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  <title>MathML Test : Goodstein's sequences</title>
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  <meta name="generator" content="Amaya, see http://www.w3.org/Amaya/" />
  <meta name="author" content="Frederic WANG" />
</head>

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<p><a href="index.xml#examples">Back to home</a></p>

<h1>MathML Test : Goodstein's sequences</h1>

<div class="toc">
<ul>
  <li><a href="#L33">1. Introduction</a> </li>
  <li><a href="#L1619">2. Study of Goodstein's sequences</a> </li>
  <li><a href="#L5258">3. Proof of Goodstein Theorem</a> </li>
  <li><a href="#L5262">4. References</a></li>
</ul>
</div>

<h2 id="L33">1. Introduction</h2>

<p>The sequences we are going to study grow very fastly and get values so
high that they are hardly computable by a machine. Using Zermelo-Frankel
Theory, Goodstein established that these sequences finally fall down to zero.
Moreover, Kirby and Paris showed later that this result is undecidable in
Peano arithmetic.</p>

<h4 id="L37">1.1. Hereditary base-b notation</h4>

<p>Goodstein's sequences are defined using the concept of <em>hereditary
base-b notation iterated</em>. It is well known that for all <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <mi>n</mi>
    <mo>&Element;</mo>
    <mrow>
      <mi>&Nopf;</mi>
    </mrow>
  </mrow>
</math> and a base <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <mi>b</mi>
    <mo>&GreaterEqual;</mo>
    <mn>2</mn>
  </mrow>
</math> you can find a base-b decomposition of <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>n</mi>
</math>:</p>

<p style="text-align: center;"><math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>n</mi>
  <mo>=</mo>
  <munderover>
    <mo>&Sum;</mo>
    <mrow>
      <mi>i</mi>
      <mo>=</mo>
      <mn>0</mn>
    </mrow>
    <mi>k</mi>
  </munderover>
  <msub>
    <mi>a</mi>
    <mi>i</mi>
  </msub>
  <msup>
    <mi>b</mi>
    <mi>i</mi>
  </msup>
</math></p>

<p>This notation can be made unique if you add conditions on <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>k</mi>
</math> (for instance <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>k</mi>
</math> the least possible). Now the hereditary base-b notation of <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>n</mi>
</math> is defined in the same way, but you recursively apply this notation
to the exponents <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>i</mi>
</math>. Because the numbers are strictly decreasing at each level, there is
only a finite number of steps to decompose <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>n</mi>
</math>. For instance, the base-3 notation and the heriditary base-3 notation
of 123456789 are:</p>

<p><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mn>123456789</mn>
  <mo>=</mo>
  <mrow>
    <mrow>
      <mn>2</mn>
      <mo>&times;</mo>
      <msup>
        <mn>3</mn>
        <mn>16</mn>
      </msup>
    </mrow>
    <mo>+</mo>
    <mrow>
      <mn>2</mn>
      <mo>&times;</mo>
      <msup>
        <mn>3</mn>
        <mn>15</mn>
      </msup>
    </mrow>
    <mo>+</mo>
    <mrow>
      <mn>1</mn>
      <mo>&times;</mo>
      <msup>
        <mn>3</mn>
        <mn>14</mn>
      </msup>
    </mrow>
    <mo>+</mo>
    <mrow>
      <mn>2</mn>
      <mo>&times;</mo>
      <msup>
        <mn>3</mn>
        <mn>13</mn>
      </msup>
    </mrow>
    <mo>+</mo>
    <mrow>
      <mn>1</mn>
      <mo>&times;</mo>
      <msup>
        <mn>3</mn>
        <mn>12</mn>
      </msup>
    </mrow>
    <mo>+</mo>
    <mrow>
      <mn>2</mn>
      <mo>&times;</mo>
      <msup>
        <mn>3</mn>
        <mn>10</mn>
      </msup>
    </mrow>
    <mo>+</mo>
    <mrow>
      <mn>2</mn>
      <mo>&times;</mo>
      <msup>
        <mn>3</mn>
        <mn>9</mn>
      </msup>
    </mrow>
    <mo>+</mo>
    <mrow>
      <mn>2</mn>
      <mo>&times;</mo>
      <msup>
        <mn>3</mn>
        <mn>7</mn>
      </msup>
    </mrow>
    <mo>+</mo>
    <mrow>
      <mn>2</mn>
      <mo>&times;</mo>
      <msup>
        <mn>3</mn>
        <mn>5</mn>
      </msup>
    </mrow>
    <mo>+</mo>
    <mrow>
      <mn>1</mn>
      <mo>&times;</mo>
      <msup>
        <mn>3</mn>
        <mn>4</mn>
      </msup>
    </mrow>
    <mo>+</mo>
    <mrow>
      <mn>2</mn>
      <mo>&times;</mo>
      <msup>
        <mn>3</mn>
        <mn>3</mn>
      </msup>
    </mrow>
    <mo>+</mo>
    <mrow>
      <mn>2</mn>
      <mo>&times;</mo>
      <msup>
        <mn>3</mn>
        <mn>2</mn>
      </msup>
    </mrow>
  </mrow>
</math></p>

