e r , i n t u i t i v e l y e v e n 2

1 0 0 0


10/22

A B

A & B

( & I )

A

( & E )

m a y l e a d t o t h e a b o v e s i t u a t i o n w i t h e x i s t e n t i a l q u a n t i c a t i o n w h e n t h e f o r m u l a

A i s 9 x

~

A ( x ) , i t s u p p e r o c c u r r e n c e i n t h e g u r e s h o w n i s t h e c o n c l u s i o n o f s o m e

9 I - r u l e a n d i t s l o w e r o c c u r r e n c e i s t h e m a i n p r e m i s e o f 9 E - r u l e .

S l i g h t l y g e n e r a l i z i n g , t h i s m e a n s t h a t o u r r e s t r i c t i o n o n p r o o f s w i l l c o n s i s t

i n a l l o w i n g o n l y n o r m a l n a t u r a l d e d u c t i o n s ( c f . t h e e x a c t d e n i t i o n i n ( P r a w i t z

1 9 6 5 ) a n d ( T r o e l s t r a a n d v a n D a l e n 1 9 8 8 ) ) . I n p a r t i c u l a r , t h i s a l s o m e a n s t h a t w e

c a n n o t f r e e l y u s e t h e g e n e r a l m o d u s p o n e n s r u l e ( ) E ) w i t h t h e c o r r e s p o n d i n g

r u l e ( ) I )

A A ) B

B

( ) E )

A

B

A ) B

( ) I )

b e c a u s e t h e p r e m i s e A ) B o f t h e f o r m e r c o u l d b e i n t r o d u c e d i n t h e d e d u c t i o n

b y t h e l a t t e r s o t h a t t h e n o r m a l i t y r e q u i r e m e n t f a i l s ( a n d a g a i n , a s a b o v e , i t m a y

b e c o n s i d e r e d t h e c a s e w h e n B i s 9 x

~

B ( x ) )

I n t h i s c o n n e c t i o n i t i s w o r t h t o r e m e m b e r a n a n t i c i p a t i n g n o t e i n ( T r o e l s t r a

a n d v a n D a l e n 1 9 8 8 ) : \ T h e s t r i c t l y n i t i s t v i e w a l s o h a s i t s c o n s e q u e n c e s f o r

l o g i c ; t h e d e r i v a t i o n s o f A a n d A ) B m a y s t i l l b e w i t h i n r e a c h , b u t i n o r d e r

t o a p p l y m o d u s p o n e n s o n e m i g h t h a v e t o e x c e e d t h e a v a i l a b l e n a t u r a l n u m b e r s

n e c e s s a r y f o r t h e l e n g t h o f t h e d e r i v a t i o n o f B . " ( p . 2 9 . )

S i m i l a r l y , t h e r e i s n o g u a r a n t e e t h a t i m p l i c a t i o n i s t r a n s i t i v e . T h i s m i g h t

s e e m v e r y s t r a n g e i f w e f o r g e t t h a t o u r a i m i s t o f o r m a l i z e s u c h v a g u e n o t i o n

a s f e a s i b l e n u m b e r s o r , s a y , V o p e n k a ' s n o t i o n o f t h e h o r i z o n ( V o p e n k a 1 9 7 9 )

o r t h e n o t i o n o f m i d d l e o r i n t e r m e d i a t e n u m b e r s . T h e l a t t e r n o t i o n c o u l d b e

c o n s i d e r e d a s n a t u r a l n u m b e r s c o u n t e d b e f o r e t h e h o r i z o n i s \ o v e r c o m e d " . H e r e

0 1 2 ; : : : ; 1 0 1 1 ; : : : a r e m i d d l e , 1 0 0 0 a n d e v e n 1 0 0 a r e d e n i t e l y n o t m i d d l e

( a n d l i e \ b e h i n d t h e h o r i z o n " ) a n d t h e r e i s n o m a x i m a l m i d d l e n u m b e r . ( J u s t

l o o k a l o n g a s t r a i g h t r a i l w a y t o w a r d s t h e h o r i z o n a n d c o u n t t h e p i l l a r s ; s e e a l s o

t h e d i s c u s s i o n i n x 2 o n n o n - t r a n s i t i v i t y o f i m p l i c a t i o n a n d x 4 b e l o w . )

O f c o u r s e , e v e r y n a t u r a l d e d u c t i o n c a n b e ( p o t e n t i a l l y ! ) n o r m a l i z e d ( P r a w i t z

1 9 6 5 ) . H o w e v e r , i t i s w e l l k n o w n t h a t t h i s n o r m a l i z a t i o n ( o r c u t e l i m i n a t i o n )

p r o c e s s h a s n o n - e l e m e n t a r y l o w e r ( a n d u p p e r ) c o m p l e x i t y b o u n d s ( O r e v k o v 1 9 7 9 ;

S t a t m a n 1 9 7 8 , 1 9 7 9 ) . F o r e x a m p l e , c o n s i d e r t h e a b o v e p r o o f o f E

1 0 0 0

( 0 ) i n t h e

N a t u r a l D e d u c t i o n f o r m :

N

1 0 0 0

( 0 )

N

1 0 0 0

( 0 ) ]

E

1 0 0 0

( 0 )

N

1 0 0 0

( 0 ) ) E

1 0 0 0

( 0 )

( ) I )

E

1 0 0 0

( 0 )

( ) E )


11/22

I t i s n o t n o r m a l

9

b e c a u s e t h e c o n c l u s i o n o f ( ) I ) - r u l e i s t h e m a i n p r e m i s e o f

( ) E ) - r u l e . T h i s p r o o f c a n n o t b e n o r m a l i z e d i n p r a c t i c e . I n d e e d , e v e r y n o r m a l

p r o o f o f t h e f o r m u l a E

1 0 0 0

( 0 ) ( w h i c h a s s e r t s t h e e x i s t e n c e o f t h e n u m b e r 2

1 0 0 0

)

w i l l c o n t a i n a t e r m o f t h e l e n g t h 2

1 0 0 0

e s s e n t i a l l y d u e t o t h e f o l l o w i n g f o r m o f

H e r b r a n d ' s m e t a t h e o r e m . E v e r y n o r m a l c l a s s i c a l d e d u c t i o n o f 9 - f o r m u l a

