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수단 함수

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1. 개요

수단 함수는 다음과 같이 재귀적으로 정의되는 함수이다. 이 함수는 F0, F1, F2, F3과 같이 여러 단계로 구성되며, 각 단계별로 다른 값을 가진다. 특히 F1 함수는 2y · (x + 2) − y − 2로 표현되며, F2, F3 함수는 복잡한 형태로 정의되어 일반적인 수학적 표기법으로 닫힌 형태를 나타내기 어렵다.

2. 정의

수단 함수(Sudan function)는 다음과 같이 정의된다.

:\begin{array}{lll}

F_0 (x, y) & = x+y \\

F_{n+1} (x, 0) & = x & \text{if } n \ge 0 \\

F_{n+1} (x, y+1) & = F_n (F_{n+1} (x, y), F_{n+1} (x, y) + y + 1) & \text{if } n\ge 0 \\

\end{array}

이는 재귀 함수이다.

2. 1. 재귀적 정의

\begin{array}{lll}

F_0 (x, y) & = x+y \\

F_{n+1} (x, 0) & = x & \text{if } n \ge 0 \\

F_{n+1} (x, y+1) & = F_n (F_{n+1} (x, y), F_{n+1} (x, y) + y + 1) & \text{if } n\ge 0 \\

\end{array}

마지막 방정식은 다음과 같이 동등하게 쓸 수 있다.

\begin{array}{lll}

F_{n+1} (x, y+1) & = F_n(F_{n+1} (x, y), F_0(F_{n+1}(x, y), y + 1) \\

\end{array}.

2. 2. 동등한 표현

마지막 방정식은 다음과 같이 동등하게 쓸 수 있다.

:\begin{array}{lll}

F_{n+1} (x, y+1) & = F_n(F_{n+1} (x, y), F_0(F_{n+1}(x, y), y + 1) \\

\end{array}.

3. 값 표

수단 함수는 레벨에 따라 값이 급격하게 커지기 때문에, 각 레벨별로 표를 제시하여 값을 나타낸다. F2부터는 일반적인 수학 표기 체계 내에서는 닫힌 표현이 불가능하다.

3. 1. F0의 값

''F''0(''x'', ''y'') = x + y

y \ x012345678910
0012345678910
11234567891011
223456789101112
3345678910111213
44567891011121314
556789101112131415
6678910111213141516
77891011121314151617
889101112131415161718
9910111213141516171819
101011121314151617181920


3. 2. F1의 값

''F''1(''x'', ''y'') = 2y · (x + 2) - y - 2 의 값은 다음과 같다.

y \ x012345678910
0012345678910
113579111315171921
248121620242832364044
31119273543515967758391
42642587490106122138154170186
55789121153185217249281313345377
6120184248312376440504568632696760
724737550363175988710151143127113991527
8502758101412701526178220382294255028063062
910131525203725493061357340854597510956216133
1020363060408451086132715681809204102281125212276


3. 3. F2의 값

y \ x01234567
2F1(F2(0, 1), F2(0, 1)+2)F1(F2(1, 1), F2(1, 1)+2)F1(F2(2, 1), F2(2, 1)+2)F1(F2(3, 1), F2(3, 1)+2)F1(F2(4, 1), F2(4, 1)+2)F1(F2(5, 1), F2(5, 1)+2)F1(F2(6, 1), F2(6, 1)+2)F1(F2(7, 1), F2(7, 1)+2)
F1(1, 3)F1(8, 10)F1(27, 29)F1(74, 76)F1(185, 187)F1(440, 442)F1(1015, 1017)F1(2294, 2296)
191022815569256417≈ 5.742397643×1024≈ 3.668181327×1058≈ 5.01972994×10135≈ 1.428323374×10309≈ 3.356154368×10694
22x+1·(x+2) − x − 1 · (2x+1·(x+2) − x − 1) − (2x+1·(x+2) − x + 1)
≈ 10lg 2 · (2x+1·(x+2) − x − 1) + lg(2x+1·(x+2) − x − 1) ≈ 10lg 2 · 2x+1·(x+2) + lg(2x+1·(x+2)) ≈ 10lg 2 · (2x+1·(x+2)) = 1010lg lg 2 + lg 2·(x+1) + lg(x+2) ≈ 1010lg 2·(x+1) + lg(x+2)


3. 4. F3의 값

y \ x01234
001234
1F2(0, 1)F2(1, 2)F2(2, 3)F2(3, 4)F2(4, 5)
1110228≈ 7,82 · 104686813201colspan="2" style="background:white;" |
2F3 (1, 3)F3 (10228, 10230)F3 (≈104686813201
≈104686813201)
colspan="2" style="background:white;" |
일반적인 수학 표기 체계 내에서는 닫힌 표현이 불가능함


4. 한국 수학계의 연구

현재 한국 수학계에서 수단 함수에 대한 연구는 활발하게 이루어지고 있지 않다. 다만, 구트슈타인 함수와 같이 재귀적 정의를 가지면서도 비계산적인 성질을 보이는 함수에 대한 연구는 일부 진행되고 있다.



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