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アラン・チューリングの生涯

年表 19126 月 23 日、ロンドンに生まれる。両親はインドに住んでいる。 1926シャーボーン校の寄宿生となる。 1930親友クリストファー・モーコムが亡くなる。 1931ケンブリッジのキングズ・カレッジに入る。 193522 歳でキングズのフェローに選ばれる。 1936「計算可能数について」を書く。プリンストンへ行く。 1938プリンストンで博士号。ケンブリッジに戻る。 1939ブレッチリー・パークでエニグマの解読に取り組みはじめる。 1940最初の電気機械式ボンブが動きだす。 1945国立物理学研究所に移り、ACE を設計する。 1948マンチェスター大学に移る。 1950模倣ゲームの論文を発表する。 1952形態形成の理論を発表する。同性愛を理由に有罪となる。 19546 月 7 日、ウィルムズローで亡くなる。41 歳。 ◀ 前へ 旅をたどる 次へ ▶ 1912 ロンドン6 月 23 日、メイダ・ヴェールに生まれる。両親はインドに住み、イングランド南部の里親のもとで育てられる。 1926–1931 シャーボーン寄宿学校でクリストファー・モーコムと出会う。1930 年のこの友人の死が、心と物質の関係を考えるきっかけになる。 1931–1936 ケンブリッジキングズ・カレッジで学び、22 歳でフェローとなり、「計算可能数について」を書く。 1936–1938 プリンストン別の道筋で同じ結果に達していたアロンゾ・チャーチのもとで博士号を取る。 1939–1945 ブレッチリー・パーク戦争中、ドイツ海軍のエニグマを解読する部門を率い、電気機械式のボンブを設計する。 1945–1947 テディントン国立物理学研究所で、プログラム内蔵式の計算機 ACE を設計する。 1948–1954 マンチェスター最初期の計算機の一つをプログラムし、模倣ゲームを提案し、形態形成を研究する。1954 年 6 月 7 日、近くのウィルムズローで亡くなる。 地図を見るには JavaScript を有効にしてください。各地点は下の一覧にあります。 ロンドンからマンチェスターへ。プリンストンとブレッチリー・パークを経て。 地図:© OpenStreetMap 協力者

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チューリング機械:鉛筆とテープと規則で計算する

1936 年には計算機というものはなかった。英語の computer は、保険会社や天文台や役所で、鉛筆と紙で計算することを職業とする人を意味していた。チューリングはこの人から出発した。計算するとき、人は本当は何をしているのかを問い、本質的でないものをすべて取り除いていった。 計算する人から残るもの 論文「計算可能数について」のチューリングの推論は、ほとんど単純化の一覧である。 紙は、マス目に区切られたテープに置き換えられる。方眼紙の上の計算は、マスごとに一行に写せるからである。 各マスには、有限の一覧から選んだ一つの記号が入る。数字、文字、空白。 計算する人は一度に少しのマスしか見ない。一マス見れば十分である。いくつかを見るというのは、一つを見て、次に隣を見ることだからである。 計算する人には「足し算をしている」「繰り上げている」といった心の状態がある。そうした状態は有限個しかない。 各ステップは、現在の状態と読んでいる記号だけで決まる。ステップとは、記号を書き、一マス左か右に動き、状態を変えることである。 残るのは一つの機械である。テープ、読み書きするヘッド、そして規則の表。表の各行はこう言う。「この状態でこの記号を読んだら、これを書き、そちらへ動き、この状態に移れ」。 1 を足す機械 二進法で書かれた数に 1 を足す機械をつくってみよう。手で $1011+1$ を計算するときは右から左へ進む。最後の 1 は 0 になって「1 繰り上がる」。その前の 1 も 0 になって繰り上がる。次の 0 は 1 になり、計算は終わる。結果は $1100$、つまり $11+1=12$ である。 機械はまさにそれを行う。必要な状態は「足す」一つと、終わりの状態「停止」だけである。ヘッドは最後の桁から始める。 状態 読む 書く 動く 次の状態 足す 1 0 左へ 足す 足す 0 1 動かない 停止 足す 空白 1 動かない 停止 一行めは繰り上がりである。1 を 0 に替えて左へ進む。二行めは 0 を見つけたら計算を終える。三行めは、$111+1=1000$ のように桁がすべて 1 だった場合を扱う。ヘッドは数の左の空白に着き、そこに新しい 1 を書く。 この対話型の図を使うには JavaScript を有効にしてください。議論の全体は本文にあります。