9 z C z o r : : 9 - f o r m u l a : : 9 z C z ( p o s s i b l y w i t h o u t 9 ) f r o m 8 - a n d : 9 - f o r m u l a s

o f t h e k i n d 8 x A x a n d : 9 y B y c a n b e r e c o n s t r u c t e d i n t o q u a n t i e r - f r e e n o r m a l

d e d u c t i o n o f s o m e n i t e d i s j u n c t i o n _

i

C

t

i

f r o m t h e f o r m u l a s o f t h e k i n d , r e -

s p e c t i v e l y , A

t a n d : B s , a n d c o n v e r s e l y . M o r e o v e r ( a n d m o s t c r u c i a l ) , i n b o t h

d i r e c t i o n s t h e n e w d e d u c t i o n w i l l c o n t a i n o n l y t h o s e t e r m s w h i c h w e r e o c c u r r i n g

i n t h e i n i t i a l o n e . ut

N e v e r t h e l e s s , u s i n g a b b r e v i a t i o n s i s e x t r e m e l y i m p o r t a n t t o o l o f M a t h e m a t -

i c s . T h e r e f o r e , i t w o u l d b e n o t v e r y r e a s o n a b l e t o r e j e c t a l l o f t h e m . T h a t i s w h y

w e s u m m a r i z e o u r s p e c i a l r e q u i r e m e n t s o n m a t h e m a t i c a l p r o o f s b y t h e f o l l o w i n g

t h r e e r a t h e r i n f o r m a l c l a u s e s ( e x c e p t t h e c l a u s e 2 ) :

1 . A r b i t r a r y e x p l i c i t l y x e d a b b r e v i a t i o n m e c h a n i s m s f o r f o r m u l a s

a n d p r o o f s , b u t n o t f o r t e r m s a r e a l l o w e d .

2 . O n l y n o r m a l p r o o f s a r e a l l o w e d .

3 . T h e n u m b e r o f s y m b o l s i n a p r o o f s h o u l d b e ( i n t u i t i v e l y ) f e a s i b l e .

O f c o u r s e , t h e s e r e q u i r e m e n t s c o u l d b e f o r m u l a t e d m o r e r i g o r o u s l y a n d a l s o

i n a m o r e s t r o n g o r , o n t h e c o n t r a r y , i n a m o r e w e a k f o r m . F o r e x a m p l e , i n

3 ) ` f e a s i b l e ' c o u l d b e s t r e n g t h e n e d b y ` m i d d l e ' o r s o m e t h i n g s u c h , b e c a u s e t h e

g e n u i n e m a t h e m a t i c a l p r o o f s s h o u l d b e c l e a r a n d h e n c e n o t o n l y f e a s i b l e , b u t

a l s o r a t h e r s h o r t .

1 0

H o w e v e r , i t w i l l b e q u i t e s u c i e n t f o r t h e c u r r e n t a i m s a n d

f o r s i m p l i c i t y s a k e t o w e a k e n o u r r e q u i r e m e n t s a s f o l l o w s :

O N L Y N O R M A L P R O O F S W I T H F E A S I B L E T E R M S I Z E

A R E A L L O W E D

H e r e t e r m s i z e o f a p r o o f i s d e n e d a s t h e m a x i m u m o f t h e n u m b e r o f s y m b o l s

i n e a c h t e r m o c c u r r e n c e i n t h e p r o o f . N o r e s t r i c t i o n i s i m p o s e d o n t h e n u m b e r

o f t e r m o c c u r r e n c e s a n d o n t h e l e n g t h o f p r o o f s a n d f o r m u l a s i n t h i s n a l r e -

q u i r e m e n t . S o , p r o o f s a n d f o r m u l a s , e x c e p t t e r m s , m a y b e t r e a t e d a b s t r a c t l y , a s

p o t e n t i a l l y f e a s i b l e . T h i s c o n s i d e r a b l y s i m p l i e s t h e m a t t e r , a n d t h e r e s u l t i n g r e -

q u i r e m e n t o n p r o o f s n a t u r a l l y c o r r e s p o n d s t o t h e a b o v e t h r e e c l a u s e s . H o w e v e r ,

w e b e l i e v e t h a t t h e i d e a l a p p r o a c h s h o u l d b e b a s e d o n t h o s e c l a u s e s , p r o b a b l y

w i t h t h e t e c h n i c a l r a t h e r s t r o n g r e s t r i c t i o n 2 ) r e p l a c e d b y s o m e m o r e l i b e r a l a n d

h o p e f u l l y m o r e c o n v e n i e n t o n e ; c f . a l s o x 5 b e l o w .

9

a n d , i n f a c t , u s e s a b b r e v i a t i o n s o f t e r m s v i a q u a n t i e r r u l e s h e r e n o t s h o w n

1 0

T h e r e a r e m a n y e x a m p l e s w h e n r a t h e r c o m p l i c a t e d m a t h e m a t i c a l p r o o f s b e c a m e

v e r y t r a n s p a r e n t a n d r a t h e r s h o r t a f t e r s u i t a b l e r e c o n s i d e r i n g t h e p r e s e n t a t i o n o f

t h e w h o l e t h e o r y . A f t e r a l l , t h e m a i n i d e a o f a n y m a t h e m a t i c a l l y i n t e r e s t i n g p r o o f i s

u s u a l l y s u c i e n t l y s i m p l e .


12/22

I n s t e a d o f t h e n a t u r a l d e d u c t i o n w e c o u l d f o r m a l i z e m a t h e m a t i c a l p r o o f s b y

G e n t z e n ' s s e q u e n t c a l c u l u s . I n t h i s c a s e t h e n o r m a l p r o o f s m a y b e e q u i v a l e n t l y

r e p l a c e d b y c u t - f r e e o n e s . H o w e v e r , w e p r e f e r n a t u r a l d e d u c t i o n j u s t b e c a u s e

i t i s \ n a t u r a l " a n d o u r a i m i s , a f t e r a l l , t o d e v e l o p F e a s i b l e M a t h e m a t i c s w i t h

a s m i n i m u m a s p o s s i b l e e x t r a t e c h n i c a l e o r t s ( w h i c h , h o w e v e r , a r e i n e v i t a b l e )

c o n n e c t e d w i t h c h o o s i n g a n y u n n a t u r a l f o r m a l i s m f o r a r e a l d e d u c i n g t h e o r e m s .