<p><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mn>123456789</mn>
  <mo>=</mo>
  <mn>2</mn>
  <mo>.</mo>
  <msup>
    <mn>3</mn>
    <mrow>
      <msup>
        <mn>3</mn>
        <mn>2</mn>
      </msup>
      <mo>+</mo>
      <mn>2</mn>
      <mo>.</mo>
      <msup>
        <mn>3</mn>
        <mn>1</mn>
      </msup>
      <mo>+</mo>
      <mn>1</mn>
    </mrow>
  </msup>
  <mo>+</mo>
  <mn>2</mn>
  <mo>.</mo>
  <msup>
    <mn>3</mn>
    <mrow>
      <msup>
        <mn>3</mn>
        <mn>2</mn>
      </msup>
      <mo>+</mo>
      <mn>2.3</mn>
    </mrow>
  </msup>
  <mo>+</mo>
  <msup>
    <mn>3</mn>
    <mrow>
      <msup>
        <mn>3</mn>
        <mn>2</mn>
      </msup>
      <mo>+</mo>
      <msup>
        <mn>3</mn>
        <mn>1</mn>
      </msup>
      <mo>+</mo>
      <mn>2</mn>
    </mrow>
  </msup>
  <mo>+</mo>
  <mn>2</mn>
  <mo>.</mo>
  <msup>
    <mn>3</mn>
    <mrow>
      <msup>
        <mn>3</mn>
        <mn>2</mn>
      </msup>
      <mo>+</mo>
      <msup>
        <mn>3</mn>
        <mn>1</mn>
      </msup>
      <mo>+</mo>
      <mn>1</mn>
    </mrow>
  </msup>
  <mo>+</mo>
  <msup>
    <mn>3</mn>
    <mrow>
      <msup>
        <mn>3</mn>
        <mn>2</mn>
      </msup>
      <mo>+</mo>
      <msup>
        <mn>3</mn>
        <mn>1</mn>
      </msup>
    </mrow>
  </msup>
  <mo>+</mo>
  <mn>2</mn>
  <mo>.</mo>
  <msup>
    <mn>3</mn>
    <mrow>
      <msup>
        <mn>3</mn>
        <mn>2</mn>
      </msup>
      <mo>+</mo>
      <mn>1</mn>
    </mrow>
  </msup>
  <mo>+</mo>
  <mn>2</mn>
  <mo>.</mo>
  <msup>
    <mn>3</mn>
    <msup>
      <mn>3</mn>
      <mn>2</mn>
    </msup>
  </msup>
  <mo>+</mo>
  <mn>2</mn>
  <mo>.</mo>
  <msup>
    <mn>3</mn>
    <mrow>
      <msup>
        <mn>2.3</mn>
        <mn>1</mn>
      </msup>
      <mo>+</mo>
      <mn>1</mn>
    </mrow>
  </msup>
  <mo>+</mo>
  <mn>2</mn>
  <mo>.</mo>
  <msup>
    <mn>3</mn>
    <mrow>
      <msup>
        <mn>3</mn>
        <mn>1</mn>
      </msup>
      <mo>+</mo>
      <mn>2</mn>
    </mrow>
  </msup>
  <mo>+</mo>
  <msup>
    <mn>3</mn>
    <mrow>
      <msup>
        <mn>3</mn>
        <mn>1</mn>
      </msup>
      <mo>+</mo>
      <mn>1</mn>
    </mrow>
  </msup>
  <mo>+</mo>
  <mn>2</mn>
  <mo>.</mo>
  <msup>
    <mn>3</mn>
    <msup>
      <mn>3</mn>
      <mn>1</mn>
    </msup>
  </msup>
  <mo>+</mo>
  <mn>2</mn>
  <mo>.</mo>
  <msup>
    <mn>3</mn>
    <mn>2</mn>
  </msup>
</math></p>