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停止問題:どの機械にも答えられない問い

1928 年、ドイツのダフィット・ヒルベルトは、Entscheidungsproblem、すなわち「決定問題」と呼ぶ課題を出した。論理の言葉で書かれたどんな数学の命題についても、それが真か偽かを有限の時間で答える機械的な手続きを見つけよ、というものである。もしそれがあれば、数学は組み立てラインになる。問いを書き込み、ハンドルを回せばよい。 ヒルベルトは答えは「ある」だと信じていた。八年後、チューリングとアメリカのアロンゾ・チャーチが、それぞれ別の道筋で、答えは「ない」ことを示した。 もっと簡単な問い チューリングはヒルベルトの問いに正面から挑んだのではなかった。まず、どの機械にも答えられない、もっとささやかな問いを見つけた。今日ではこう語られる。 プログラムと入力が与えられたとき、そのプログラムはいつか停止するか、それとも永遠に動きつづけるか。 すぐにわかる場合もある。数に 1 を足すプログラムはすぐ止まる。出口のないまま $1,2,3,\ldots$ と数えるプログラムはけっして止まらない。しかし、ごく短いのに誰も答えを知らないプログラムもある。たとえば次のプログラムは、2 より大きいどの偶数も二つの素数の和である、という有名なゴールドバッハ予想を調べる。 $n=4$ から始める。 $n$ が二つの素数の和でなければ、停止する。 そうでなければ、$n$ に 2 を足して 2 に戻る。 このプログラムが停止するのは、予想が誤りであるとき、かつそのときに限る。それが止まるかどうかを知ることは、1742 年から未解決の問題を解くことである。プログラムが止まるかどうかを判定する一般的な方法があれば、この問題も、ほかの多くの問題も一挙に片づく。 証明 背理法で、その仕事をする機械 $P$ があるとしよう。$P$ はプログラム $M$ の記述と入力 $x$ を受け取り、つねに有限の時間でこう答える。 $$P(M,x)=\begin{cases}\text{「止まる」}&M\text{ が入力 }x\text{ で止まるとき},\\ \text{「止まらない」}&M\text{ が永遠に動くとき}.\end{cases}$$$P$ を使って、新しい機械、あまのじゃくの $D$ をつくる。$D$ はプログラム $M$ の記述を受け取り、次のように動く。 $M$ が自分自身の記述を入力として受け取ったらどうなるかを $P$ に尋ねる。 $P$ が「止まる」と言ったら、$D$ は無限ループに入る。 $P$ が「止まらない」と言ったら、$D$ は停止する。 ここで致命的な問いが来る。$D$ が自分自身の記述を受け取ったら、どうなるか。 $D(D)$ が止まるなら、$P$ は $D(D)$ について「止まらない」と答えたことになり、$P$ はまちがえた。 $D(D)$ が止まらないなら、$P$ は「止まる」と答えたことになり、$P$ はやはりまちがえた。 どちらにしても $P$ はまちがえる。したがって機械 $P$ は存在しない。$\blacksquare$

