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解法:MRDP定理:丢番图集合恰为递归可枚举集合(1970年)

第 9/9 步:结论:不存在判定丢番图方程可解性的算法
通俗地说

把一切结合起来:自停机程序的集合 KK(根据MRDP)是丢番图的,这意味着存在一个固定的多项式,通过某个方程的可解性,恰好捕捉了哪些程序会在自身上停机。如果存在一个判定丢番图可解性的通用算法,就可以把这个方程输入给它,并利用它的答案来判定停机问题——但图灵早在1936年就已经证明,不存在能做到这一点的算法。

因此,希尔伯特于1900年提出的、要求恰好这样一种算法的第十问题,有了一个明确的否定答案:判定丢番图可解性的算法根本不可能存在。

Halting problem≤mDiophantine solvability  ⟹  Hilbert’s tenth problem is undecidable\text{Halting problem} \le_m \text{Diophantine solvability} \implies \text{Hilbert's tenth problem is undecidable}
详细分析

把图灵1936年关于停机集合 KK 不可判定的结果与MRDP定理结合起来:KK 是递归可枚举的,因而是丢番图的,所以存在一个固定的多项式 PP,使得 e∈K  ⟺  ∃x1,…,xn P(e,x1,…,xn)=0e \in K \iff \exists x_1, \ldots, x_n\, P(e, x_1, \ldots, x_n) = 0。反证法假设存在一个通用算法 A\mathcal{A},能对任意多项式方程及其参数的任意取值,判定它是否有整数解。

那么把 A\mathcal{A} 应用到每个候选 ee 对应的 P(e,x1,…,xn)=0P(e, x_1, \ldots, x_n) = 0 上,就能对每个 ee 判定其是否属于 KK——这与图灵关于 KK 不可判定的定理相矛盾。因此这样的算法 A\mathcal{A} 不可能存在:希尔伯特第十问题正是要求恰好这样一种算法,而它有了一个确定的否定答案。

这个定理并不是说每一个具体方程都神秘莫测——线性方程、一元方程,以及(通过哈塞–闵可夫斯基原理)许多二次型仍然完全可判定——它只是说不存在单一的通用方法能够一次性处理所有多项式方程,从而终结了自1900年希尔伯特首次提出以来悬而未决长达七十年的问题。

本步骤用到的知识