L e t ?

n

f

A m e a n t h a t t h e r e e x i s t s s o m e ( p o s s i b l y i m a g i n a r y ) n o r m a l c l a s -

s i c a l r s t - o r d e r n a t u r a l d e d u c t i o n ( o r c u t - f r e e s e q u e n t d e d u c t i o n ) o f A f r o m ?

w i t h i n t u i t i v e l y f e a s i b l e t e r m s i z e . T o a s s e r t ?

n

f

A , i t i s s u c i e n t t o b e a b l e

t o r e a l l y w r i t e d o w n e a c h t e r m o c c u r r e n c e i n t h e c o r r e s p o n d i n g p r o o f o r e v e n t o

b e s u r e l y c o n v i n c e d t h a t s u c h a p r o o f w i t h s h o r t t e r m s e x i s t s . ? 6

n

f

A w i l l m e a n

t h a t t h e r e e x i s t s n o s u c h p r o o f . W e m a y b e q u i t e s u r e a b o u t t h i s i f , f o r e x a m p l e ,

w e h a v e s o m e t r a d i t i o n a l m e t a - p r o o f ( i n Z F o r t h e l i k e ) t h a t t h e r e i s n o r e q u i r e d

p r o o f o f t h e t e r m s i z e l e s s t h a n 2

1 0 0 0

. A s a n a d d i t i o n a l t e c h n i c a l c o n v e n t i o n w e

w i l l c o n s i d e r t h e n e g a t i o n s i g n : a s d e n a b l e o n e

: A = ( A ) )

w h e r e i s t h e p r i m i t i v e l o g i c a l s y m b o l d e n o t i n g f a l s i t y w i t h t h e o r d i n a r y r e d u c -

t i o a d a b s u r d u m r u l e o f i n f e r e n c e ( P r a w i t z 1 9 6 5 ) : : A = A . I n p a r t i c u l a r , w e

h a v e t h e i n f e r e n c e r u l e : / e v e r y t h i n g . W e w i l l s e e b e l o w t h a t t h i s c o n v e n t i o n

a b o u t n e g a t i o n p l a y s a n e s s e n t i a l r o l e i n t h e c o n s i s t e n c y o f a t h e o r y o f f e a s i b l e

n u m b e r s F E A S d e n e d i n t h e n e x t s e c t i o n .

I t m i g h t b e t h o u g h t t h a t t h e a b o v e n o t i o n o f n f - p r o o f i s t o o v a g u e d u e t o

t h e i n v o l v e d i n t u i t i v e n o t i o n o f f e a s i b l e t e r m s . H o w e v e r , t h e i m p l i c i t u s e o f t h e

a b s t r a c t i o n o f p o t e n t i a l f e a s i b i l i t y o f p r o o f s i n t h e o r d i n a r y a p p r o a c h t o t h e

n o t i o n o f p r o o f s e e m s m u c h m o r e u n c l e a r . W e b e l i e v e t h a t t h e o n l y w a y o f r i g -

o r o u s f o r m a l i z a t i o n o f M a t h e m a t i c s i s t h r o u g h f e a s i b l e p r o o f s ( i n v a r i o u s f o r m a l

s y s t e m s ) . O n t h e c o n t r a r y , t h e p o t e n t i a l l y f e a s i b l e p r o o f s i n t h e f u l l g e n e r a l i t y

o f t h i s n o t i o n ( i f i t h a s a n y s e n s e a t a l l ) h a r d l y c a n b e c o n s i d e r e d a s a g e n u i n e

f o r m a l , i . e . m a t h e m a t i c a l o n e d u e t o t h e \ i n n i t e r e g r e s s " i m p l i c i t i n t h i s n o t i o n .

N o t e , t h a t w e a r e s p e a k i n g h e r e o n l y a b o u t t h e f o r m a l a n d r o u t i n e n a t u r e

o f m a t h e m a t i c a l p r o o f s . H o w t h e s e p r o o f s a n d c o r r e s p o n d i n g f o r m a l s y s -

t e m s a r e c r e a t e d i s q u i t e d i e r e n t q u e s t i o n . O f c o u r s e , t h i s i s u s u a l l y e x -

t r e m e l y i n f o r m a l p r o c e s s . N e v e r t h e l e s s , a n y m a t h e m a t i c a l r e s u l t s h o u l d

b e p r e s e n t e d i n a s u c i e n t l y f o r m a l w a y . I t i s v e r y i m p o r t a n t t h a t t h e

o r d i n a r y , n o t c o m p l e t e l y f o r m a l p r o o f s i n M a t h e m a t i c s u s u a l l y c a n b e

t r a n s f o r m e d i n t o f e a s i b l y f o r m a l o n e s ( a s t h e a b o v e p r o o f o f E

1 0 0 0

( 0 ) ) v i a

e x p l i c a t i n g t h e n e c e s s a r y a b b r e v i a t i n g m e c h a n i s m s . T h e a u t h o r ' s o p i n i o n

i s t h a t i t i s t h i s r e a s o n w h y a n y p a r t i c u l a r n o t v e r y f o r m a l m a t h e m a t i -

c a l p r o o f i s a c t u a l l y c o n s i d e r e d b y m a t h e m a t i c a l c o m m u n i t y a s g e n u i n e

m a t h e m a t i c a l o n e .

T h e r e a d e r m i g h t p r o b a b l y c o n s i d e r a s a r a t h e r a r t i c i a l t h e a b o v e n o r m a l i t y r e -

q u i r e m e n t o f p r o o f s ( t a k e n s i m u l t a n e o u s l y w i t h t h e r e q u i r e m e n t o n f e a s i b i l i t y o f

t e r m s i z e ) . T h i s a l s o s e e m s t o o s t r o n g r e s t r i c t i o n t o t h e a u t h o r h i m s e l f . H o w e v e r


13/22

n o t e , t h a t o u r a i m w a s t o n d r s t a n y r e a s o n a b l e r e s t r i c t i o n w h i c h a l l o w s t o

f o r m a l i z e f e a s i b i l i t y s u c i e n t l y a d e q u a t e l y . O n t h e o t h e r h a n d , w e w i l l p r e s e n t

i n x 5 s o m e m o r e l i b e r a l r e s t r i c t i o n o n t h e p r e d i c a t e c a l c u l u s w h i c h r e p r e s e n t s

m o r e d i r e c t l y o u r m a i n i d e a t h a t o n l y t e r m s m u s t n o t b e a b b r e v i a t e d . T h e r e

m a y b e a l s o s o m e o t h e r a p p r o a c h e s a n d v a r i a t i o n s .