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計算可能数:ほとんどの数は計算できない

1936 年の論文の題名が語っているのは機械ではなく、数である。「計算可能数について」。チューリングはこう定義した。ある実数のすべての桁を、一つずつ、けっしてまちがえずに書き出す機械が存在するとき、その実数は計算可能である。 どの数が計算可能か 学校で出てくる数は、ほとんどすべて計算可能である。 分数: $\frac17=0.142857142857\ldots$ 機械は筆算で割り算をし、その循環を永遠にくり返す。 平方根: $\sqrt2=1.41421356\ldots$ 次の桁を求めるために、機械は 0 から 9 までを試し、付け加えても 2 乗が 2 を超えない最大の数字を選ぶ。 $\pi$ と $e$: いくらでも近づける級数がある。たとえば $e=1+\frac1{1!}+\frac1{2!}+\frac1{3!}+\cdots$ であり、それを使えば機械は遅かれ早かれどの桁でも書き出せる。 「ちゃんとした」数はすべて計算可能であるように思える。そしてここで驚きが来る。ほとんどどれも計算可能ではないのである。 機械は数え上げられる どのチューリング機械も、有限の規則の表で記述される。その表は決まった文字を使った文章として書けるので、一つの整数としても書ける。チューリングはそれを記述数と呼んだ。記号を一つずつ数字に置き換えればよい。 だから機械は一覧に並べられる。記述数がいちばん小さい機械、その次、というように。どの機械も記述しない数はたくさんあり、どんな数も書かない機械もたくさんあるが、それはかまわない。大事なのは、計算可能数は一覧 $c_1,c_2,c_3,\ldots$ に収まるということである。専門用語では、それらは可算である。 実数は数え上げられない 1891 年、ゲオルク・カントールは、実数は一覧に収まらないことを示した。証明は対角線である。0 と 1 のあいだのすべての実数の一覧があるとしよう。 $$\begin{aligned} r_1&=0.\underline{5}\,1\,3\,9\ldots\\ r_2&=0.2\,\underline{7}\,0\,4\ldots\\ r_3&=0.8\,8\,\underline{1}\,6\ldots\\ r_4&=0.3\,0\,2\,\underline{2}\ldots \end{aligned}$$対角線上の数字を取り替えて数 $d$ をつくる。5 があれば 6 にし、ほかの数字なら 5 にする。ここでは $d=0.6555\ldots$ である。この $d$ は $r_1$ と 1 桁めで、$r_2$ と 2 桁めで、$r_n$ と $n$ 桁めで異なる。一覧に載っていない。したがって、どんな一覧もすべての実数を含むことはできない。 二つの事実を合わせよう。計算可能数は一覧に収まり、実数は収まらない。どの機械からもはずれる実数が残り、しかもそれが圧倒的多数なのである。実数を無作為に一つ選べば、それが計算可能である確率はゼロである。 定義できるのに計算できない数 計算できない数に名前をつけることはできる。$0.d_1d_2d_3\ldots$ と書き、一覧の $n$ 番めの機械が空白のテープで止まるなら $d_n=1$、止まらないなら $d_n=0$ とする。この数は完全に定義されている。しかし、もしある機械がその桁を書き出せたなら、その機械は停止問題を解いてしまうことになり、それは不可能である。存在しているのに、誰もけっして書き出すことのない数なのである。 練習:対角線を使う一覧は $0.1234\ldots$、$0.5555\ldots$、$0.9090\ldots$、$0.3141\ldots$ で始まる。「5 は 6 に、それ以外は 5 に」という規則を使って、対角線の数の最初の 4 桁を書け。 対角線は $1,5,9,1$。取り替えると $1\to5$、$5\to6$、$9\to5$、$1\to5$。数は $0.5655\ldots$ で、四つの数のどれとも対角線の桁で異なる。

