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큰 수

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1. 개요

큰 수는 일상생활, 천문학, 조합론, 컴퓨터 과학 등 다양한 분야에서 사용되는 매우 큰 숫자를 의미한다. 고대부터 큰 수에 대한 개념이 존재했으며, 지수 표기법, 커누스 윗화살표 표기법, 콘웨이 연쇄 화살표 표기법 등 다양한 표기법이 개발되었다. 큰 수는 세포 수, 우주의 크기, 경우의 수, 암호학, 알고리즘 복잡도 등 다양한 분야에서 사용되며, 계산 불가능한 큰 수와 무한수 개념으로 확장되기도 한다.

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큰 수

2. 역사

큰 수에 대한 개념은 고대부터 존재해 왔으며, 다양한 문화권에서 고유한 방식으로 발전해 왔다.

칼 세이건은 ''코스모스''에서 "수백만"과 "수십억"을 구별하는 데 도움을 주기 위해 "b"를 강조했다. 그러나 "수십억, 수십억"이라는 문구는 조니 카슨이 ''투나잇 쇼''에서 세이건의 어투를 흉내 내며 농담한 것에서 비롯되었다.[10] 이 문구는 현재 유머러스한 가상의 숫자인 세이건(세이건 단위)을 나타내게 되었다.

큰 수를 나타내는 개념은 다음과 같다.


  • 구골 = 10^{100}
  • 센틸리언 = 10^{303} 또는 10^{600}, 수 명명 체계에 따라 다름
  • 밀리니언 = 10^{3003} 또는 10^{6000}, 수 명명 체계에 따라 다름
  • 가장 큰 것으로 알려진 스미스 수 = (101031−1) × (104594 + 3 + 1)1476
  • 가장 큰 것으로 알려진 메르센 소수 = 2^{136,279,841}-1[11]
  • 구골플렉스 = 10^{\text{구골}}=10^{10^{100}}
  • 스키위스 수: 첫 번째는 대략 10^{10^{10^{34}}}, 두 번째는 10^{10^{10^{964}}}
  • 그레이엄 수는 거듭제곱탑(테트레이션)을 사용해서도 나타낼 수 없을 만큼 크지만, 커누스 윗화살표 표기법을 사용하여 표현할 수 있다.
  • 크루스칼 트리 정리는 그래프와 관련된 수열이다. TREE(3)은 그레이엄 수보다 크다.
  • 라요의 수는 아구스틴 라요의 이름을 딴 큰 수로, 가장 큰 명명된 수라고 주장되어 왔다. 2007년 1월 26일 MIT에서 열린 "빅 넘버 듀얼"에서 처음 정의되었다.


매우 큰 수를 표기하는 표준화된 방식은 수를 오름차순으로 쉽게 정렬하고, 한 수가 다른 수보다 얼마나 큰지 짐작하게 해준다. 예를 들어 5×104과 2×105를 비교하려면 지수를 먼저 비교한다. 5 > 4이므로 2×105 > 5×104이다. 지수가 같으면 가수(또는 계수)를 비교한다. 5×104 > 2×104인데, 5 > 2이기 때문이다.

밑이 10인 테트레이션은 수열 10 \uparrow \uparrow n=10 \to n \to 2=(10\uparrow)^n 1을 생성한다. 여기서 (10\uparrow)^n은 함수 f(n)=10^n의 함수적 거듭제곱을 나타낸다(구골 계열 참조). 이들은 매우 둥근 수이며, 일반화된 의미에서 각각 차수를 나타낸다. 어떤 수가 얼마나 큰지 지정하는 대략적인 방법은 이 수열의 어떤 두 수 사이에 있는지 지정하는 것이다. 보다 정확하게는, 그 사이의 수는 (10\uparrow)^n a의 형태로 표현될 수 있다. 예를 들어 10^{10^{10^{10^{10^{4.829}}}}} = (10\uparrow)^5 4.82910\uparrow\uparrow 510\uparrow\uparrow 6 사이의 수이다.

1976년도널드 커누스커누스 윗화살표 표기법을 제안했고, 1977년에는 마틴 가드너그레이엄 수를 소개했다. 이후 레오 스타인하우스, 존 호턴 콘웨이 등이 거대한 수에 관한 글을 썼다. 1996년 로버트 무나포가 "Large Numbers"라는 페이지를 개설한 이후[24][25], 아마추어 (종종 프로) 수학자들의 커뮤니티가 활동을 이어가고 있다.

