3x+1问题及其推广
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z J习题 3Z'l-t J习题,
弓 荐恝
3x+1问题及其推广 .,
L叼窿 C 棠歙 p
J~'ifrey C.Lagarias’’。
1.引富. 3 +l问题也称为 CaHatz问题、Syrscuse问题、Kakutani问题、Hasse
算法和 Ulam问题,它是关于下述函数迭代特性的,该函数当n为奇整数时取3”+1,偶
整数时取 n/2.3x+1猜想断言,从任意正整数 n出发,反复迭代该函数最终得到函数
值 1.
+1猜想易于叙述,但显然极难解决.这种性质为其他迭代问...
『l2一f砰
z J习题 3Z'l-t J习题,
弓 荐恝
3x+1问题及其推广 .,
L叼窿 C 棠歙 p
J~'ifrey C.Lagarias’’。
1.引富. 3 +l问题也称为 CaHatz问题、Syrscuse问题、Kakutani问题、Hasse
算法和 Ulam问题,它是关于下述函数迭代特性的,该函数当n为奇整数时取3”+1,偶
整数时取 n/2.3x+1猜想断言,从任意正整数 n出发,反复迭代该函数最终得到函数
值 1.
+1猜想易于叙述,但显然极难解决.这种性质为其他迭代问题,如等分序列问
题 (见 Guy[36],问题 B6)和著名的丢番图方程 (如 Fermat大定理)所共有. Patti ErdSs
在谈到 +l问题的难解性时说 : “数学还没有发展到解决这种问题的水平”.尽管有
这一悲观说法, 3x+l问题的研究并不是一无所获的.它与 la 的丢番图逼近,与序
列 {(3/2) : =1,2,⋯ )的分布 (mod1),与 2-adic整数 上的遍历理论问题,以及与
可计算性理论 (3 4-1的一个推广已证明是计算不可解问题)都有有趣的联系.在本文
中,我将介绍 3 4-1问题的历史,并就我所知的关于这一问题及其推广的所有文献作一
综述.
3 4-1问题的确切由来并不清楚,它曾在数学界口头流传了多年.这个问题传统上
归于汉堡大学的 Lothax Collatz.本世纪 30年代他还是学生的时候,由于受 Edmund
Landau、 Oskar Perron和 Issa4 Schur等人讲课的影响,他对数论函数发生了兴趣.他
对于图论的爱好又使他产生了将这种数论函数表示成有向图的想法,这种图的结构的问
题与这种函数的迭代特性有密切关系 【2 5].在他那本记载日期为 1932年 7月 1日的笔记
本中,他考虑了函数:
, '
l;,I, 若n 0(mod 3), I
.
9(“)={; 一言,若n11(mod 3), l:
I;n4- ,若n;2(mod 3),
原题: The 3x 4-1 Problem and Its Generalizations 译自:The American Mathematical
Montyiy,Jan,1985.PP.3-21.(由于篇幅所限,
时有删节.有兴趣的读者可阅读原文.)
· 112 · .
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他提出了确定 P的圈结构的问题,而且特别问到,该置换含 8的圈是有限的还是无限
的,即迭代 9 (8)能否保持有界 【2 4],对 g(n)迭代的研究我将称为原始 Collatz问题
虽然 Collatz从未发表过他考虑过的任何迭代问胚,但是他在 1950年麻萨诸塞州坎布
里奇市召开的国际数学家大会上传播了这些问题 最终原始 Collatz问胚出现在刊物上
(【9】,【47】,[591) 他关于 g㈣(8)的原始问题从未得到回答i人们相信其所有的圈是无限的
不管其确切由来如何,可以肯定 3 +l问题在本世纪 50年代初已为数学界所知,它是
1952年由B Thwaites[69】发现的.