<h4 id="L622">Definition 1.2 (Goodstein's sequences)</h4>

<p>For all bases <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mi>b</mi>
    <mn>1</mn>
  </msub>
  <mo>,</mo>
  <msub>
    <mi>b</mi>
    <mn>2</mn>
  </msub>
  <mo>&GreaterEqual;</mo>
  <mn>2</mn>
</math>, we define <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <msub>
      <mi>R</mi>
      <mrow>
        <msub>
          <mi>b</mi>
          <mn>1</mn>
        </msub>
        <mo>,</mo>
        <msub>
          <mi>b</mi>
          <mn>2</mn>
        </msub>
      </mrow>
    </msub>
    <mo>:</mo>
    <mi>&Nopf;</mi>
    <mo>&RightArrow;</mo>
    <mi>&Nopf;</mi>
  </mrow>
</math> the function such that <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mi>R</mi>
    <mrow>
      <msub>
        <mi>b</mi>
        <mn>1</mn>
      </msub>
      <mo>,</mo>
      <msub>
        <mi>b</mi>
        <mn>2</mn>
      </msub>
    </mrow>
  </msub>
  <mo>&ApplyFunction;</mo>
  <mrow>
    <mo>(</mo>
    <mi>n</mi>
    <mo>)</mo>
  </mrow>
</math> is the number you get when you replace each occurence of <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mi>b</mi>
    <mn>1</mn>
  </msub>
</math> by <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mi>b</mi>
    <mn>2</mn>
  </msub>
</math> in the hereditary base-<math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mi>b</mi>
    <mn>1</mn>
  </msub>
</math> notation of <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>n</mi>
</math>. For the sake of completeness, we take <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mi>R</mi>
    <mrow>
      <msub>
        <mi>b</mi>
        <mn>1</mn>
      </msub>
      <mo>,</mo>
      <msub>
        <mi>b</mi>
        <mn>2</mn>
      </msub>
    </mrow>
  </msub>
  <mo>&ApplyFunction;</mo>
  <mrow>
    <mo>(</mo>
    <mn>0</mn>
    <mo>)</mo>
  </mrow>
  <mo>=</mo>
  <mn>0</mn>
</math>.</p>

