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Hyper-Operator

Der Hyper-Operator ist eine Fortsetzung der herkömmlichen mathematischen Operatoren der Addition, Multiplikation und Potenzierung. Er dient zur kurzen Darstellung großer Zahlen wie Potenztürmen.

\operatorname {hyper}{\mathit {n}}(a,b)=\operatorname {hyper}(a,n,b)=a^{{(n)}}b=a\uparrow ^{{n-2}}b.

Inhaltsverzeichnis

Herleitung der Notation


Ausgehend von den Beobachtungen

definiert man rekursiv einen dreistelligen Operator (mit a,b,n\geq 0)

a^{{(n)}}b:={\begin{cases}b+1,&{\text{wenn }}n=0\\a,&{\text{wenn }}n=1,b=0\\0,&{\text{wenn }}n=2,b=0\\1,&{\text{wenn }}n>2,b=0\\a^{{(n-1)}}\left(a^{{(n)}}(b-1)\right)&{\text{sonst}}\end{cases}}

und führt folgende Bezeichnungen ein:

\operatorname {hyper}{\mathit {n}}(a,b)=\operatorname {hyper}(a,n,b)=a^{{(n)}}b.

(Zu beachten ist bei dieser Schreibweise, dass die Zusammenschreibung von {\displaystyle a^{(n)}} und b keine Multiplikation darstellt, also jede tatsächlich vorkommende Multiplikation mit dem expliziten Operator \cdot zu notieren ist. Ebenso ist {\displaystyle a^{(n)}} keine Potenzierung. Die Verwendung der Notation {\displaystyle \operatorname {hyper} (a,n,b)} schließt demgegenüber solche Verwechslungsmöglichkeiten aus.)

Somit ist hyper1 die Addition, hyper2 die Multiplikation und hyper3 die Potenzierung. hyper4 wird auch bezeichnet als Tetration oder Superpotenz und kann folgendermaßen notiert werden:

\operatorname {hyper4}(a,b)={}^{{b}}a.

Allgemeinverständlicher könnte man auch sagen: Schreibe die Zahl a b-mal hintereinander und füge jeweils dazwischen den Operator eine Stufe tiefer ein.

Die Familie wurde für n>3 nicht für reelle Zahlen erweitert, weil es mehrere „offensichtliche“ Wege dazu gibt, die jedoch nicht assoziativ sind.

Knuths Pfeilnotation


Eine andere Schreibweise für den Hyperoperator wurde von Donald Knuth entwickelt, welche als Pfeilnotation bekannt ist. Die Definition ist

a\underbrace {\uparrow \dotsb \uparrow }_{{k{\mbox{ mal}}}}b:=\left\{{\begin{matrix}a^{b}&{\mbox{falls }}k=1\\\underbrace {a\underbrace {\uparrow \dotsb \uparrow }_{{k-1{\mbox{ mal}}}}a\underbrace {\uparrow \dotsb \uparrow }_{{k-1{\mbox{ mal}}}}\dotsb \underbrace {\uparrow \dotsb \uparrow }_{{k-1{\mbox{ mal}}}}a}_{{b{\mbox{ mal}}}}&{\mbox{sonst}}\end{matrix}}\right.

Eine andere Notation verwendet statt des Pfeils \uparrow das Zeichen {\hat {{\hbox{ }}}}. Mit der Definition gilt gerade

a\underbrace {\uparrow \dotsb \uparrow }_{{n{\mbox{ mal}}}}b=a\underbrace {{\hat {{\hbox{ }}}}\dotsb {\hat {{\hbox{ }}}}}_{{n{\mbox{ mal}}}}b=\operatorname {hyper}(a,n+2,b)=a^{{(n+2)}}b.

Diese Notation wird für die Darstellung von sehr großen Zahlen wie etwa Grahams Zahl benutzt.

Eine andere Erweiterung


Es gibt eine andere Möglichkeit, aus den Vorgaben eine allgemeinere Definition der Verknüpfung zu erhalten, denn es gilt auch

weil die Verknüpfungen + und \cdot kommutativ sind. Daraus ergibt sich die Definition

a_{{(n)}}b:={\begin{cases}a+b,&{\text{wenn }}n=1\\0,&{\text{wenn }}n=2,b=0\\1,&{\text{wenn }}n>2,b=0\\\left(a_{{(n)}}(b-1)\right)_{{(n-1)}}a,&{\text{sonst.}}\end{cases}}

Diese Notation „kollabiert“ jedoch für n=4; sie ergibt im Gegensatz zu hyper4 keinen Potenzturm mehr:

a_{{(4)}}b=a^{{\left(a^{{(b-1)}}\right)}}

Wie können sich a^{{(n)}}b und a_{{(n)}}b plötzlich für n>3 unterscheiden? Das liegt an der Assoziativität, einer Eigenschaft, die die Operatoren + und \cdot besitzen (siehe auch Körper), die aber dem Potenz-Operator fehlt. (Im Allgemeinen ist a^{{b^{c}}}=a^{{(b^{c})}}\neq (a^{b})^{c}=a^{{b\cdot c}}.)

Die anderen Ebenen kollabieren nicht auf diese Weise, weshalb auch diese Operatorenfamilie, genannt „niedere Hyper-Operatoren“ von Interesse ist.

Beispiele


Addition

3^{{(1)}}3=3+3=6.

Multiplikation

{\displaystyle 3^{(2)}3=3\cdot 3=3^{(1)}3^{(1)}3=3+3+3=9.}

Potenzierung

{\displaystyle 3^{(3)}3=3^{3}=3^{(2)}3^{(2)}3=3\cdot 3\cdot 3=27.}

Tetration

{\begin{aligned}3^{{(4)}}3&=3^{{3^{{3}}}}\\&=3^{{(3)}}(3^{{(4)}}2)\\&=3^{{(3)}}(3^{{(3)}}(3^{{(4)}}1))\\&=3^{{(3)}}(3^{{(3)}}(3^{{(3)}}(3^{{(4)}}0)))\\&=3^{{(3)}}(3^{{(3)}}(3^{{(3)}}1))\\&=3^{{3^{{3^{{1}}}}}}\\&=3^{{27}}\\&=7.625.597.484.987.\end{aligned}}

Zu beachten ist hier, dass 3^{{3^{{3}}}}=3^{{(3^{{3}})}} gilt, siehe hierzu auch bei Potenzturm.

Weblinks (englisch)





Kategorien: Potenz (Mathematik)



Quelle: Wikipedia - https://de.wikipedia.org/wiki/Hyper-Operator (Autoren [Versionsgeschichte])    Lizenz: CC-by-sa-3.0

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