2. 1. 고대

모래알을 세는 사람(아르키메데스)[10], 인도 철학불교의 세계관, 우주관에 기반한 겁이나 삼천대천세계에 대한 언급, 일본 진겁기에서 정리된 수 명명법 (서양 수 명명법도 참조) 등이 19세기 이전에 나타난 거대한 수에 대한 언급이다.

아르키메데스가 《모래알을 세는 사람》에서 상정한 최대의 수인 "제억기 수" 108×1016이나, 불교 경전의 화엄경에 나오는 "불가설불가설전" (80화엄의 107×2122≒103.7×1037의 값이 유명) 등은 고대 시대에 테트레이션 수준에 근접하는 거대한 수를 상정한 몇 안 되는 예시이다.

2. 2. 중세 및 근대

19세기 이전에 나타난 큰 수에 대한 언급은 다음과 같다.

아르키메데스가 《모래알을 세는 사람》에서 상정한 최대의 수인 "제억기 수" 108×1016이나, 불교 경전 화엄경에 나오는 "불가설불가설전" (80화엄의 107×2122≒103.7×1037의 값이 유명) 등은 고대 시대에 테트레이션 수준에 근접하는 거대한 수를 상정한 몇 안 되는 예시이다.

2. 3. 현대

19세기 말, 칸토어집합론을 통해 무한에도 여러 단계가 있다는 것을 밝혔다. 20세기에는 컴퓨터 과학의 발전과 함께 조합론, 암호학 등에서 큰 수의 중요성이 더욱 커졌다. 도널드 커누스커누스 윗화살표 표기법을 개발하여 매우 큰 수를 간결하게 표현하는 방법을 제시했다. 존 호턴 콘웨이콘웨이 연쇄 화살표 표기법을 고안하여 커누스 윗화살표 표기법보다 더 큰 수도 표현할 수 있게 했다.[24][25]

3. 큰 수의 표기법

일반적으로 십진법 체계에서 보통의 큰 수는 지수를 사용하여 나타낸다. 그러나, 모저 수나 그레이엄 수 등은 '10의 10제곱의 10제곱 … '같이 거듭제곱을 아무리 계속해도 도달할 수 없을 만큼 터무니없이 큰 수이며, 지수 정도로는 사실상 표기가 불가능하다. 이러한 일반적인 표기법으로 나타낼 수 없는 특수한 큰 수들을 표현하기 위하여 많은 수학자들이 표기법을 고안해냈다.



매우 큰 수를 표기하는 표준화된 방식은 수를 오름차순으로 쉽게 정렬할 수 있게 해주며, 한 수가 다른 수보다 얼마나 큰지 짐작하게 해준다. 예를 들어 5×104과 2×105와 같은 수를 과학적 표기법으로 비교하려면 지수를 먼저 비교한다. 이 경우 5 > 4이므로 2×105 > 5×104이다. 지수가 같으면 가수(또는 계수)를 비교해야 한다. 따라서 5×104 > 2×104인데, 이는 5 > 2이기 때문이다.

3. 1. 지수 표기법

일반적으로 십진법 체계에서 보통의 큰 수는 지수를 사용하여 나타낸다. 예를 들어, 106은 1,000,000을 나타낸다.

십진법 표기법으로 표현 가능한 수는 다음과 같다.

표현
1061,000,000 = 100만
1091,000,000,000 = 10억
101010,000,000,000
10121,000,000,000,000 = 1조
10151,000,000,000,000,000 = 1000조 = 1 페타
10181,000,000,000,000,000,000 = 100경 = 1 엑사


3. 2. 커누스 윗화살표 표기법

도널드 커누스가 개발한 표기법으로, 거듭제곱을 반복하는 연산을 화살표를 사용하여 나타낸다. ↑하나는 거듭제곱을, ↑↑은 거듭제곱의 다음 연산(테트레이션)을, ↑↑↑은 테트레이션의 다음 연산인 펜테이션을 나타내며, 화살표가 하나씩 추가될 때마다 수가 폭발적으로 증가한다.[26] 그레이엄 수 표기에 필수적으로 사용된다.