<p>For all <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <mi>a</mi>
    <mo>&Element;</mo>
    <mi>&Nopf;</mi>
  </mrow>
</math> and <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mi>n</mi>
    <mn>0</mn>
  </msub>
  <mrow>
    <mo>&GreaterEqual;</mo>
    <mn>2</mn>
  </mrow>
</math> we define the sequence <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mrow>
      <mo>(</mo>
      <mrow>
        <msub>
          <msup>
            <mi>g</mi>
            <mrow>
              <mi>a</mi>
              <mo>,</mo>
              <msub>
                <mi>n</mi>
                <mn>0</mn>
              </msub>
            </mrow>
          </msup>
          <mi>n</mi>
        </msub>
      </mrow>
      <mo>)</mo>
    </mrow>
    <mrow>
      <mi>n</mi>
      <mo>&GreaterEqual;</mo>
      <msub>
        <mi>n</mi>
        <mn>0</mn>
      </msub>
    </mrow>
  </msub>
</math> by:</p>
<ul>
  <li><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
      <msub xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
        <msup>
          <mi>g</mi>
          <mrow>
            <mi>a</mi>
            <mo>,</mo>
            <msub>
              <mi>n</mi>
              <mn>0</mn>
            </msub>
          </mrow>
        </msup>
        <msub>
          <mi>n</mi>
          <mn>0</mn>
        </msub>
      </msub>
      <mo>=</mo>
      <mi>a</mi>
    </math></li>
  <li><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
      <mrow>
        <mo>&ForAll;</mo>
        <mrow>
          <mi>n</mi>
          <mo>&GreaterEqual;</mo>
          <msub>
            <mi>n</mi>
            <mn>0</mn>
          </msub>
        </mrow>
        <mo>,</mo>
        <mrow>
          <msub xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
            <msup>
              <mi>g</mi>
              <mrow>
                <mi>a</mi>
                <mo>,</mo>
                <msub>
                  <mi>n</mi>
                  <mn>0</mn>
                </msub>
              </mrow>
            </msup>
            <mrow>
              <mi>n</mi>
              <mo>+</mo>
              <mn>1</mn>
            </mrow>
          </msub>
          <mo>=</mo>
        </mrow>
      </mrow>
      <mrow>
        <mo>{</mo>
        <mrow>
          <mtable>
            <mtr>
              <mtd>
                <msub xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
                  <mi>R</mi>
                  <mrow>
                    <mi>n</mi>
                    <mo>,</mo>
                    <mi>n</mi>
                    <mo>+</mo>
                    <mn>1</mn>
                  </mrow>
                </msub>
                <mo>&ApplyFunction;</mo>
                <mrow>
                  <mo>(</mo>
                  <mrow>
                    <msub xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
                      <msup>
                        <mi>g</mi>
                        <mrow>
                          <mi>a</mi>
                          <mo>,</mo>
                          <msub>
                            <mi>n</mi>
                            <mn>0</mn>
                          </msub>
                        </mrow>
                      </msup>
                      <mi>n</mi>
                    </msub>
                  </mrow>
                  <mo>)</mo>
                </mrow>
                <mo>&minus;</mo>
                <mn>1</mn>
                <mo>&nbsp;</mo>
                <mtext>if</mtext>
                <mo>&nbsp;</mo>
                <mrow>
                  <mrow>
                    <msub xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
                      <msup>
                        <mi>g</mi>
                        <mrow>
                          <mi>a</mi>
                          <mo>,</mo>
                          <msub>
                            <mi>n</mi>
                            <mn>0</mn>
                          </msub>
                        </mrow>
                      </msup>
                      <mi>n</mi>
                    </msub>
                  </mrow>
                  <mo>&NotEqual;</mo>
                  <mn>0</mn>
                </mrow>
              </mtd>
            </mtr>
            <mtr>
              <mtd>
                <mn>0</mn>
                <mspace width=".2em"/>
                <mtext>otherwise</mtext>
              </mtd>
            </mtr>
          </mtable>
        </mrow>
      </mrow>
    </math></li>
</ul>

<p>For <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mi>n</mi>
    <mn>0</mn>
  </msub>
  <mo>=</mo>
  <mn>2</mn>
</math>, we write<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mrow>
      <mo>(</mo>
      <mrow>
        <msub>
          <msup>
            <mi>g</mi>
            <mi>a</mi>
          </msup>
          <mi>n</mi>
        </msub>
      </mrow>
      <mo>)</mo>
    </mrow>
    <mrow>
      <mi>n</mi>
      <mo>&GreaterEqual;</mo>
      <mn>2</mn>
    </mrow>
  </msub>
</math> and call them Goodstein's sequences.</p>

<h4 id="L1170">1.3. Trivial cases</h4>

<p>Goodstein's Theorem is trivial for <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>a</mi>
  <mo>=</mo>
  <mn>0,1,2,3</mn>
</math>:</p>