在传播过程中,3。+1问题被赋予了各种各样的名称,Collatz的同事 H Hasse对
+1问胚有兴趣,并与许多人讨论了它的推广,因此被称为 Husse算法 Syracuse
问胚这个名称是 Hasse 50年代访问Syracuce大学时起的. 1960年左右, S Kakutani
听说了这个问题并产生了兴趣,他向一部分人作了传播 他说, “大约有一个月,耶鲁
大学的每个人都在研究它,但没有结果 当我在芝加哥大学提到这个问胚时发生了类似
的现象+有一个笑话说,这个问题是延缓美国数学研究阴谋的一部分 ”在这一过程
中,它获得了 Kakutani问题的名称 S Ulam也听说了这个问胚,并在洛斯阿拉莫斯
等地传播,所以在有些圈子里也称为 Ulam问题 ([13,691)
近十年来, 3x+1问胚结束了不公开存在的状况,作为一个问题以各种形式出现
在书刊中,.有时作为一个没有提及由来的未解决的问胚 有人提供了解决这个问题的奖
金:1970年H.S Coxefer奖赏 50美元,然后是 PaulErd~s奖赏500美元,更近一些B.
Thwaifes奖赏 1000英镑 f6日].关于 3。+1问题和有关问题的研究论文已发表 20多篇、
下面,我们首先讨论关于 孙 +1问题本身的已知结果,然后讨论这个问胚的推广,
我们给出了定理 B D、E、F、M和 N的证明 或证明梗概,因为这些结果或者
是新的,或者者以前未以清晰的形式出现过.不经心的读者可以跳过这些证明.
2.3x+1问题 3x+1问题的已知结果可以用下述函数的迭代十分漂亮地表述:
㈤ =
考虑 孙 +1问题的一个方法是有向图,其顶点是正整数,有向边从 n到 (n) 称该图
为函数 T(n)的 Collatz图,以纪念 L.CollatzI2 .T(n)的 Collatz图的一部分如图 1所
示.一个有向图称为弱连通的,如果它作为非有向图是连通的,即对于任意两个顶点都
有一些边形成的路径连接它们,这里忽略边的方向 3z+1猜想可以用 Collatz图的术
语表述如下:
3。+1猜想(第一形式) T(n)的 Collatz图是弱连通的.
我们称迭代序列 (n, (n), (。 (n), (。)(n),⋯ )为 n的轨道.当n>0时,这种轨
道有 3种可能特性:
(i) 收敛轨道 某个 f”(n)=L
(ii) 非平凡圈轨道 序列 f”(n)最终成为周期的,且 l(n)≠1对任意 k≥L
113
( i) 发散轨道. 1imk ( )( )=∞
圈 1 函数 T(n)迭代的 Callatz圈的一部分
3 +1猜想断言,所有正整数 的轨道都是收敛的.显然,对于 >1,如果不存在
某个 ( )( )< 则不可能有 ( )( )=1.称满足 ( )( )< 的最小正整数 k为 的停
止时间 ( ),如果没有这种 k使得 ( )(n)< ,则令 ( ): .同样,称满足 (”)=l
的最小正整数 k为 的总停止时间 (n),如果没有这样的 k,则令 (”):。。.我们可
以用停止时间重新叙述 3z+1猜想:
3x+l猜想(第二形式).任意大于 l的整数都有有限停止时间.
3x+1问题的魅力在于逐次迭代 ( )的不规则特性.我们可以用停止时间、总停
止时问和扩张因子等来度量这种特性.扩张因子s( )定义为
sup T( )(n)
s( )= ,
若 存在有界轨道, s(”)=+。。若 ”具有发散轨道.例如, =27需要 70次迭代得
到值 1,
supT(k)(27)
s(27)= = ~171.
表 1给出了若干 的迭代数据 ( )( ),它可以说明这些概念
· 114 ·
3 +1猜想已经在 的很大范围内作了数值检验 寻找用计算机检验该猜想的有效
算法是—件有趣的事.目前,检验 3 +1猜想的记录似乎是由东京大学的 Nabuo Yoneda
保持的,据说他检验了所有 n 2 1.2×10 。的数 .有地方传说,A.S.Fraenkel验
证了所有 n<2s。都有有限的总停止时间,但这一传闻是错误的 [321
表1.选代 ( ) )的特征
(r工) ∞( ) s( )
1 2 2
7 11 3.7
27 59 了0 171
2 一 1 l43 383 6.37~10s
250 50 l
25。J.1 2 223 1.50
2500— 1 1828 4331 1
.