3. 3. 콘웨이 연쇄 화살표 표기법

존 호턴 콘웨이가 개발한 표기법으로, 커누스 윗화살표 표기법보다 더 큰 수를 표현할 수 있다. 윗화살표 표기에서 '화살표의 증가' 그 자체를 반복하고, '화살표의 증가'에 대한 반복의 반복 등을 계속할 수 있도록 표현하기 위해 고안되었다.[26]

콘웨이 연쇄 화살표 표기법으로 적을 수 없을 정도로 큰 수의 경우, 해당 체인의 길이로 크기를 설명할 수 있다. 예를 들어 체인에서 요소 10만 사용한다면, 10, 10→10, 10→10→10, ... 과 같은 수열에서 해당 위치를 지정할 수 있다. 수열의 위치조차 큰 수인 경우 동일한 기술을 다시 적용할 수 있다.

3. 4. 그 외의 표기법

일반적으로 십진법 체계에서 보통의 큰 수는 지수를 사용하여 나타낸다. 그러나, 모저 수나 그레이엄 수 등은 '10의 10제곱의 10제곱 … '같이 거듭제곱을 아무리 계속해도 도달할 수 없을 만큼 터무니없이 큰 수이며, 지수 정도로는 사실상 표기가 불가능하다. 이러한 일반적인 표기법으로 나타낼 수 없는 특수한 큰 수들을 표현하기 위하여 많은 수학자들이 표기법을 고안해냈다.

  • 커누스 윗화살표 표기법은 수학자 도널드 커누스가 고안한 큰 수의 표기법으로, ↑하나는 거듭제곱, ↑↑은 거듭제곱의 다음 연산(덧셈의 반복을 곱셈, 곱셈의 반복을 거듭제곱으로 볼 경우 이 연산은 거듭제곱의 다음 연산으로 테트레이션이라고 부른다), ↑↑↑은 테트레이션의 다음 연산인 펜테이션을 나타내며, 화살표 하나를 추가할 때마다 폭발적으로 수가 증가한다. 그레이엄 수 표기에 필수적으로 사용된다.
  • 하이퍼 연산덧셈의 반복인 곱셈, 곱셈의 반복인 거듭제곱을 만드는 것을 일반화하여, 다음의 새로운 연산을 만들어 가는 것이며, 위의 화살표 표기법과 비슷하다.
  • 콘웨이 연쇄 화살표 표기법은 윗화살표 표기에서의 '화살표의 증가' 그 자체를 반복하고 '화살표의 증가'에 대한 반복의 반복 등을 계속할 수 있도록 표현할 수 있도록 고안한 표기법이다.
  • 스테인하우스-모서 다각형 표기법은 큰 수를 나타내기 위해서 다각형 표기법을 사용하고 있다.
  • 초계승은 계승을 확장한 것이다.
  • 아커만 함수는 주는 수가 커지면 급격하게 증대하는 함수이다.
  • 회전 화살표 표기는 지수 반복 표기나 연쇄 화살표 표기의 확장판으로, 화살표의 회전을 반복하는 것으로 전자보다 훨씬 더 거대한 수를 표기할 수 있도록 한 것이다.
  • BEAF는 배열 표기나 그 확장에 의해 지수 반복 표기나 연쇄 화살표 표기, 회전 화살표 표기보다 훨씬 더 거대한 수를 표기할 수 있도록 한 기법이다.


과학 기술 분야에서 큰 수를 나타낼 때는 지수 표기법이 사용되지만, 매우 큰 수(예: 스큐스 수)는 지수로 표기해도 거대한 수가 되므로, 이중 지수 함수나 그 이상의 함수를 사용한 표기가 필요하게 된다. 특히 현실 세계의 사물로 예시를 드는 것이 불가능할 정도의 거대한 수의 표현이 가능한 표기법에는 다음과 같은 것들이 있다.