<table border="1">
  <tbody>
    <tr>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mi>n</mi>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mi>a</mi>
          <mo>=</mo>
          <mn>0</mn>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mi>a</mi>
          <mo>=</mo>
          <mn>1</mn>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mi>a</mi>
          <mo>=</mo>
          <mn>2</mn>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mi>a</mi>
          <mo>=</mo>
          <mn>3</mn>
        </math></td>
    </tr>
    <tr>
      <td>2</td>
      <td>0</td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mn>1</mn>
          <mo>=</mo>
          <mn>1</mn>
          <mo>.</mo>
          <msup>
            <mn>2</mn>
            <mn>0</mn>
          </msup>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mn>2</mn>
          <mo>=</mo>
          <msup>
            <mn>2</mn>
            <mn>1</mn>
          </msup>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mn>3</mn>
          <mo>=</mo>
          <msup>
            <mn>2</mn>
            <mn>1</mn>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mn>1</mn>
        </math></td>
    </tr>
    <tr>
      <td>3</td>
      <td>0</td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mn>1</mn>
          <mo>.</mo>
          <msup>
            <mn>3</mn>
            <mn>0</mn>
          </msup>
          <mo>&minus;</mo>
          <mn>1</mn>
          <mo>=</mo>
          <mn>0</mn>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <msup>
            <mn>3</mn>
            <mn>1</mn>
          </msup>
          <mo>&minus;</mo>
          <mn>1</mn>
          <mo>=</mo>
          <mn>2</mn>
          <mo>.</mo>
          <msup>
            <mn>3</mn>
            <mn>0</mn>
          </msup>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <msup>
            <mn>3</mn>
            <mn>1</mn>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mn>1</mn>
          <mo>&minus;</mo>
          <mn>1</mn>
          <mo>=</mo>
          <msup>
            <mn>3</mn>
            <mn>1</mn>
          </msup>
        </math></td>
    </tr>
    <tr>
      <td>4</td>
      <td>...</td>
      <td>0</td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mn>2</mn>
          <mo>.</mo>
          <msup>
            <mn>4</mn>
            <mn>0</mn>
          </msup>
          <mo>&minus;</mo>
          <mn>1</mn>
          <mo>=</mo>
          <mn>1</mn>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <msup>
            <mn>4</mn>
            <mn>1</mn>
          </msup>
          <mo>&minus;</mo>
          <mn>1</mn>
          <mo>=</mo>
          <mn>3</mn>
          <mo>.</mo>
          <msup>
            <mn>4</mn>
            <mn>0</mn>
          </msup>
        </math></td>
    </tr>
    <tr>
      <td>5</td>
      <td>...</td>
      <td>0</td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mn>1</mn>
          <mo>.</mo>
          <msup>
            <mn>5</mn>
            <mn>0</mn>
          </msup>
          <mo>&minus;</mo>
          <mn>1</mn>
          <mo>=</mo>
          <mn>0</mn>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mn>3</mn>
          <mo>.</mo>
          <msup>
            <mn>5</mn>
            <mn>0</mn>
          </msup>
          <mo>&minus;</mo>
          <mn>1</mn>
          <mo>=</mo>
          <mn>2</mn>
          <mo>.</mo>
          <msup>
            <mn>5</mn>
            <mn>0</mn>
          </msup>
        </math></td>
    </tr>
    <tr>
      <td>6</td>
      <td>...</td>
      <td>...</td>
      <td>0</td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mn>2</mn>
          <mo>.</mo>
          <msup>
            <mn>6</mn>
            <mn>0</mn>
          </msup>
          <mo>&minus;</mo>
          <mn>1</mn>
          <mo>=</mo>
          <mn>1</mn>
          <mo>.</mo>
          <msup>
            <mn>6</mn>
            <mn>0</mn>
          </msup>
        </math></td>
    </tr>
    <tr>
      <td>7</td>
      <td>...</td>
      <td>...</td>
      <td>0</td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <msup>
            <mn>1.7</mn>
            <mn>0</mn>
          </msup>
          <mo>&minus;</mo>
          <mn>1</mn>
          <mo>=</mo>
          <mn>0</mn>
        </math></td>
    </tr>
    <tr>
      <td>...</td>
      <td>...</td>
      <td>...</td>
      <td>...</td>
      <td>...</td>
    </tr>
  </tbody>
</table>

<h2 id="L1619">2. Study of Goodstein's sequences</h2>

<h3 id="L1621">2.1. Examples</h3>

<p>For <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <mi>a</mi>
    <mo>&GreaterEqual;</mo>
    <mn>4</mn>
  </mrow>
</math>, the first values of the Goostein's sequence are not enough to see
whether they reach zero:</p>