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万能機械:プログラムもデータである

どのチューリング機械も一つのことしかしない。1 を足す機械は 1 を足し、$\frac17$ を書く機械は $\frac17$ を書く。別の計算をするには別の機械が要る。1936 年には、それが当たり前だった。機械式計算機も、パンチカードの集計機も、潮汐予測機も一つの仕事のためにつくられ、仕事を変えるには機械を替えるか配線をし直すしかなかった。 同じ論文で、チューリングはその必要がないことを示した。 機械を読む機械 どんな機械の規則の表も、文章としてテープに書くことができる。そこでチューリングは特別な機械 $U$、万能機械を記述した。$U$ は次のように動く。 テープの上で、機械 $M$ の記述と、そのあとに続く入力 $x$ を受け取る。 記述の中から、$M$ の現在の状態と、$M$ が読んでいるはずの記号に対応する規則を探す。 テープのうち $M$ のテープを表す部分でその規則を実行し、新しい状態を書きとめて 2 に戻る。 こうして $U$ は、表さえ与えられれば、どんな機械でも一歩ずつまねする。記号で書けば、 $$U(\langle M\rangle,x)=M(x)\quad\text{すべての機械 }M\text{ とすべての入力 }x\text{ について}.$$代償は遅さである。$M$ の一歩ごとに、$U$ は探したり写したりするのに何歩もかかる。しかし $U$ が計算できるものは、すべての機械を合わせて計算できるものとちょうど同じである。 メモリの中のプログラム 実際上の帰結は、プログラム内蔵という考え方である。仕事ごとに機械をつくるかわりに、機械は一台だけつくり、仕事はデータとして、数を入れるのと同じメモリに入れる。仕事を変えることは、文章を変えることになる。携帯電話でアプリを開くときに起きているのはまさにそれである。装置はいつも同じで、変わるのはそれが読む記述のほうである。 さらに、プログラムがデータなら、プログラムがほかのプログラムを読み、書き、書き換えることもできる。コンパイラーやオペレーティングシステムがしているのはそれであり、ある意味では、停止問題の証明で自分自身の記述を受け取った機械 $D$ もそうである。 パイロット ACE。チューリングの設計を縮小した版で、国立物理学研究所でつくられ、1950 年に動きだした。現在はロンドンの科学博物館にある。Philafrenzy · Wikimedia Commons · CC BY 2.0 紙から金属へ 戦後の 1945 年から 1946 年にかけて、チューリングは国立物理学研究所で、プログラム内蔵式計算機 ACE(自動計算機関)の完全な設計を書いた。大胆な設計だった。水銀遅延線のメモリ、毎秒百万パルスの速さ、そして機械が自分の命令を書き換えるようにプログラムできるという考えまで含まれていた。官僚主義と技術者不足のせいで建造は遅れた。縮小版のパイロット ACE がようやく動いたのは 1950 年で、しばらくのあいだ世界で最も速い計算機の一つだった。 その間、マンチェスターでは、フレデリック・ウィリアムズとトム・キルバーンが、1948 年 6 月 21 日、ベビーというあだ名の機械で、電子メモリに保存した最初のプログラムを動かした。チューリングは数か月後にマンチェスターに来て、それに続く機械の仕事にかかわった。