11×10ss
2500+ 1 2 22O4 1.50
2.1一个启发性论证, 下述概率的启发性论证支持 3x+1猜想 (见 [28】).随机选取
一 奇整数 no,迭代函数 T直到另一奇整数 出现为止.于是 = ,塾 , ,
⋯ 的概率分别为 i1,{,i1,⋯.如果假定函数 是充分 ‘‘搅拌的”(mixing),即在n的轨
道中,相继奇整数的出现就象是从奇整数集合 (mod 2k)(对所有 )中随机抽取的一样,
那么,这种轨道中两个相邻奇整数大小增长比倒的期望值是乘积因子:
( ( ( 一
因此,这一启发性论证表明,在一个轨道中,迭代总体上是为于缩小的,从而发散轨道
不应该存在.进一步,它表明总停止时间 ‰ ( )(在某种平均意义上)是 logn的一个常
数倍.
从这一启发性论证的观点看, 3z+1问题的主要困难在于如何深刻认识函数 T(n)
(rood 2k)(对所有 2的方幂)迭代的 “搅拌”性质.函数 T(n)确实具有下述定理 B和 K
的某些 “搅拌 性质,但是他们比解决 3x+1猜想所需的要弱得多.
2.2停止时间函数的特征. Riho Terra经过巧妙的观察发现,虽然总停止时间函
数的特性似乎难以
,但关于停止时间函数有很多可以说.他证明了下述基本结论
([64,651),它也由Everrett独立发现 ([311)
定理A (Tei~as).整数集合 SK={n:硝 停止时间 ≤埘 有有限的渐近密度 F(K)
即极限
F( )= { : z且 ( ) )
存在.此外,当 一 o。,F(k1一 l,所以几乎所有整数有有限停止时间. ■
115
Tetras韵上述分析思想对于深入理解 3z+1问题是基本的.所以我将作详细说明.
为此,引进一些记号来表示函数 (n)迭代过程中的结果.给定整数 n,定义以0-1为值
的序列xi(n)如下
(t1);xi(n)(rood 2), 0Si
(i+1)In 2,0 { k一2.
注意所有长度为 k的允许向量 都有
I/0+⋯ + 一1=【驯 , (2.t1)
其中口:In 2/In 3=(1og2 3)-1.63093l【叫表示 $的最太整数.下述结论属于 Tetras.
定理 C (Terras).(a)系数停止时间为 k的整数集合恰好是存在长度为 k的容许向
量 使得 : ( )的那些同余类 (rood 2 )中的整数集合. (b)令 n: ( ),对于
某长度为 k的向量 ,若 是容许的,则同余类 (rood 2k)中充分太的整数都有停止时
间k.若 不是容许的,则同余类 (mod 2 )中只有有限个整数有停止时间 k.
定理 C断言,具有给定系数停止时间k的整数集合 是—些算术级数 (rood 2 )的
并集.定理 C蕴含定理 A的第一部分,即停止时间 k的整数集合具有下述渐近密度
F( ): ∑ w~ight("), (2.as)
k蕊许)
. 117 .
其中weight( )=2-length(v).
(2.16)式可用来证明定理 A的第二部分.事实上,可以证明更强的结论:当 一
时, F(k)以指数速度趋于 1.
定理 D 对所有 1.
1一F( )= 纠 n:n≤ 且 (n)> ) 2 , (2·17)
其中
:1一日(口)≈0.05004-- (2.18)
这里 日( )=一2:log2 一(1—2:)log2(1一 )是熵函数 (entropy func~on),口=(1og2 3)-。.
一
定理 D不可能作实质性改进.
2.3系数停止时间和停止时间之间的关系. 定理 C表明这两者一般是相等的:对
任意固定 ,至多有有限个系数停止时间 (n)≤ 的n满足 (n)≠ (n).TerrasI64j和
后来的 G ner 猜想,不等的情况绝不会出现.
系数停止时间猜想.对于所有 n 2,停止时间 ( )等于系数停止时间 ).
系数停止时间猜想具有美学的魅力,即如果猜患成立,则停止时间为 的正整数集
合恰好是同余类 (rood k)的集合,如定理 C(i)所述.进一步,系数停止时间猜想成立意
味着没有非平氏圈.
下述结论说明系数停止时间猜想是 ‘接近为真的”.我将在后面用其界定没有有限停
止时间的元素个数.