4 A B a s i c T h e o r y o f F e a s i b l e N u m b e r s

T h e f o l l o w i n g t h e o r y , F E A S , i s a p o i n t o f d e p a r t u r e f o r f o r m a l i z i n g f e a s i b l e n u m -

b e r s . T h e t h e o r y ' s n o n - l o g i c a l s y m b o l s a r e 0 1 + b l o g

2

c a n d . L e t F E A S

0

d e n o t e a c o l l e c t i o n o f c l o s e d u n i v e r s a l f o r m u l a s ( w i t h t e r m s o f i n t u i t i v e l y f e a s i b l e

l e n g t h ) w h i c h a r e f e a s i b l y t r u e i n a n i n t u i t i v e s e n s e , s u c h a s 8 x ( x 6= x + 1 6= 0 ) ,

8 x 8 y 6= 0 ( x l o g

2

y ) x + 1 l o g

2

( y + y ) ) , l o g

2

1 = 0 a n d , f o r d e n i t e n e s s ,

l o g

2

0 = 0 , i . e . , s e v e r a l o r d i n a r y a x i o m s . W e w i l l a s s u m e t h a t t h i s c o l l e c t i o n

c o n t a i n s t h e f e a s i b l y t r u e u n i v e r s a l f o r m u l a s t h a t w e n e e d . N o w d e n e F E A S t o

b e F E A S

0

e x t e n d e d w i t h t h e M a i n A x i o m

8 y ( l o g

2

l o g

2

y


14/22

T h i s m e a n s t h a t t h e t w o t h e o r i e s p r o v e t h e s a m e t h e o r e m s a b o u t t h e t e r -

m i n a t o n o f c o m p u t a t i o n s , t h a t i s , t h e k i n d o f e x i s t e n t i a l s t a t e m e n t s t h a t i s o f

g r e a t e s t v a l u e i n a p p l i c a t i o n s . T h e o r e m s o f o t h e r f o r m s , s u c h a s t h e M a i n A x i o m

8 y ( l o g

2

l o g

2

y


15/22

O t h e r c a s e s a r e a l s o e a s y e x c e p t t h a t o f 9 x ( S ( x ) & : S ( x + 1 ) ) . T o p r o v e t h i s

w e r s t w r i t e d o w n t h e f o l l o w i n g n a t u r a l d e d u c t i o n f o r s e v e r a l f e a s i b l e n u m e r a l s

n = 0 + 1 + 1 + + 1

: 9 x ( S ( x ) & : S ( x + 1 ) ) ]

4

S ( n ) : S ( n + 1 )

1

9 x ( S ( x ) & : S ( x + 1 ) )

S ( n + 1 )

1

U s i n g s u c c e s s i v e l y t h e s e i n f e r e n c e s f o r n = 0 1 ; : : : ; 8 , t o g e t h e r w i t h t h e e v i d e n t

p r o o f o f S ( 0 ) , a n d t h e n a t u r a l d e d u c t i o n

S ( 9 )

S ( 1 0 )

3

1 0 l o g

2

l o g

2

y

2

8 y ( l o g

2

l o g

2

y


16/22

H e n c e , t h e r u l e ( ) I ) g i v e s F E A S

n

f

: 8 x ( M ( x ) ) M ( x + 1 ) ) . ut

W e s e e t h a t F a c t s 4 a n d 5 g i v e F E A S

n

f

A a n d F E A S

n

f

: A , f o r A =

8 x ( M ( x ) ) M ( x + 1 ) ) . B u t t h i s i s n o t a c o n t r a d i c t i o n ( c f . F a c t 1 ) . I t f o l l o w s

o n l y t h a t t h e r u l e A : A = i s n o t a l w a y s a d m i s s i b l e , a s w e l l a s t h e m o r e g e n e r a l

m o d u s p o n e n s ( o r c u t ) r u l e A A ) B = B ( b e c a u s e : A i s A ) ) . S o , w e s h o u l d

r e c o n s i d e r t h e q u e s t i o n :

W h a t i s a C o n t r a d i c t i o n ?

W e a d o p t h e r e t h e r e a s o n a b l e c o n v e n t i o n t h a t a t h e o r y m a y b e c o n s i d e r e d c o n -

t r a d i c t o r y o n l y i f i t i s t r i v i a l , e . g . i f a l l i t s w e l l f o r m e d f o r m u l a s ( o f f e a s i b l e t e r m

s i z e ) a r e p r o v a b l e i n o u r s e n s e . O f c o u r s e , F E A S i s n o t s u c h o n e . N e v e r t h e l e s s ,

t h e a b o v e u n u s u a l p e c u l i a r i t y o f F E A S p r o p e r l y r e e c t s t h e c o n t r a d i c t o r y n a t u r e

o f s u c h f u z z y n o t i o n s a s f e a s i b l e a n d m i d d l e n a t u r a l n u m b e r s . I t i s i n t u i t i v e l y

p l a u s i b l e t h a t t h e r e e x i s t s n o m a x i m a l m i d d l e n u m b e r ( e . g . t h e l a s t m o n t h o f

o u r c h i l d h o o d ) a n d , o n t h e c o n t r a r y , i t i s v e r y s t r a n g e t o t h i n k t h a t b e f o r e 1 0 0 0

t h e r e e x i s t s a n \ i n n i t e " i n c r e a s i n g s e q u e n c e o f n a t u r a l n u m b e r s .

T h e r e a d e r m a y r e m e m b e r a l s o t h e r e l a t e d e x a m p l e o f a p i c t u r e o n a

c o m p u t e r d i s p l a y w h i c h l o o k s s i m u l t a n e o u s l y a s c o n t i n u o u s a n d d i s c r e t e

a n d t h e r e a s o n f o r t h a t i s e v i d e n t l y j u s t o u r m i n d , n o t a n o p t i c a l e e c t .

T h e s a m e h o l d s f o r t h e p h y s i c a l c o n t i n u u m , b e c a u s e r e a l n u m b e r s u s e d

i n P h y s i c s h a v e a b o u t 3 0 d e c i m a l d i g i t s a f t e r t h e p o i n t o r , e q u i v a l e n t l y ,

a b o u t 1 0 0 ( t h e i n t u i t i v e l y n o n - m i d d l e n u m b e r ) o f b i n a r y d i g i t s . S o , t h e r e

i s t h e p o s s i b i l i t y t o f o r m a l i z e r e a l n u m b e r s a s i n n i t e s e q u e n c e s o f b i n a r y

d i g i t s s o t h a t e a c h d i g i t a f t e r t h e p o i n t w i l l h a v e t h e n u m b e r l e s s t h a n

1 0 0 ( o r 1 0 0 0 ) . A n d t h e r e s u l t i n g c o n t i n u u m w i l l b e b o t h c o n t i n u o u s a n d

d i s c r e t e . P r o b a b l y t h e s e n i t a r y / i n n i t a r y w a y s o f a r g u i n g c o u l d h a v e

s o m e i n t e r e s t i n g e e c t s i f u s e d s i m u l t a n e o u s l y o r m i x e d i n o n e a n d t h e

s a m e p r o o f . A l s o p h y s i c a l e l e m e n t a r y p a r t i c l e s w h i c h a r e c o n s i d e r e d b o t h

a s p a r t i c l e s a n d a s w a v e s m a y h a v e s o m e r e l e a v a n c e t o f e a s i b l e n u m b e r s .