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カルクレムス:推論を計算するという考え

私たちの推論を正す唯一の方法は、それを数学者の推論のように手でつかめるものにして、誤りが一目でわかるようにすることである。そして人々の間で論争が起きたときには、ただこう言えばよい。計算しよう! と。そうすれば、それ以上の手間なしに、どちらが正しいかがわかる。 — ライプニッツ『発見の技法』(1685) ライプニッツは法律家であり、外交官であり、哲学者でした。宗教の間、国の間、哲学の学派の間で、決して終わらない議論を一生見てきました。一方、数学者は $2+2$ が 4 かどうかで議論しません。計算するだけです。もし推論も、数のように計算できたら? 思考のアルファベット 計画は二つの部分からなっていました。 一つ目は普遍言語で、ライプニッツはそれを characteristica universalis(普遍記号法)と呼びました。そこでは単純な観念がそれぞれ記号をもち、複雑な観念は、単語が文字の組み合わせであるように、それらの記号の組み合わせになります。ライプニッツはこれを 20 歳のとき、1666 年の『結合法論』で考え始めていました。 二つ目は推論計算、calculus ratiocinator です。記号を操作して、足し算をするように機械的に正しい結論を導くための規則です。そんな世界では、議論は紙と鉛筆で決着がつくでしょう。 素数としての概念 ライプニッツは実際に、数を使った方式を試しました。考え方はこうです。単純な概念それぞれに素数を割り当て、複合的な概念には、その部分の素数の積を割り当てる。 たとえば古典的な定義では「人間は理性的な動物である」。動物 $=2$、理性的 $=3$ とすれば、人間 $=2\times3=6$ です。 すると「すべての人間は動物である」という文は算術の問題になります。2 は 6 を割り切るか? 割り切るので、この文は真。では「すべての動物は人間である」は? 6 は 2 を割り切るか? 割り切らないので偽。概念についての推論が、割り算の問題になったのです。 この方式には深刻な問題がありました。否定や「ある〜は」という文をうまく扱えなかったのです。ライプニッツはそれを知っていて、別の形も試し続けました。しかし中心となる考え、論理は代数になりうるという考えは、すでに打ち出されていました。 今日の記号での例 今日、私たちは論理記号で推論を書きます。ある図形についての三つの命題を考えましょう。 $P$:その図形は正方形である。 $Q$:その図形は長方形である。 $R$:その図形の対角線は同じ長さである。 $P\Rightarrow Q$(すべての正方形は長方形)かつ $Q\Rightarrow R$(すべての長方形の対角線は等しい)なら、$P\Rightarrow R$。結論は議論の形から出てくるので、正方形について考える必要はありません。これこそライプニッツが望んだことです。記号だけを見て推論を確かめること。 しかし記号は奇跡を起こしません。前提がまちがっていれば、計算がどれほど正しくても結論はまちがいうるのです。また、含意を逆にするのはよくある誤りです。「すべての正方形は長方形である」から、すべての長方形が正方形であることは出てきません。 組み合わせることと解釈すること 三つの命題がそれぞれ真か偽なら、組み合わせは $2^3=8$ 通り。000、001、010、011、100、101、110、111。これは 0 から 7 までの二進法表記です。ライプニッツが感じとっていた論理と 0・1 の数との結びつきは、2 世紀後に中心的なものになります。 一部が実現した夢 ライプニッツの論理学の著作は、19 世紀までほとんどすべて未発表のままでした。それでも、この考えは戻ってきました。 1854 年、ジョージ・ブールは『思考の法則』を出版し、論理を 0 と 1 の代数に変えた。 1879 年、ゴットロープ・フレーゲは論理のための完全な記号言語を作った。それはライプニッツが思い描いたものにとても近かった。 1936 年、アラン・チューリングは、規則で記述されたどんな計算でも実行できる抽象的な機械を描いた。 しかし 1931 年、クルト・ゲーデルは、どんな規則の体系も数学のすべての真理を決定することはできないことを証明しました。ライプニッツの夢の全体は不可能なのです。それでも、その可能な部分はすべてのコンピュータの中にあります。規則に従って記号を操作する機械です。

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アラン・チューリングの遺産

チューリングは機械が考えると信じている。チューリングは男と寝る。ゆえに機械は考えない。 — アラン・チューリング、ノーマン・ラウトレッジへの手紙(1952) 有罪判決の直後にチューリングが友人に書いたこの苦い三段論法は、彼の生涯を要約している。論理で考える人が、彼を理解しない人々に裁かれたのである。しかし、彼が残した仕事はいたるところにある。 計算機科学の中に チューリング機械は今も、計算するとはどういうことかの公式の定義である。計算機科学者が、ある問題には「アルゴリズムがない」と言うとき、それはどのチューリング機械もその問題を解けないという意味であり、ある問題が「難しい」と言うとき、数えているのはチューリング機械に必要な歩数である。 その数え方から、この分野で最も有名な問い、P 対 NP が生まれた。答えを確かめるのがやさしい問題は、どれも答えを見つけるのもやさしいのか。ジグソーパズルを組むのは難しいが、組み上がったパズルを確かめるのはやさしい。この違いが本物なのか、私たちの工夫が足りないだけなのかは誰も知らない。クレイ研究所は、これに答えた人に百万ドルを出すとしている。 1966 年から、計算機学会(ACM)は毎年チューリング賞を授与している。計算機科学のノーベル賞とみなされている賞である。 暗号と統計学の中に エニグマとの戦いは、暗号の安全性は鍵の数ではなく、鍵の大部分を一度に除けてしまう欠陥がないことにあると教えた。現代の暗号はこの教訓から生まれた。そしてデシバンは、I・J・グッドを通じて、ベイズ統計学を科学の中心に呼び戻す助けになった。 生物学と人工知能の中に 形態形成の方程式は、模様の数理生物学という一つの分野全体の土台になっている。そして模倣ゲームは、機械が会話するようになった今も、機械が考えるかどうかをめぐるあらゆる議論の基準である。 マンチェスターのサックヴィル公園にあるチューリングの像。2001 年に除幕された。ベンチに座り、リンゴを手にしている。David Dixon · Wikimedia Commons · CC BY-SA 2.0 名誉の回復 何十年ものあいだ、チューリングの戦時の仕事は国家機密であり、有罪判決は口にされない話題だった。状況が変わりはじめたのは 1983 年、数学者アンドルー・ホッジスの書いた伝記からである。その後、次のことが続いた。 2001 年、大学のそばの公園にマンチェスターの像。 2009 年、イギリス政府の謝罪。 2013 年の国王恩赦と、ほかの有罪者にも恩赦を与えた 2017 年の法律。 彼の誕生日である 2021 年 6 月 23 日に発行された、彼の肖像の 50 ポンド紙幣。 覚えておくこと 1936 年:チューリング機械が計算とは何かを定義し、万能機械がプログラム内蔵式の計算機を先取りする。 1936 年:停止問題がどの機械にも答えられない問いがあることを示し、計算可能数がほとんどの実数に手が届かないことを示す。 1939–1945 年:エニグマの数え上げと欠陥、ボンブ、そしてデシバンを使うバンブリスムス。 1950 年:模倣ゲームが「機械は考えるか」という問いをテストに置き換える。 1952 年:形態形成が、拡散がどのように模様を生むかを説明する。 練習:確かめるのはやさしい誰かが $8633=89\cdot97$ だと言う。確かめる手間はどれだけか。ヒントなしに因数を見つけるにはどれだけかかるか。 確かめるにはかけ算一回でよい。$89\cdot97=89\cdot100-89\cdot3=8900-267=8633$。見つけるには $\sqrt{8633}\approx93$ までの約数を試さなければならない。2 から 89 までの素数は 24 個あり、うまくいくのは最後の一つだけである。何百桁もの数になると、確かめるのは今でも一瞬だが、見つけるのは不可能に近くなる。インターネットの暗号はこの非対称に支えられている。