定理 E.存在可有效计算的常数 .使得若 是长度为 的容许向量,则 s(v)
中除最小元素no(v)可能例外,所有元素都有停止时间 . ■
2.4没有有限停止时间的元素有多少7 .上述已证明的结论可用来得到没有有限
停止时间的元素个数的一个上界.令
( )=l{ : 曼 且 ( ) ∞( )=
于是,由于 h ’( -)= rl--I’( 2)=2,由于 ”2的轨道将继续绕平凡圈循环,所以”。
和 2的轨道多在 r-一1步迭代后重合.如果还有 ^一-(”。)= ^一-( ),当 ”-,n2差不多
大时这几乎总是发生,那么对于 2 0,2~-Xk+"l和 2rr +n2的轨道至多在 rl一1
步迭代后重合.特别地, (2ra-1k+n1)= (2nI1 +n2)对 2 1成立.在此情形,
n1和 n2的原始重合产生了一个无限的重合算术级数 (rood 2r一 ).将所有这些相近数的
重合算术级数逐步积累起来,就导致了我们在表 3和表 4中观察到的现象.
表 3.100 ≤1099p~总停止时间 ∞(n)值
1ooo lOIo 1020 1030 1040 105o 1 0fllI l l l( 1l l
一 1嵋 一1019 一lO29 一I∞ 9 —1049 一10 ·1069 —l079 —t0*9 一1099
72 船 34 骞0 2] 2, 80 I8 3I 31
‘2 26 aO 61 ∞ 107 R8 31
72 72 ‘2 ∞ 8o " ∞ 2,
29 72 42 99 骞0 50 1 0B ∞
45 26 10 ∞ 23 ∞ I8 31 23
45 26 26 ∞ 2, 107 50 l8 31 50
45 26 ∞ ∞ 23 23 23 柏 6I
6l 99 26 蚰 ∞ 53 42 ‘ 2, B8 B8
2 ¨ ∞ ‘2 ∞ ” 1B 34 15 61
2 42 ∞ 42 ,12 23 l暑 34 3l 23
表 4.100 让 1099内 ∞(")的值和频率
(") freq. (") freq. “I) freq. 。。(") freq.
10 1 29 1 50 3 88 5
15 1 31 7 53 4 91 1
18 6 34 6 61 4 99 2
23 17 42 9 72 6 107 2
26 6 45 3 80 16
虽然 +1猜想断言,所有整数 ”都有有限的总停止时间,但是关于有限总停止时
119
间的整数集合的密度迄今为止证明的最强结论比猜想要弱得多
定理 G(Grandal1).设
~total(x)=I{n:n z且盯∞(n)<∞'I,
则存在正常数 C4使得对所有充分大的 z都有
丌total(=)>z“.
假定3z+1猜想为真,我们可以考虑总停止时间函数 (”)的期望大小 (expectedsize)
的问题. Grandall[28】和 Shanks[60】用启发式概率讨论 (如前所述),猜想 ( 的平均
阶应该是 f 的一个常数倍,更确切地说,
壹 ” (h ·n z.
一 定量的经验数据支持这些猜想,见 【28】
2.6存在非平凡圈吗 ? 首先可以发现,如果函数定义域内允许负数,则存在其它
圈、从 n=一l出发有—个周期为 1的圈,从 ”=一5和n=一17出发分别有长度为3和
ll的圈. B6hm和 Sontacchi[13】猜想,这些圈连同从 =0和 n=1出发的圈就是迭代
T )作用于整数集 z所出现的全部圈、有几个作者提出了下述猜想 (【l3,28,41,6 4').
有限圈猜想. 函数 T(”)在定义域 z上迭代只有有限个不同的圈.
容易证明,对于任意给定长度 k,只有有限个整数 在 T迭代下是周期为 的.
BShm和 Sontacchi的讨论是很一般的、基本结论如下:
定理 H(Terraa).对于每一 ,存在由下式给出的有限界 M(K)
M(k)= max{~ Pi(口):口容许且 length( )= 日, (2.25)
使得当 M( )时 u(”) 蕴含u(n)= ( .因此
(i)若 ( 2 ,并且在 (2,26)中取 J
190737,ql4=1059737,于是得出结论:没有周期小于 275000的平凡圈.