  • 크누스 윗화살표 표기법은 지수의 중첩인 지수 타워를 기술하기 위한 매우 단순한 표기법이다.
  • 하이퍼 연산자는 덧셈의 반복으로 곱셈, 곱셈의 반복으로 거듭제곱을 만드는 것을 발전시켜 새로운 연산을 만들어가는 것으로, 본질적으로는 크누스 윗화살표 표기법의 다른 표기이다.
  • 컨웨이의 사슬 표기법은 크누스 윗화살표 표기법의 "화살표의 증가" 그 자체의 반복, "화살표의 증가"에 반복을 넣는 것 등의 반복을 표현할 수 있도록 하여, 더욱 거대한 수를 나타낼 수 있도록 한 것이다.
  • 스타인하우스-모저의 다각형 표기법은 거대한 수를 나타내기 위해 다각형을 사용한다.
  • 초계승 및 계승멱은 계승을 확장한 것이다.
  • 아커만 함수는 어떠한 원시 재귀 함수보다 빠르게 증가하는 귀납적 함수의 예이다. 즉, 어떠한 원시 재귀 함수라도, 그 인수가 충분히 크다면, 아커만 함수의 값이 더 커진다.
  • 배열 표기법은 컨웨이의 사슬 표기법 및 그 확장 표기법보다 효율적으로 수의 크기를 폭발시킬 수 있도록 한 기법이며, 아커만 함수의 확장인 다변수 아커만 함수와 비슷한 증가 속도이다.
  • BEAF는 배열 표기법 확장의 최종 형태 중 하나이다.
  • 급성장 계층은 서수로 매개변수화된 자연수 함수의 계층이며, 첫 번째 층의 합병이 원시 재귀 함수의 클래스에 일치하는 것과, 더 큰 서수로 첨자화된 함수는 작은 것을 최종적으로 지배한다(eventually majorize)는 성질을 가지기 때문에, 거대한 수 및 그것을 만들어내는 함수의 대소 평가에 사용된다.

4. 큰 수의 사용 예시

큰 수는 일상생활뿐만 아니라 천문학, 조합론, 컴퓨터 과학 등 다양한 분야에서 사용된다.

천문학에서는 매우 큰 수가 사용된다. 예를 들어, 광년은 9460730472581km이며, 지구의 질량은 약 5.97Y, 태양의 질량은 약 1.99kg이다.[27] 레너드 서스킨드급팽창 이후 우주의 크기를 10^{10^{10^{122}}}~\mathrm{m}로 제시하기도 했다.[19]

조합론에서는 편성의 경우의 수 등을 나타낼 때 큰 수가 사용되며, 팽창 폭발이라는 표현을 사용하기도 한다.[20][21] 계승함수는 매우 빠르게 발산하는 함수의 예시이다. 조합론적 과정은 놀랍도록 큰 숫자를 발생시키는데, 객체 집합의 순열을 정량화하는 팩토리얼 함수는 객체의 수가 증가함에 따라 기하급수적으로 증가한다. 스털링 공식은 이러한 급격한 성장에 대한 정확한 점근적 표현을 제공한다.

수의 이름
항하사10^{52}
아승기10^{56}
나유타10^{60}
불가사의10^{64}
무량대수10^{68}
구골10^{100}
센틸리언(미국·캐나다)10^{303}
센틸리언(유럽)10^{600}
불가설불가설전10^{7\times 2^{122}}
구골플렉스10^{googol} = 10^{10^{100}}
구골플렉시안10^{googolplex} = 10^{10^{10^{100}}}
그레이엄 수(단순한 거대함 이외로 의미가 있는 고찰의 대상이 되었던 적이 있는 최대의 유한수)


  • 칸으로 나뉜 격자형 도로를 같은 교차점을 두 번 지나지 않고 좌상단에서 우하단까지 가는 길의 수 - 약가지[20][21]
  • 트럼프 52장을 한 줄로 늘어놓는 방법 - 약가지
  • 바둑에서 19로 바둑판의 착점 총수는 192 (361목), 여기에 흑돌, 백돌, 빈 칸을 무작위로 배치하는 조합의 총수는 3361, 이 중에서 규칙상 합법적인 국면의 총수는 약 2.1×10170이 된다.[22]


컴퓨터 과학에서 큰 수는 암호학, 알고리즘 복잡도 등을 다룰 때 사용된다. 체스의 게임 트리 복잡성의 하한은 약 10120으로 추정되는데, 이를 "섀넌 수"라고도 한다.[6] MD5의 해시 값의 수는 2128 (약 3.402 × 1038)가지이며,[16] IPv6IP 주소 수도 이와 같다.