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画像クレジット

歴史的な画像と写真 すべてウィキメディア・コモンズによる。コモンズが提供する縮小画像を、圧縮以外の編集をせずに使っている。 16 歳のチューリング、アーサー・レジナルド・チャフィン撮影とされるパスポート写真:出典ページ · パブリックドメイン。 1951 年のチューリング、エリオット&フライ写真館の肖像:出典ページ · パブリックドメイン。 キングズ・カレッジの礼拝堂、Martinvl 撮影:出典ページ · CC BY-SA 4.0。 ブレッチリー・パークの館、DeFacto 撮影:出典ページ · CC BY-SA 4.0。 ローター三つのエニグマ、アメリカ国家安全保障局:出典ページ · パブリックドメイン。 復元されたボンブ、Mike Peel 撮影:出典ページ · CC BY-SA 4.0。 パイロット ACE、Philafrenzy 撮影:出典ページ · CC BY 2.0。 マンチェスターの「ベビー」の複製、Parrot of Doom 撮影:出典ページ · CC BY-SA 3.0。 サックヴィル公園の像、David Dixon 撮影:出典ページ · CC BY-SA 2.0。 大型のフグの皮膚、Chiswick Chap 撮影:出典ページ · CC BY-SA 3.0。 チューリングの模様とチーター、Philip Ball 作成の図:出典ページ · CC BY 4.0。 このサイトで作成した図 表紙、対話型のチューリング機械、反応拡散のシミュレーションは、このコースのために作成した。シミュレーションはグレイ=スコット・モデルを 200×200 の格子で計算したもので、文字を含まないので、サイトのすべての言語で使える。対話型の機械は四つの言語すべてで動作する。 記録 ファイル data/turing_imagens.json に、ダウンロードした各画像の出典、ライセンス、確認日、SHA-256 ハッシュ値を記録している。各テーマの歴史資料は、それぞれの記事の末尾に挙げている。 アラン・チューリングの全トピック · ← アラン・チューリングの遺産