<table border="1">
  <tbody>
    <tr>
      <td>n</td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mi>a</mi>
          <mo>=</mo>
          <mn>4</mn>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mi>a</mi>
          <mo>=</mo>
          <mn>5</mn>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mi>a</mi>
          <mo>=</mo>
          <mn>6</mn>
        </math></td>
    </tr>
    <tr>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mn>2</mn>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mn>4</mn>
          <mo>=</mo>
          <msup>
            <mn>2</mn>
            <msup>
              <mn>2</mn>
              <mn>1</mn>
            </msup>
          </msup>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mn>5</mn>
          <mo>=</mo>
          <msup>
            <mn>2</mn>
            <msup>
              <mn>2</mn>
              <mn>1</mn>
            </msup>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mn>1</mn>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mn>6</mn>
          <mo>=</mo>
          <msup>
            <mn>2</mn>
            <msup>
              <mn>2</mn>
              <mn>1</mn>
            </msup>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <msup>
            <mn>2</mn>
            <mn>1</mn>
          </msup>
        </math></td>
    </tr>
    <tr>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mn>3</mn>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <msup>
            <mn>3</mn>
            <msup>
              <mn>3</mn>
              <mn>1</mn>
            </msup>
          </msup>
          <mo>&minus;</mo>
          <mn>1</mn>
          <mo>=</mo>
          <mn>2</mn>
          <mo>.</mo>
          <msup>
            <mn>3</mn>
            <mn>2</mn>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mn>2</mn>
          <mo>.</mo>
          <msup>
            <mn>3</mn>
            <mn>1</mn>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mn>2</mn>
          <mo>=</mo>
          <mn>26</mn>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <msup>
            <mn>3</mn>
            <msup>
              <mn>3</mn>
              <mn>1</mn>
            </msup>
          </msup>
          <mo>=</mo>
          <mn>27</mn>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <msup>
            <mn>3</mn>
            <msup>
              <mn>3</mn>
              <mn>1</mn>
            </msup>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <msup>
            <mn>3</mn>
            <mn>1</mn>
          </msup>
          <mo>&minus;</mo>
          <mn>1</mn>
          <mo>=</mo>
          <msup>
            <mn>3</mn>
            <msup>
              <mn>3</mn>
              <mn>1</mn>
            </msup>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mn>2</mn>
          <mo>=</mo>
          <mn>29</mn>
        </math></td>
    </tr>
    <tr>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mn>4</mn>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mn>2</mn>
          <mo>.</mo>
          <msup>
            <mn>4</mn>
            <mn>2</mn>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mn>2</mn>
          <mo>.</mo>
          <msup>
            <mn>4</mn>
            <mn>1</mn>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mn>1</mn>
          <mo>=</mo>
          <mn>41</mn>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <msup>
            <mn>4</mn>
            <msup>
              <mn>4</mn>
              <mn>1</mn>
            </msup>
          </msup>
          <mo>&minus;</mo>
          <mn>1</mn>
          <mo>=</mo>
          <mn>3</mn>
          <mo>.</mo>
          <msup>
            <mn>4</mn>
            <mn>3</mn>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mn>3</mn>
          <mo>.</mo>
          <msup>
            <mn>4</mn>
            <mn>2</mn>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mn>3.4</mn>
          <mo>+</mo>
          <mn>3</mn>
          <mo>=</mo>
          <mn>255</mn>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <msup>
            <mn>4</mn>
            <msup>
              <mn>4</mn>
              <mn>1</mn>
            </msup>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mn>1</mn>
          <mo>=</mo>
          <mn>257</mn>
        </math></td>
    </tr>
    <tr>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mn>5</mn>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mn>2</mn>
          <mo>.</mo>
          <msup>
            <mn>5</mn>
            <mn>2</mn>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mn>2</mn>
          <mo>.</mo>
          <msup>
            <mn>5</mn>
            <mn>1</mn>
          </msup>
          <mo>=</mo>