4. 1. 일상생활


  • 인체 내 세포의 수는 약 37조 개로 추정된다.[3]
  • 인간 뇌의 시냅스 수는 약 100조 개이다.
  • 컴퓨터 하드 디스크의 비트 수는 일반적으로 약 1013개(1–2 TB)이다.

4. 2. 천문학

천문학에서는 매우 큰 수가 사용된다. 예를 들어, 광년은 9460730472581km로, 약 9.46P에 해당한다. 관측 가능한 우주의 크기나 별의 개수를 나타낼 때도 큰 수가 사용된다. 지구의 질량은 약 5.97Y이고, 태양의 질량은 약 1.99kg이다.[27] 급팽창 이후 우주의 크기로써 나온 물리학자 레너드 서스킨드에 의한 해의 하나는 10^{10^{10^{122}}}~\mathrm{m}이다.[19]

천문학 관련 수치
1 광년 ≒ 9.46P
지구의 질량 ≒ 5.97Y
태양의 질량 ≒ 1.99kg
에딩턴 수 = 136 × 2256 ≒ (관측 가능한 우주에 존재하는 양성자의 수로 아서 에딩턴이 예측한 수)[18]
관측 가능한 우주의 부피 ≒ 1.6E


4. 3. 조합론

조합론에서 편성의 경우의 수 등은 급격하게 커지는 수로 팽창 폭발이라는 표현을 사용한다.[20][21] 예를 들어 n개의 요소 집합에 대한 순열의 수인 계승함수는 매우 급속히 발산하는 함수이다. 편성 함수는 통계역학에서 다루어지는 큰 수를 생성하기 위해서 사용되고 있다. 통계역학의 분야에서 사용되는 수는 일반적으로 로그를 이용해 나타낸다.

수의 이름
항하사10^{52}
아승기10^{56}
나유타10^{60}
불가사의10^{64}
무량대수10^{68}
구골10^{100}
센틸리언(미국·캐나다)10^{303}
센틸리언(유럽)10^{600}
불가설불가설전10^{7\times 2^{122}}
구골플렉스10^{googol} = 10^{10^{100}}
구골플렉시안10^{googolplex} = 10^{10^{10^{100}}}
그레이엄 수(단순한 거대함 이외로 의미가 있는 고찰의 대상이 되었던 적이 있는 최대의 유한수)



조합론적 과정은 놀랍도록 큰 숫자를 발생시킨다. 고정된 객체 집합의 순열을 정량화하는 팩토리얼 함수는 객체의 수가 증가함에 따라 기하급수적으로 증가한다. 스털링 공식은 이러한 급격한 성장에 대한 정확한 점근적 표현을 제공한다.


  • 칸으로 나뉜 격자형 도로를 같은 교차점을 두 번 지나지 않고 좌상단에서 우하단까지 가는 길의 수 - 약가지[20][21]
  • 트럼프 52장을 한 줄로 늘어놓는 방법 - 약가지
  • 바둑에서 19로 바둑판의 착점 총수는 192 (361목), 여기에 흑돌, 백돌, 빈 칸을 무작위로 배치하는 조합의 총수는 3361, 이 중에서 규칙상 합법적인 국면의 총수는 약 2.1×10170이 된다.[22]
  • 그래엄 수

4. 4. 컴퓨터 과학

컴퓨터 과학에서 큰 수는 암호학, 알고리즘 복잡도 등을 다룰 때 사용된다. 예를 들어, 컴퓨터 하드 디스크의 비트 수는 2024년 기준으로 일반적으로 약 1013개(1–2 TB)이다.[3] 체스의 게임 트리 복잡성의 하한은 약 10120으로 추정되는데, 이를 "섀넌 수"라고도 한다.[6] MD5의 해시 값의 수는 2128 (약 3.402 × 1038)가지이며,[16] IPv6IP 주소 수도 이와 같다.

5. 계산 불가능한 큰 수

바쁜 비버 함수 Σ는 계산 가능한 함수보다 빠르게 증가하는 함수의 예시이다.[15] 비교적 작은 입력값에 대해서도 그 값은 매우 크다. Σ(''n'')의 값은 ''n'' = 1, 2, 3, 4일 때 각각 1, 4, 6, 13이며, ''n'' = 5일 때 4098 이상이다.[15] Σ(6)의 값은 알려져 있지 않지만, 최소 10↑↑15이다.