5 A M o r e L i b e r a l A p p r o a c h

L e t N K d e n o t e t h e c l a s s i c a l c a l c u l u s o f n a t u r a l d e d u c t i o n i n t h e f o r m o f ( P r a w i t z

1 9 6 5 ) . W e w i l l d e n e b e l o w a n o t h e r r e s t r i c t e d v e r s i o n N K

0

o f t h e c a l c u l u s N K

w h o s e i n f e r e n c e s d o n o t u s e t e r m a b b r e v i a t i o n s i n s o m e m o r e n a t u r a l a n d n o t s o

r e s t r i c t i v e s e n s e t h a n i t w a s c o n s i d e r e d a b o v e . D e d u c i b i l i t y i n t h e s e c a l c u l i w i l l

b e d e n o t e d , r e s p e c t i v e l y , a s ?

0

A a n d ? A w h e r e ?

0

A e v i d e n t l y m u s t

i m p l y ? A . T h e c o n v e r s e i m p l i c a t i o n ` ? A i m p l i e s ?

0

A ' a l s o w i l l h o l d

( c l a s s i c a l l y ) , h o w e v e r ,

0

- d e d u c t i o n c o u l d b e o f t o o l a r g e s i z e t h a n t h e i n i t i a l

- d e d u c t i o n . E s p e c i a l l y c r u c i a l f o r u s i s a p o s s i b l e l e n g t h e n i n g t h e s i z e o f t h e

p a r t i c i p a t i n g t e r m s d u e t o u s i n g t h e i r a b b r e v i a t i o n s i n t h e i n i t i a l d e d u c t i o n .


17/22

L e t , a s a b o v e , t h e s u b s c r i p t ` f ' d e n o t e d e d u c i b i l i t y w i t h a ( r e a l ) f e a s i b l e s i z e o f

p a r t i c i p a t i n g t e r m s . T h e n w e w i l l h a v e t r i v i a l l y

?

0

f

A i m p l i e s ?

f

A

w h e r e t h e c o n v e r s e i m p l i c a t i o n w i l l n o t a l w a y s h o l d . I n p a r t i c u l a r , s o m e t h e o r y

T m a y b e i n c o n s i s t e n t i n t h e s e n s e o f

f

( T

f

) , b u t n o t i n t h e s e n s e o f

0

f

( T 6

0

f

)

O n t h e o t h e r h a n d ,

? (

0

) A i ?

n

A

w h e r e ` n ' s y m b o l i z e s , a s a b o v e , t h e n o r m a l i t y p r o p e r t y o f n a t u r a l d e d u c t i o n .

T h e ` i f ' c a s e h o l d s b e c a u s e

0

w i l l b e d e n e d t o g e n e r a l i z e

n

. T h e ` o n l y i f ' c a s e

m a y g i v e r i s e t o a c o n s i d e r a b l e i n c r e a s i n g t h e w h o l e s i z e o f t h e d e d u c t i o n , e x c e p t

f o r t h e t e r m s i z e , a s w e w i l l s e e b e l o w :

?

0

f

A i ?

n

f

A ( 1 )

T h i s i s t h e r e a s o n w h y w e c o u l d f r e e l y u s e m o r e l i b e r a l n o t i o n o f d e d u c i b i l i t y

0

f

i n s t e a d o f

n

f

f o r f o r m a l i z i n g a n y f e a s i b i l i t y t h e o r y , l i k e F E A S . T h e c a l c u l u s N K

0

o r i t s r a m i e d v e r s i o n N K d e n e d b e l o w m a y b e m o r e c o m f o r t a b l e t o w o r k w i t h

t h a n n o r m a l i z e d N K

T o d e n e N K

0

l e t u s c o n s i d e r a n a u x i l i a r y c a l c u l u s N K ( w i t h t h e c o r r e -

s p o n d i n g d e d u c i b i l i t y r e l a t i o n ) o b t a i n e d f r o m N K b y e x t e n d i n g t h e r s t - o r d e r

l a n g u a g e o f N K b y a w e a k q u a n t i e r s 8 a n d 9 a n d b y r e p l a c i n g N K - r u l e s o f

i n t r o d u c t i o n f o r 8 a n d 9 a n d a l s o t h e c l a s s i c a l N K - r u l e (

c

) f o r t h e f a l s i t y b y

t h e f o l l o w i n g r u l e s

A ( t )

9 x A ( x )

( 9 I )

A ( x )

8 x A ( x )

( 8 I )

: A

A

(

c

)

w h e r e i n t h e r u l e (

c

) t h e f o r m u l a A h a s n o t t h e f o r m 8 x B ( x ) o r 9 x B ( x )

( b u t , e . g . , m a y h a v e t h e f o r m 8 x B ( x ) o r 9 x B ( x ) ) . I n p a r t i c u l a r , q u a n t i e r

e l i m i n a t i o n r u l e s m a y b e a p p l i e d o n l y t o s t r o n g q u a n t i e r s 8 a n d 9

9 x A ( x )

A ( x )

B

B

( 9 E )

8 x A ( x )

A ( t )

( 8 E )

I f D i s a n i n f e r e n c e i n t h e r e s u l t i n g c a l c u l u s N K t h e n D

0

d e n o t e s t h e r e s u l t o f

t h e r e p l a c e m e n t o f a l l o c c u r r e n c e s 8 x B ( x ) a n d 9 x B ( x ) , r e s p e c t i v e l y , b y 8 x B ( x )

a n d 9 x B ( x ) . T h e n w e d e n e N K

0

- d e d u c t i o n s a s d e d u c t i o n s o f t h e f o r m D

0

w h e r e

D i s a n y d e d u c t i o n i n N K . W e i n t r o d u c e a n a l o g o u s l y t h e d e n o t a t i o n s A

0

a n d

?

0

f o r a r b i t r a r y f o r m u l a A a n d l i s t o f f o r m u l a s ? i n t h e e x t e n d e d l a n g u a g e .


18/22

N o t e , t h a t D ? A i m p l i e s D

0

?

0

0

A

0

. W e a l s o h a v e t h a t D ?

0

A

i D ? A f o r s o m e D s u c h t h a t ( D )

0

= D ( ? )

0

= ? a n d ( A )

0

= A

T h e c a l c u l u s N K

0

e x p l i c a t e s ( v i a N K ) t h e r e q u i r e m e n t t h a t n o q u a n t i e r

i n t r o d u c e d w i l l b e e l i m i n a t e d i n a N K

0

( N K ) - d e r i v a t i o n . T h e r e f o r e , n o ( u s i n g o f )

t e r m a b b r e v i a t i o n s a r e a l l o w e d i n N K

0

a n d t h i s i s a c h i e v e d w i t h m u c h m o r e w e a k

r e s t r i c t i o n t h a n n o r m a l i t y . H o w e v e r , w e h a v e t h e f o l l o w i n g c o n n e c t i o n w i t h t h e

a p p r o a c h p r e s e n t e d b e f o r e t h i s s e c t i o n .