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ブール、フレーゲ、ペアノ:推論を書く

19 世紀まで、数学の記法は量とそのあいだの演算を書くためのものでした。数学者がいつもしているのに書きとめていなかった、もう一つのことのための書き方がなかったのです。推論です。「もしこうなら、ああなる」「すべての数について」「〜となる数が存在する」。こうしたことは、式と式のあいだで、まだラテン語やフランス語やドイツ語で言われていました。この記事は、推論そのものがどうやって記号を手に入れたかを語ります。 思考の代数 19 世紀、数学は自分自身の内側を見つめはじめました。数とは何か。証明とは何か。それに答えるには、量だけでなく、命題と、命題から命題への手順を書く方法が必要でした。 1854 年、イギリスのジョージ・ブールは『思考の法則』を出版し、推論を代数としてあつかいました。$x$ が「白いもの」を表すなら、$x\cdot x$(白いもののうち白いもの)は $x$ そのものです。そこからブール代数の奇妙な法則が出てきます。 $$x^2=x,\qquad\text{つまり}\qquad x(1-x)=0,$$ブールはこれを「何ものも、ある性質をもつと同時にもたないことはできない」と読みました。一世紀後、$0$ と $1$ の二つの値しかないこの同じ代数が、コンピュータの回路の土台になります。 1879 年、ドイツのゴットロープ・フレーゲはさらに先へ進みました。著書『概念記法』(Begriffsschrift)で、どんな数学の証明でも一歩ずつ表現できる、論理のための完全な言語をつくったのです。並はずれた業績でしたが、その書き方は二次元的でした。命題は横線と縦線にぶらさがり、横だおしになった木の枝のようでした。簡単な式でもページの半分を占めました。同時代の人たちはそれを読めないと感じ、本はほとんど読まれませんでした。 天才的で不毛な記法 フレーゲの考えは生き残りましたが、彼の書き方は生き残りませんでした。フレーゲの仕事の上に築いたバートランド・ラッセルとアルフレッド・ノース・ホワイトヘッドは、『プリンキピア・マテマティカ』(1910–1913)を、イタリアのジュゼッペ・ペアノの線形の記法で書くことを選びました。『プリンキピア』では、$1+1=2$ に通じる命題が第 1 巻の 379 ページになってようやく現れ、「上の命題はときどき役に立つ」というそっけない注釈がついています。 ∈、∃、∀ 私たちが使う論理記号の多くは、ペアノのおかげです。1889 年、ある要素が集合に属することを言うために、彼はギリシア語 estí(「〜である」)の頭文字であるイプシロンを使いました。$3\in\mathbb{N}$ は「$3$ は自然数である」と読みます。1897 年には、ある性質をもつ要素が存在することを言うために、ひっくり返した E、$\exists$ を使いました。「すべての」を表す $\forall$ はいちばん若い記号です。1935 年、ドイツのゲルハルト・ゲンツェンが、$\exists$ との対称性から、alle(すべて)の A をひっくり返してつくりました。 量化された命題では、量化子、定義域、性質がそれぞれちがう役割をになう。この本のために作成した説明図。 これらの記号を使うと、「すべての実数の 2 乗は 0 以上である」という文は次のようになります。 $$\forall x\in\mathbb{R},\quad x^2\ge 0.$$ただの略記に見えますが、この書き方は、ふつうの言葉が隠しているものを見えるようにします。量化子の順序です。比べてみてください。 $$\forall x\ \exists y:\ y>x \qquad\text{と}\qquad \exists y\ \forall x:\ y>x.$$最初の式は、どの数についても、それより大きい数が存在すると言っていて、これは正しい。二つ目の式は、すべての数より大きい数が存在すると言っていて、これはまちがいです。日本語では、どちらも「いつでももっと大きな数がある」というあいまいな文に収まってしまいます。論理の書き方では、ちがいは記号の位置にあり、一目でわかるのです。 この章が示したこと インドのゼロからゲンツェンの量化子まで、数学の書き方の重要な変化はどれも新しい道を開きました。位取りは計算を紙の上の作業に変え、ヴィエトの文字は手順を対象に変え、ネイピアの対数はかけ算をたし算に置きかえ、ライプニッツの $d$ は連鎖律をひとりでに書かせ、オイラーの $f(x)$ は関数に名前を与えました。ガロアとケイリーの表は動きを記号に変え、行列は連立方程式を一つのものとしてあつかい、ギブズとヘヴィサイドのベクトルはマクスウェルの方程式を四行にし、量化子は命題の構造を見えるようにしました。