          <mn>60</mn>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mn>3</mn>
          <mo>.</mo>
          <msup>
            <mn>5</mn>
            <mn>3</mn>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mn>3</mn>
          <mo>.</mo>
          <msup>
            <mn>5</mn>
            <mn>2</mn>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mn>3.5</mn>
          <mo>+</mo>
          <mn>2</mn>
          <mo>=</mo>
          <mn>467</mn>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <msup>
            <mn>5</mn>
            <msup>
              <mn>5</mn>
              <mn>1</mn>
            </msup>
          </msup>
          <mo>=</mo>
          <mn>3125</mn>
        </math></td>
    </tr>
    <tr>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mn>6</mn>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mn>2</mn>
          <mo>.</mo>
          <msup>
            <mn>6</mn>
            <mn>2</mn>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mn>2</mn>
          <mo>.</mo>
          <msup>
            <mn>6</mn>
            <mn>1</mn>
          </msup>
          <mo>&minus;</mo>
          <mn>1</mn>
          <mo>=</mo>
          <mn>2</mn>
          <mo>.</mo>
          <msup>
            <mn>6</mn>
            <mn>2</mn>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <msup>
            <mn>6</mn>
            <mn>1</mn>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mn>5</mn>
          <mo>=</mo>
          <mn>83</mn>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mn>3</mn>
          <mo>.</mo>
          <msup>
            <mn>6</mn>
            <mn>3</mn>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mn>3</mn>
          <mo>.</mo>
          <msup>
            <mn>6</mn>
            <mn>2</mn>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mn>3.6</mn>
          <mo>+</mo>
          <mn>1</mn>
          <mo>=</mo>
          <mn>775</mn>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <msup>
            <mn>6</mn>
            <msup>
              <mn>6</mn>
              <mn>1</mn>
            </msup>
          </msup>
          <mo>&minus;</mo>
          <mn>1</mn>
          <mo>=</mo>
          <mn>5</mn>
          <mo>.</mo>
          <msup>
            <mn>6</mn>
            <mn>5</mn>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mn>5</mn>
          <mo>.</mo>
          <msup>
            <mn>6</mn>
            <mn>4</mn>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mn>5</mn>
          <mo>.</mo>
          <msup>
            <mn>6</mn>
            <mn>3</mn>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mn>5</mn>
          <mo>.</mo>
          <msup>
            <mn>6</mn>
            <mn>2</mn>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mn>5</mn>
          <mo>.</mo>
          <msup>
            <mn>6</mn>
            <mn>1</mn>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mn>5</mn>
          <mo>=</mo>
          <mn>46655</mn>
        </math></td>
    </tr>
    <tr>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mn>7</mn>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mn>2</mn>
          <mo>.</mo>
          <msup>
            <mn>7</mn>
            <mn>2</mn>
          </msup>
          <msup>
            <mrow>
              <mo>+</mo>
              <mn>7</mn>
            </mrow>
            <mn>1</mn>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mn>4</mn>
          <mo>=</mo>
          <mn>109</mn>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mn>3</mn>
          <mo>.</mo>
          <msup>
            <mn>7</mn>
            <mn>3</mn>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mn>3</mn>
          <mo>.</mo>
          <msup>
            <mn>7</mn>
            <mn>2</mn>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mn>3.7</mn>
          <mo>=</mo>
          <mn>1197</mn>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mn>5</mn>
          <mo>.</mo>
          <msup>
            <mn>7</mn>
            <mn>5</mn>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mn>5</mn>
          <mo>.</mo>
          <msup>
            <mn>7</mn>
            <mn>4</mn>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mn>5</mn>
          <mo>.</mo>
          <msup>
            <mn>7</mn>
            <mn>3</mn>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mn>5</mn>
          <mo>.</mo>
          <msup>
            <mn>7</mn>
            <mn>2</mn>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mn>5</mn>
          <mo>.</mo>
          <msup>
            <mn>7</mn>
            <mn>1</mn>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mn>4</mn>
          <mo>=</mo>
          <mn>98039</mn>
        </math></td>
    </tr>
  </tbody>
</table>