D e t o u r - c o n v e r s i o n s ( T r o e l s t r a a n d v a n D a l e n 1 9 8 8 ) ( e x c e p t f o r 8 - a n d 9 -

c o n v e r s i o n s w h i c h a r e i m p o s s i b l e h e r e d u e t o o u r s p l i t t i n g t h e q u a n t i e r s a c -

c o r d i n g t o t h e i r I - a n d E - r u l e s ) ,

c

- c o n v e r s i o n s

1 1

p e r m u t a t i o n c o n v e r s i o n s a n d

i m m e d i a t e s i m p l i c a t i o n s a r e a p p l i c a b l e t o N K - d e r i v a t i o n s a s t o N K - d e r i v a t i o n s .

M o r e o v e r , n o n e w t e r m s w i l l b e i n t r o d u c e d i n t h e d e r i v a t i o n s d u r i n g t h i s p r o -

c e s s . I t f o l l o w s t h a t ( w i t h o u t u s i n g q u a n t i e r c o n v e r s i o n s ) w e m a y ( p o t e n t i a l l y )

n o r m a l i z e e a c h N K - d e r i v a t i o n , a s f o r t h e c a s e o f N K , h o w e v e r , e v i d e n t l y w i t h o u t

i n t r o d u c i n g n e w t e r m s a n d t h e r e f o r e w i t h p r e s e r v i n g t h e t e r m s i z e o f t h e g i v e n

N K - d e r i v a t i o n . T h i s g i v e s t h e o n e h a l f o f t h e a b o v e m e n t i o n e d e q u i v a l e n c e ( 1 ) .

T h e o t h e r h a l f f o l l o w s f r o m a m o r e g e n e r a l r e s u l t t h a t n o t o n l y q u a n t i e r s , b u t

a l s o a l l l o g i c a l c o n n e c t i v e s i n a n o r m a l n a t u r a l d e d u c t i o n m a y b e s p l i t i n t o t h e

w e a k a n d s t r o n g o n e s a c c o r d i n g t o t h e i r p a r t i c i p a t i n g i n t h e r u l e s o f t h e d e -

d u c t i o n . W e p o s t p o n e t h e c o r r e s p o n d i n g d e t a i l e d c o n s i d e r a t i o n s t o s o m e o t h e r

p a p e r .

I n t h e c a s e o f N K

0

f

w e h a v e n o u s u a l s e m a n t i c s f o r l o g i c a l c o n n e c t i v e s , e . g . ,

f o r t h e i m p l i c a t i o n ) . S o , m o d u s p o n e n s i s a g a i n n o t a l w a y s a p p l i e d t o ) . T h e

c a s e o f N K

f

s e e m s b e t t e r f o r t h e p r o p o s i t i o n a l c o n n e c t i v e s ( n o r e s t r i c t i o n s o n

t h e c o r r e s p o n d i n g r u l e s ! ) . H o w e v e r t h e i n t u i t i v e u n d e r s t a n d i n g t h e q u a n t i e r s

r e q u i r e s s o m e c o m m e n t s .

S o , g i v e n a p r o o f D ( x ) o f A ( x ) f o r a n a r b i t r a r y x , i . e . e s s e n t i a l l y a p r o o f

o f 8 x A ( x ) , i t m a y b e p r o b l e m a t i c t o o b t a i n a p r o o f o f A ( t ) f o r a n y t e r m t

o f f e a s i b l e s i z e . T h e u s u a l s u b s t i t u t i o n D ( t ) w o r k s b a d l y b e c a u s e t m a y h a v e

s e v e r a l o c c u r r e n c e s i n D ( t ) ( o r i n s o m e o t h e r t e r m o f D ( t ) ) . O n e s e p a r a t e s u c h

s u b s t i t u t i o n m a y b e s u c i e n t l y h a r m l e s s , a n d t h i s c o u l d b e c o n s i d e r e d a s a

j u s t i c a t i o n o f t h e m i s s i n g i n N K r u l e ( 8 E ) . T h i s m a k e s c o r r e s p o n d i n g s t r o n g

a n d w e a k q u a n t i e r s 8 a n d 8 \ a l m o s t " t h e s a m e . ( E v i d e n t l y , 8 x A ( x ) ) 8 x A ( x )

a n d t h e c o n v e r s e i m p l i c a t i o n w a s d i s c u s s e d j u s t n o w a s \ a l m o s t " t r u e . ) H o w e v e r ,

d o i n g t h i s r e p e a t e d l y m a y r e s u l t i n t r y i n g t o c o n s i d e r d e d u c t i o n s w i t h t e r m s o f

n o n - f e a s i b l e s i z e .

A n a l o g o u s c o n s i d e r a t i o n i s a p p l i c a b l e t o 9 a n d 9 ( a s w e l l a s f o r t h e p o s s i b l e

a n a l o g o u s s p l i t t i n g o f i m p l i c a t i o n o r d i s j u n c t i o n ) .

6 F u r t h e r P o s s i b l e D e v e l o p m e n t s

T o m a k e t h e t h e o r y o f f e a s i b l e n u m b e r s m o r e a p p r o p r i a t e t o a p p l i c a t i o n s i n

C o m p u t e r S c i e n c e i t s h o u l d b e r e f o r m u l a t e d f o r m o r e r i c h d a t a t y p e s t h a n n a t -

1 1

t o b e d e n e d a p p r o p r i a t e l y ; i n ( P r a w i t z 1 9 6 5 ) a n d ( T r o e l s t r a a n d v a n D a l e n 1 9 8 8 )

t h e r e i s n o c o r r e s p o n d i n g d e n i t i o n .


19/22

u r a l n u m b e r s , f o r e x a m p l e , f o r n i t e s t r i n g s i n s o m e n i t e , e . g . b i n a r y a l p h a b e t

o r f o r h e r e d i t a r i l y n i t e s e t s . A l s o i n t u i t i o n i s t i c a s w e l l a s h i g h e r - o r d e r v e r s i o n s

o f t h e o r i e s d i s c u s s e d c o u l d b e c o n s i d e r e d . A g o o d m a t h e m a t i c a l t h e o r y s h o u l d

b e s u c i e n t l y r i c h t o d e s c r i b e a c o m p u t a b i l i t y n o t i o n a d e q u a t e l y . F o r e x a m p l e ,

i n B o u n d e d S e t T h e o r y ( S a z o n o v 1 9 8 7 ) p r o v a b l y r e c u r s i v e o p e r a t i o n s o v e r H F -

s e t s c o i n c i d e w i t h p o l y n o m i a l - t i m e c o m p u t a b l e o n e s . F e a s i b l e S e t T h e o r y , i f a n y ,

p r o b a b l y s h o u l d h a v e s o m e f e a t u r e s o f B S T a n d o f A l t e r n a t i v e S e t T h e o r y o f

P . V o p e n k a ( 1 9 7 9 ) .