(2.26)
l’ Dav s0Ⅱ【。9]将周期为 的纯周期轨道称为回路(circuit),如果存在 满足
珊 T(i+1)in0)> .·>T ( )= 0
即奇偶向量 v~(no)=( o(no),⋯ ,(z 一 (no))具有如下特殊形式
c珊 = 二
,
z
其中8=(1og2。)-’从 =1开始的圈是一个回路. Davidson发现指数丢番图方程
(2a+ 一3 )^ =2。一1,821
的每一个解生成一个满足 【 团=6和 no=2bh一1的长度为 =n+b的回路,反之亦
然. It,Steiner[61】证明(8,6,h)=(1,1,1)是 (2.28)的唯一解,从而证明了下述结论.
定理 J(Steiner). 构成回路的圈只有平凡臣. 一
定理 I,最显著的一点是,与证明所用方法之强大相比,其结论是如此之弱. 但定理
‘,的证明不是自费力气,它毕竟证明了对于形如 (2.27)的容许向量的无限集合,系数停
止时间猜想成立.
2.7存在发散轨道吗 ? 一些作者已经观察到,概率的启发性论证暗示发散轨道不
会出现,
发散轨道猜想.函数 T:z— z,没有发散轨道,即不存在 n0满足
IT‘ (n。)I=oo· (2.30)
如果发散轨道 ( ) ):0 n对所有 1}.由于 (n)=oo对所
有 ∈D,定理 F蕴含
. 1{ ∈Up:n≤霉}I c1z 一 , (2.32)
. 121 .
其中r/ 0.5004.粗略地讲, (2.32)表明发散轨道的元素趋于无限的速度不能 ‘呔慢”
2.8 3x+1问题与遍历理论的联系. 对测度空间上保测函数迭代的一般性质的研
究称为遍历理论 (ergodictheory).3z+1问胚与遍历理论有一些有趣的联系,因为函数
T可扩展为 2-adic整数 (定义了 2-adic测度)上的一个保测函数.为了说明这一点,
需要一些关于 2-adic整数 的基本事实,请参阅 【14,4 9】_2-adic整数由所有级数
‘
= 80+ a12+ cz22。+ .一
, a4=0或 1,
组成,其中 { :0 ∞)称为 a的 2-adic数字 (2。adic oliqits).定义 z2上的同余
(mod 2K),表为 a; (mod 2 ),若 a和 的前 K个 2-adic数字相同. 上的加法和
是
X=a+ {=争X(mod 2 )三a(mod 2 )+fl(mod,2 ),对一切 k
=a {=争 (mod 2k)三a(mod 2k).fl(mod2 ),对一切 k
上的2-adic赋值 l l2定义为 l 0l2=0和 l al2=2一 ,其中a≠0且 Ⅱ 是 a的第一个
非零2-adic数字.赋值 l l2诱导出 上的一个度量 d,定义为
d( , )=l0一 l2
作为拓扑空间, 邑 关于度量 d是紧的和完备的.该拓扑的一个开集基由关于 a半径为
2一 的 2-adic圆 (disk)给出 :
B (。)={ ∈ 2:a三 (mod 2 ))
最后,可以相应地定义 上的 2-adic测度 2使得
2(凤 (0))=2~,
特别地, 2(邑)=l_整数 z是 的一个子集,饲如
一 1= 1+ 1.2 4-1.22 4-
现在我们可以将 (2.1)定义的函数 T:Z— Z扩展到 T: 一邑 上,定义为
T㈤ =
一
a~-0 (ro
删
od 2)
.
,
遍历理论研究函数的迭代搅拌 (mix)一个测度空间子集的程度.我将使用以 为
测度的测度空间 上遍历理论的下列基本概念.一个保测函数 日:z2一 是遍历的
l22’ l
(ergodic)如果满足 日-1(E)=E的 z可测集合 E只有 和空集,即这种函数将空间
中的点搅拌得如此均匀,以致于没有非平凡的 一不动子集.可以证明 【39,P.36】遍历
性的一个等价条件是对于所有 卢∈ 和所有整数 ,z 0都有
恕 薹 0。)nB|㈣) ( )=2 +f)
该条件又等价于下述断言:对几乎所有 a∈ ,迭代序列
{ (a): 0,l,2,⋯ )
是均匀分布的 (rood 2 ),对所有 1.函数 日: 一 是强搅拌的 (Strongly m~ng)
如果对所有 a, ∈ 和 ,f兰0都有
Ⅳ
li
-.
m
∞
上2(丑。_Ⅳ(口 (a))n (卢)):2一f )
强搅拌函数是遍历的.
