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解法: MRDP定理:ディオファントス集合は帰納的可算集合と一致する(1970年)

ステップ 7/9: 連鎖の完成:MRDP定理
ざっくり言うと

フィボナッチの成長エンジンがついにディオファントスであると証明されたことで、JR仮説からのRobinsonの以前のブートストラップの仕組みがすべて一挙に作動する:まず単純なべき乗 y=2xy = 2^x がディオファントスになり、次に二項係数、そして階乗が続く。

これらの道具を手にすれば、任意のコンピュータプログラムの段階的な実行全体——そのメモリと命令ポインタの各スナップショットを、これらの急速に増大する数で添字付けする——をディオファントス的に符号化でき、帰納的可算集合がちょうどディオファントス集合であることの証明を完成させる。これはまさにDavisの1953年の予想と正確に一致する。この統合された結果は今、Martin Davis、Hilary Putnam、Julia Robinson、Yuri MatiyasevichにちなんでMRDP定理と呼ばれている。

y=2x, (nk), n! all Diophantine  ⟹  every r.e. set is Diophantine (MRDP theorem)y = 2^x,\ \binom{n}{k},\ n! \text{ all Diophantine} \implies \text{every r.e. set is Diophantine (MRDP theorem)}
詳しい解説

v=F2uv = F_{2u} がディオファントスであることが分かった(ステップ6)ことで、ステップ4のRobinsonのJR機構が次々と発動する:べき乗 y=2xy = 2^x がディオファントスになり(本質的には 22 のべき乗を、必要な成長率を持つフィボナッチ型の漸化式に関連付けることによる)、次に二項係数関数 (nk)\binom{n}{k}(べき乗に帰着できる母関数の恒等式による)、そして階乗関数 n!n! である。

階乗とべき乗の両方がディオファントスになったことで、Turingマシンの構成全体の履歴——各時刻におけるテープの内容、ヘッド位置、内部状態——を、ゲーデル流の番号付けスキームによって一つの大きな数として符号化でき、「この数はマシン ee が入力 aa 上で行う有効な停止計算を符号化している」を aa と ee についてのディオファントス条件として表現できる。これにより、すべての帰納的可算集合がディオファントスであることが示され、Davisの1953年の予想と正確に一致する。

ステップ2の容易な方向(ディオファントス   ⟹  \implies r.e.)と合わせると、これはMRDP定理を確立する:帰納的可算集合とディオファントス集合はちょうど同じクラスである。最後のステップでは、この同値性を用いてヒルベルトの第十問題の否定的な答えを導く。

このステップで使う知識