I n t h e c a s e o f s t r i n g s , ( f e a s i b l e ) n a t u r a l n u m b e r s a r e i d e n t i e d w i t h u n a r y

s t r i n g s ( t h o s e i n o n e - l e t t e r - a l p h a b e t ) . T h e n , t h e a d d i t i o n o p e r a t i o n \ + " i s g e n -

e r a l i z e d t o t h e c o n c a t e n a t i o n o f f e a s i b l e b i n a r y s t r i n g s . S o m e o t h e r u s e f u l o p e r -

a t i o n s o v e r s t r i n g s m a y b e i n t r o d u c e d , a s w e l l , w i t h t h e r e q u i r e m e n t : T h e v a l u e

o f a n y ( i n t u i t i v e l y ) f e a s i b l e c l o s e d t e r m s h o u l d b e a f e a s i b l e s t r i n g

T h e n b i n a r y s t r i n g s o f t h e l e n g t h 1 0 0 0 ( o r 1 0 0 o r e v e n 6 4 , b e c a u s e i n t u i t i v e l y

6 4 62 M ) m a y b e n a t u r a l l y c o n s i d e r e d a s r e a l n u m b e r s ( i n b i n a r y n o t a t i o n )

b e t w e e n 0 0 0 0 a n d 1 0 0 0 = 0 1 1 1 . T h e y a r e n a t u r a l l y f a c t o r i s e d m o d u l o

e q u i v a l e n c e r e l a t i o n o f a p p r o x i m a t e e q u a l i t y

x y = 8 i 2 M ( x

i

= y

i

) _ t w o s y m m e t r i c d i s j u n c t s o f t h e k i n d

9 j 2 M 8 i < j ( x

i

= y

i

) & x

j

= 0 & y

j

= 1 & 8 i 2 M ( i > j ) x

i

= 1 & y

i

= 0 ) ]

w h e r e x

i

d e n o t e s t h e i - t h d i g i t o f s t r i n g x . W e m a y t r y t o d e v e l o p M a t h e m a t -

i c a l A n a l y s i s ( e . g . t o p r o v e t h a t s i n x c o s x , e t c ) . T h e a d v a n t a g e o f s u c h a

k i n d o f N o n s t a n d a r d A n a l y s i s w o u l d b e c o r r e s p o n d i n g \ s m o o t h " c o m p u t a b i l i t y

t h e o r y w i t h r e a l n u m b e r s c o n t a i n i n g o n l y b o u n d e d ( o r e v e n s u i t a b l y x e d , e . g .

1 0 0 ) n u m b e r o f b i n a r y d i g i t s . N o t e , t h a t , i n c o n t r a s t t o t h e o r d i n a r y R o b i n -

s o n ' s a p p r o a c h , \ n o n s t a n d a r d " m e t h o d s s e e m i n e v i t a b l e i n d e v e l o p i n g F e a s i b l e

M a t h e m a t i c a l A n a l y s i s .

T h e \ s e t " o f f e a s i b l e n u m b e r s F m a y b e n a t u r a l l y c o n s i d e r e d a s a p r o p e r

i n i t i a l p a r t o f t h e s e t P o f p o l y n o m i a l n u m b e r s ( a n d s t r i n g s ) w h i c h i s c l o s e d

n o t o n l y u n d e r a d d i t i o n \ + " b u t a l s o u n d e r m u l t i p l i c a t i o n \ " . I t f o l l o w s t h a t

2

1 0 0 0

2 P n F , b e c a u s e 2

1 0 0 0

= 2 2 2 2 a n d t h e r i g h t - h a n d s i d e i s n o w a l e g a l

t e r m o f f e a s i b l e l e n g t h . H o w e v e r , 2

2

1 0 0 0

62 P b e c a u s e t h e r e i s n o f e a s i b l e t e r m i n

t h e l a n g u a g e 0 1 + w h i c h d e n o t e s t h i s \ i m a g i n a r y " n u m b e r .

T h e c o r r e s p o n d i n g t h e o r y P O L o f p o l y n o m i a l n u m b e r s a n d n i t e s t r i n g s o f

p o l y n o m i a l l e n g t h m a y b e f o r m u l a t e d ( l i k e F E A S ) a s P O L

0

+ t h e a x i o m

8 y 2 P ( l o g

2

l o g

2

l o g

2

y


20/22

f o r t h e l a t t e r i s n o t a l l o w e d a n d t h e c o r r e s p o n d i n g o n e - p l a c e f u n c t i o n s y m b o l

d o e s n o t e x i s t i n t h e l a n g u a g e . O t h e r w i s e , w e c o u l d f e a s i b l y d e n o t e t h e ( i m a g -

i n a r y ) n u m b e r 2

2

1 0 2 4

a s ( ( ( 2

2

)

2

)

2

)

2

a n d p r o v e i t s n i t e n e s s a n d t h e r e f o r e

i n f e r t h e c o n t r a d i c t i o n i n P O L

W e m a y d e n e i n P O L f e a s i b l e n u m b e r s b y t h e p r e d i c a t e F ( x ) = P ( x ) & 9 y 2

P ( x l o g

2

y ) . T h e n m i d d l e a n d s m a l l n u m b e r s s h o u l d b e r e d e n e d , r e s p e c t i v e l y ,

a s M ( x ) = P ( x ) & 9 y 2 P ( x l o g

2

l o g

2

y ) a n d S ( x ) = P ( x ) & 9 y 2 P ( x

l o g

2

l o g

2

l o g

2

y ) . ( C f . t h e d e n i t i o n o f t h e p r e d i c a t e s E

i

i n x 3 )

A s i n w e a k t h e o r i e s , s a y , o f ( S a z o n o v 1 9 8 0 a , 1 9 8 9 ) , t h e q u a n t i e r - f r e e i n -

d u c t i o n s c h e m e i s p r o v a b l e i n P O L . A l s o p a r t i a l r e c u r s i v e f u n c t i o n s v i a T u r i n g

c o m p u t a b i l i t y c a n b e d e s c r i b e d , a s w e l l a s u n i v e r s a l T u r i n g m a c h i n e , s - m - n t h e o -

r e m a n d r e c u r s i o n t h e o r e m ( S a z o n o v 1 9 8 0 a , 1 9 8 9 ) . I n p a r t i c u l a r , e x p o n e n t i a t i o n

2

x

i s a p a r t i a l r e c u r s i v e f u n c t i o n h e r e . I t i s u n d e n e d f o r x = n o n - f e a s i b l e p o l y -

n o m i a l n u m b e r 2

1 0 2 4

, b u t i t s v a l u e o n f e a s i b l e n u m b e r x = 1 0 2 4 i s d e n e d a n d

n o n - f e a s i b l e . T h e n p r o v a b l y r e c u r s i v e f u n c t i o n s o f P O L ( i . e . t h o s e p a r t i a l r e c u r -

s i v e f u n c t i o n s w h o s e t o t a l i t y c a n b e p r o v e d i n P O L ) a r e j u s t p o l y n o m i a l - t i m e

c o m p u t a b l e o n e s ( o v e r p o l y n o m i a l b i n a r y s t r i n g s ) .