下述结论是 K.P.Matthews和 A.M.Watts[5o]的结论的一个特例.
定理 K. 映射 T是 z2的一个保测变换且是强搅拌的,从而 T是遍历的.因此对
几乎所有 a∈ ,序列
{TfD ): =0,1,2,⋯ }
是均匀分布的 (rood 2 ),对所有 L
由定理 K得不到 T在整数集 z上的任何特征,因为整数集 z是 的一个测度为
0的子集.因此,3z+l问题与遍历理论的这一联系似乎不能产生对 3。+1问题本身的
更深入的认识.
然而,3。"-I-1问题与遍历理论在 上存在另一种联系,它可能产生更多关于3。4-l
问题的信息.对每一 a∈ ,定义 o.1变量 为
‘)(d)= (rood 2)
现在定义函数口 : 一 为 口 (a)=卢,其中
卢=。0+Xl2-I-z22 +
因此,值 口一(a)反映了a在 T作用下的所有迭代特性,下述结论有几个人已经注意
到,包括 R.Terras和 C.Pomerance,但在此之前没有明确表述过.
定理 L_映射 口。。: 一 在 2-adic整数 上是连续的,1.1的,映上的和保测
的. 一
3z+l猜想可以用函数 口 重新表述如下.
123
3 十1猜想.(第三形式)以Ⅳ 表示正整数,则Q (Ⅳ ) ; .事实上Q (Ⅳ )
z — z.
例如,Q (1)=∑7_-02 “=-1/3,Q (2)=-2/3,Q (3):一20/3.
函数 Q 在迭代时的表现本身很有意思,令 Q2表示分母为奇数的所有有理数的集
合,所以 Q2 .集合 恰好由 2-adic展开式为有限的或最终为周期的那些 2-adic
整数组成.有限圈猜想等价于存在有限奇整数 ,使得
1
Q ( ) 五
』
作为进一步研究的假设,我提出下列猜想.
周期性猜想.Q.(Q2)=Q2.
例如,可以计算出Q (10)=-26/3,Q.(-26/3)=一54,Q (一54)=一82/7,Q (一82/7)
= ?/18.可以证明,若 n有发散轨道,则序列 ( 0( ), 1( ), 2( ,⋯)最终不可能是周
期的.因此,周期性猜想为真意味着发散轨遭猜想为真.
关于 Q 的迭代的不动点,定理 B有一个奇妙的推论.
定理 M. 设Q 的第k次迭代0望 有—个不动点a∈ ,且口不是任何Q(¨,1
l< ,的不动点,则 k是 2的方幂. ■
4 结束语.3 十1问题极其难解吗? 解决 3 +1问题的困难性似乎与这一事实有
关:即它是一个带有 “随机”特性的确定过程,我们面临如此困境.一方面,从该问题有
结构这一点看,我们可以对其作分析 —— 然而正是这种结构使得我们不能证明它具有
“随机”特性.另一方面,从该问题没有结构和 “随栅’看,我们无法分析,从而不能严
格证明任何东西.当然,发现 3 +1问题中隐藏的规律,并得以解决有关的一些猜想,
这种可能性是存在的.数论和遍历理论现有的—般方法似乎不能触动 3 +1问题.在这
种意义下,该问题目前还是难解的.确实,本文提出的所有猜想,目前似乎都超出人力
之所及,如果它们是真的,我想否定那些不对的倒有一丝机会.
如果 十1问题是难解的,为什么还要研究?下列格言是一个回答: “没有难题能
难到无法对它做出任何有趣的讨论的程度”.3z+1问题的研究已经揭示了一些有趣的现
象.我相信,对它的进一步研究会发现其它新的现象.它是衡量一般数学理论进展的一
个尺度.例如,将来解指数丢番图方程的深入发展也许会导致有限圈猜想的解决.
如果本文提出的所有猜想都是难解的,我们从何处着手研究这个使人误以为简单的
问题?作为进—步研究的一个引导,我只提出问题.下面是我想到的几个:对 3 十1问
题,假定存在发散轨遭,其元素增长的幅度有何限制?函数Q 有何有趣的性质?除了
递归定义 (2.33),是否存在 Q 的某种直接刻划 ?
参考文献 (略)
124 ·
(余敏安 译 叶顶峰 校)
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