Тьюринг. Компьютерное исчисление

Один из самых влиятельных математиков XIX — начала XX века, немец Давид Гильберт сказал, что вся эта дискуссия сводится к проблеме определения, то есть возможности установить последовательность или непоследовательность формальной системы. Это означает, что до сих пор математики делали свою науку, используя правила вывода и аксиомы, то есть идеи или утверждения, считающиеся очевидными и не требующие доказательств. В этой ситуации Гильберт поставил перед научным сообществом задачу создать механический процесс (на современном языке — «информатизированный процесс»), с помощью которого можно было бы принять решение об истинности или ложности математического утверждения. Необходимо было оставить теоретическую дискуссию, начатую Геделем, и найти реальное решение проблемы, так как на кону стояла честь математики как науки. Алан Тьюринг принял этот вызов и начал работать над решением проблемы, поставленной Гильбертом и ставшей, в свою очередь, ответом на теорему Геделя. Так Тьюринг создал абстрактный исполнитель, не имеющий реального прототипа, — а-машину (automatic machine). Это устройство, известное нам как машина Тьюринга, обязано своим происхождением дискуссии между философами и математиками на самом высоком уровне. Сегодня считается, что это теоретическая модель первого в истории науки компьютера. Однако, несмотря на гениальность идей, возникших у Тьюринга в 1937 году, они не могли получить материального воплощения. К сожалению, потребовался глобальный военный конфликт (Вторая мировая война) для того, чтобы математики и инженеры объединили свои усилия для разработки и создания удивительной машины — компьютера.

Итак, что представляет собой машина Тьюринга? Из каких частей или компонентов она состоит? А-машина — это абстрактное устройство, не имеющее реального прототипа и представляющее собой простейший компьютер. Она способна считывать и записывать символы на ленте, разделенной на ячейки. Теоретически эта лента бесконечна, то есть не имеет края ни справа, ни слева. Очевидно, что она представляет собой основную память; в современном компьютере эквивалентом можно считать оперативную память — RAM (ОЗУ, оперативное запоминающее устройство). Интересно отметить, что Тьюринг посчитал бесконечную ленту необходимой для компьютера, предваряя этим возникновение одного из важнейших элементов — памяти. По очевидным причинам память компьютера не может быть бесконечной, и этим объясняется «зависание» техники, когда ее памяти недостаточно для выполнения определенной программы или операции.

Но что можно записать на ленту? Представим, что мы располагаем алфавитом, состоящим всего из двух символов — 0 и 1, а также еще одним символом, означающим пустую ячейку, — назовем его пропуск, или В. Система из этих трех символов составляет алфавит, который мы обозначим как А. То есть в каждой ячейке бесконечной ленты будет записан символ: 0, 1 или В (см. рисунок).

Представим себе машину Тьюринга в самой элементарной конфигурации. С одной стороны, ей необходима головка для считывания и записи, с помощью которой считывается содержимое ячейки, а затем стирается и записывается новый символ. В общей модели машины Тьюринга считалось, что после завершения цикла чтения ячейки, стирания содержимого и записи нового символа головка и вместе с ней вся машина сдвигается по отношению к ленте на одну позицию вправо (П) или влево (Л). То есть можно представить, что лента или машина переходит к позиции П или Л. Также машине необходим небольшой объем памяти — реестр, в котором хранится информация о состоянии или конфигурации в определенный момент времени. Реестр похож на светофор, который может быть красным (К), желтым (Ж) или зеленым (3). В конкретный момент времени машина находится в определенном состоянии, и количество возможных состояний является конечным. Обозначим его множество буквой Q (см. рисунок). Представим, что наша машина находится в одном из четырех состояний: E1, Е2, ЕЗ или Е4. Также имеется начальное состояние 1₀, соответствующее записи в реестре при запуске машины в работу.

Итак, машина располагает двумя конечными наборами символов — величинами, записываемыми в ячейки ленты (А = (0, 1, В)), и состояниями реестра машины (Q = (I₀, El, Е2, ЕЗ, Е4)). Для того чтобы машина Тьюринга функционировала, она должна следовать определенному протоколу, словно офисный служащий. Всякий раз, когда служащий выполняет свою работу, он совершает определенную последовательность действий, и после завершения одного шага он должен знать, каким будет следующий. Подобным образом каждый раз, обработав символ на ленте, машина Тьюринга должна до начала обработки следующего символа актуализировать свое состояние.

СОСТОЯНИЯ МАШИНЫ