N o t e , t h a t t h e o r y F E A S , e v e n i f s u i t a b l y e x t e n d e d f r o m n u m b e r s t o s t r i n g s ,

s e e m s n o t v e r y a p p r o p r i a t e t o d e v e l o p T u r i n g c o m p u t a b i l i t y . I n d e e d , m u l t i p l i c a -

t i o n m i s s i n g i n F E A S i s n e c e s s a r y t o e s t i m a t e t h e t i m e o f s i m u l a t i n g a n y T u r i n g

m a c h i n e b y a n u n i v e r s a l o n e a n d t o p r o v e t h i s . N e v e r t h e l e s s w e m a y t r y t o d e -

n e s u i t a b l y t h e n o t i o n o f p a r t i a l r e c u r s i v e f u n c t i o n s w i t h t h e h e l p o f s o m e o t h e r

m o d e l o f c o m p u t a t i o n i n s u c h a t h e o r y . T h e n c o r r e s p o n d i n g p r o v a b l y r e c u r s i v e

f u n c t i o n s c o u l d b e n a t u r a l l y c a l l e d l i n e a r - t i m e o r f e a s i b l y c o m p u t a b l e . G e n e r a l l y ,

s u c h a w a y o f a r g u i n g m a y b e c o n s i d e r e d a s a m e t h o d t o e s t i m a t e \ n a t u r a l n e s s "

o f v a r i o u s n o t i o n s o f c o m p u t a b i l i t y a n d c o m p l e x i t y t h e o r y .

T h e d i s c u s s i o n i n x 3 s h o w s t h a t q u a n t i c a t i o n ( = t e r m a b b r e v i a t i o n ) r u l e s

i n n o n - n o r m a l p r o o f s g i v e r i s e t o n o n - f e a s i b l e ( o r t o n o n - p o l y n o m i a l , e t c . ) n u m -

b e r s . H o w e v e r , i f w e k n o w t h a t t h e v a l u e o f a ( p o s s i b l y v e r y c o m p l i c a t e d ) t e r m

i s b o u n d e d b y t h e v a l u e o f s o m e o t h e r t e r m w h i c h w i l l b e n e v e r a b b r e v i a t e d i n

a p r o o f , t h e n t h e r s t t e r m m a y b e f r e e l y a b b r e v i a t e d w i t h o u t a n y s u c h u n d e -

s i r a b l e n o n - f e a s i b i l i t y e e c t . H e n c e , t h e n o r m a l i t y r e q u i r e m e n t o n p r o o f s m a y b e

s o m e w h a t w e a k e n e d a s

F o r m u l a o c c u r r e n c e s i n a p r o o f w h e r e n o r m a l i t y f a i l s ( o r c u t

f o r m u l a s ) m u s t c o n t a i n o n l y b o u n d e d q u a n t i e r s . A d d i t i o n a l l y ,

B o u n d e d I n d u c t i o n A x i o m m a y b e a l l o w e d .

H e r e a l s o s o m e t h i n g i n t e r e s t i n g m a y a p p e a r . S u c h a b b r e v i a t i o n s f o r n i t e

b i n a r y s t r i n g s o f a b o u n d e d l e n g t h , m a y g i v e r i s e t o n o t l e n g t h y b u t v e r y c o m p l e x

s t r i n g s ( c f . t h e n o t i o n o f K o l m o g o r o v ' s c o m p l e x i t y o f s t r i n g s a n d t h e n o t i o n

o f c o n s t r u c t i v e / n o n - c o n s t r u c t i v e n i t e s t r i n g s ( S a z o n o v 1 9 8 0 a , 1 9 8 9 ) ) . B u t w e

m i g h t w a n t t o c o n s i d e r o n l y s i m p l e ( i . e . n o t c o m p l e x ) b i n a r y s t r i n g s , a s i t w a s

a b o v e w i t h f e a s i b l e a n d p o l y n o m i a l n u m b e r s . S o , w e s h o u l d c h o o s e w h i c h n o t i o n

o f b i n a r y s t r i n g w e a r e i n t e r e s t e d i n a n d r e s p e c t i v e l y d e c i d e w h e t h e r t h e a b o v e

k i n d o f a b b r e v i a t i o n s f o r t e r m s w i t h b o u n d e d v a l u e s i s a l l o w e d o r n o t .


21/22

I t i s v e r y d e s i r a b l e t o d e v e l o p c o r r e s p o n d i n g i n f o r m a l s t y l e o f \ F e a s i b l e M a t h -

e m a t i c s T h i n k i n g " l i k e \ M o d e l - T h e o r e t i c T h i n k i n g " o f c l a s s i c a l m a t h e m a t i c s

w h i c h a l l o w s t o p r o v e t h e o r e m s s u c i e n t l y r i g o r o u s l y , b u t w i t h o u t u s i n g f o r -

m a l i z e d p r e d i c a t e c a l c u l u s . F o r t h i s a i m w e c o u l d b e g i n w i t h c o n s i d e r i n g m o r e

a n d m o r e l i b e r a l a n d c o n v e n i e n t f o r m a l i z a t i o n s o f c o r r e s p o n d i n g l o g i c a s i t w a s

a t t e m p t e d a b o v e . A f t e r a l l , a g o o d f o r m a l i z m i s s u c h o n e w h i c h w e u s e w i t h o u t

t o o s t r o n g e o r t .

N o t e , t h a t G o d e l ' s a r g u m e n t o n n o n - p r o v a b i l i t y i n a r i t h m e t i c o f i t s c o n s i s -

t e n c y d o e s n o t w o r k f o r f o r m a l i s m s ( l i k e F E A S ) w i t h o u t m o d u s p o n e n s r u l e .

T h e r e f o r e , i t i s i n t e r e s t i n g t o s e e w h a t e x a c t l y w i l l t a k e p l a c e i n o u r c a s e .

T h e a u t h o r s e e s n o u n s u r m o u n t a b l e o b s t a c l e t o p r o c e e d i n t h e s e d i r e c t i o n s

w i t h a l l n e c e s s a r y t e c h n i c a l d e t a i l s . H

Vladimir Yu. Sazonov- On Feasible Numbers

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