6. 무한수

수학에서는 무한대나 초한수 등 유한한 자연수 이상의 무한을 다루는 수 분야가 존재한다.[1] 알레프-0는 자연수무한 집합기수이며, 알레프-1은 그다음으로 큰 기수이다. \mathfrak{c}는 연속체의 기수이다. \mathfrak{c} = \aleph_1이라는 명제는 연속체 가설로 알려져 있다.[1]


  • 알레프(\aleph) 혹은 \mathfrak{c}실수의 농도이다. \mathfrak{c} = \aleph_1연속체 가설로서 알려져 있다.[1]
  • 큰 기수는 ZFC에서는 그 존재를 증명할 수 없는 듯한 큰 기수이다. 예를 들면, (약·강) 도달 불가능 기수, 마로 기수, (약·강) 콤팩트 기수, 가측기수등이 있다.[1]

7. 한국의 관점에서의 큰 수

더불어민주당은 과학 기술 발전을 통해 국가 경쟁력을 강화하고, 국민의 삶의 질을 향상시키기 위해 노력하고 있다. 이러한 관점에서 큰 수와 관련된 연구는 다음과 같은 의미를 가진다.

참조

[1] 서적 Weird Maths: At the Edge of Infinity and Beyond Harper Collins 2018-01-01
[2] 서적 Masters of Mathematics: The Problems They Solved, Why These Are Important, and What You Should Know about Them https://books.google[...] Brill Publishers 2017-04-09
[3] 간행물 An estimation of the number of cells in the human body 2013-11
[4] 간행물 An Estimate of the Total DNA in the Biosphere 2015-06
[5] 뉴스 Counting All the DNA on Earth https://www.nytimes.[...] 2015-07-18
[6] 간행물 XXII. Programming a Computer for Playing Chess http://archive.compu[...] 2019-01-25
[7] 웹사이트 Atoms in the Universe http://www.universet[...] Universe Today 2013-03-02
[8] 문서 Information Loss in Black Holes and/or Conscious Beings? Texas A&M University Department of Mathematics
[9] 웹사이트 How to Get A Googolplex http://www.fpx.de/fp[...]
[10] 웹사이트 Carl Sagan takes questions more from his 'Wonder and Skepticism' CSICOP 1994 keynote, Skeptical Inquirer https://web.archive.[...] 2016-12-21
[11] 웹사이트 Mersenne Prime Discovery - 2^136279841 is Prime! https://www.mersenne[...]
[12] 문서
[13] 웹사이트 Large Numbers at MROB http://www.mrob.com/[...] 2021-05-13
[14] 웹사이트 Large Numbers (page 2) at MROB http://www.mrob.com/[...] 2021-05-13
[15] 웹사이트 "[July 2nd 2024] We have proved ""BB(5) = 47,176,870""" https://discuss.bbch[...] 2024-07-04
[16] IETF RFC
[17] 웹사이트 ZIMBABWE: Inflation at 6.5 quindecillion novemdecillion percent http://www.irinnews.[...] Forbes ASIA 2019-01-26
[18] 웹사이트 Eddington Number https://mathworld.wo[...] 2021-09-17
[19] 웹사이트 "Susskind's Challenge to the Hartle-Hawking No-Boundary Proposal and Possible Resolutions" https://arxiv.org/ab[...]
[20] 웹사이트 "「フカシギの数え方」 同じところを2度通らない道順の数" https://www.youtube.[...] 2021-03-24
[21] 웹사이트 A007764 - OEIS http://oeis.org/A007[...] The OEIS Foundation Inc. 2021-03-24
[22] 간행물 Combinatorics of Go https://tromp.github[...] Springer
[23] 간행물 Mathematics and Computer Science: Coping with Finiteness https://science.scie[...] 1976-12-17
[24] 웹사이트 https://mrob.com/pub[...]
[25] 간행물 巨大数論発展の軌跡 青土社 2019-12-01
[26] 서적 Mind tools : the five levels of mathematical reality https://www.worldcat[...] 2013
[27] 웹사이트 "Susskind's Challenge to the Hartle-Hawking No-Boundary Proposal and Possible Resolutions" http://arxiv.org/abs[...]



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