<h3 id="L2505">Proposition 2.2</h3>

<p>For all <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <mfenced xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
      <mi>a</mi>
      <mi>b</mi>
      <mi>c</mi>
    </mfenced>
    <mo>&Element;</mo>
    <msup>
      <mi>&Nopf;</mi>
      <mn>3</mn>
    </msup>
  </mrow>
</math> such that <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <mrow>
      <mi xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">b</mi>
      <mo>&GreaterEqual;</mo>
      <mn>2</mn>
    </mrow>
    <mo>&and;</mo>
    <mrow>
      <mi>a</mi>
      <mo>&lt;</mo>
      <mi>b</mi>
    </mrow>
    <mo>&and;</mo>
    <mrow>
      <mi>c</mi>
      <mo>&lt;</mo>
      <mi>b</mi>
    </mrow>
  </mrow>
</math>, <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <mi>f</mi>
    <mo>&ApplyFunction;</mo>
    <mrow>
      <mo>(</mo>
      <mrow>
        <mi>a</mi>
        <mo>,</mo>
        <mi>b</mi>
        <mo>,</mo>
        <mi>c</mi>
      </mrow>
      <mo>)</mo>
    </mrow>
  </mrow>
  <mo>=</mo>
  <mrow>
    <mo>min</mo>
    <mfenced open="{" close="}" separators="|">
      <mrow>
        <mi>n</mi>
        <mo>&Element;</mo>
        <mi>&Nopf;</mi>
      </mrow>
      <mrow>
        <msub xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <msup>
            <mi>g</mi>
            <mrow>
              <mrow>
                <mi>a</mi>
                <mo>&InvisibleTimes;</mo>
                <msup>
                  <mi>b</mi>
                  <mi>c</mi>
                </msup>
              </mrow>
              <mo>,</mo>
              <mi>b</mi>
            </mrow>
          </msup>
          <mi xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">n</mi>
        </msub>
        <mo>=</mo>
        <mn>0</mn>
      </mrow>
    </mfenced>
    <mo>&minus;</mo>
    <mi>b</mi>
  </mrow>
</math> (i.e. the number of step to reach zero if you apply the Goodstein's
algorithm to <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>a</mi>
  <mo>&InvisibleTimes;</mo>
  <msup>
    <mi>b</mi>
    <mi>c</mi>
  </msup>
</math>) is well-defined.</p>

<p>Proof:</p>

<p>We show the result by induction, using the lexicographical order on <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mfenced>
    <mi>c</mi>
    <mi>a</mi>
  </mfenced>
</math>. For <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>a</mi>
  <mo>=</mo>
  <mn>0</mn>
</math>, we have <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>a</mi>
  <mo>&InvisibleTimes;</mo>
  <msup>
    <mi>b</mi>
    <mi>c</mi>
  </msup>
  <mo>=</mo>
  <mn>0</mn>
</math>, hence <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <mi>f</mi>
    <mo>&ApplyFunction;</mo>
    <mrow>
      <mo>(</mo>
      <mrow>
        <mi>a</mi>
        <mo>,</mo>
        <mi>b</mi>
        <mo>,</mo>
        <mi>c</mi>
      </mrow>
      <mo>)</mo>
    </mrow>
  </mrow>
  <mo>=</mo>
  <mn>0</mn>
</math> is defined. Otherwise, the element is non-minimal and we have:</p>

<table border="1">
  <tbody>
    <tr>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mi>n</mi>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <msub>
            <msup>
              <mi>g</mi>
              <mrow>
                <mrow>
                  <mi>a</mi>
                  <mo>&InvisibleTimes;</mo>
                  <msup>
                    <mi>b</mi>
                    <mi>c</mi>
                  </msup>
                </mrow>
                <mo>,</mo>
                <mi>b</mi>
              </mrow>
            </msup>
            <mi>n</mi>
          </msub>
        </math></td>
    </tr>
    <tr>
      <td>b</td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mi>a</mi>
          <mo>&InvisibleTimes;</mo>
          <msup>
            <mi>n</mi>
            <mi>c</mi>
          </msup>
        </math></td>
    </tr>
    <tr>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mi>b</mi>
          <mo>+</mo>
          <mn>1</mn>
        </math> </td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mi>a</mi>
          <mo>&InvisibleTimes;</mo>
          <msup>
            <mi>n</mi>
            <mi>c</mi>
          </msup>
          <mo>&minus;</mo>
          <mn>1</mn>
          <mo>=</mo>
          <mrow>
            <mo>(</mo>
            <mrow>
              <mi>a</mi>
              <mo>&minus;</mo>
              <mn>1</mn>
            </mrow>
            <mo>)</mo>
          </mrow>
          <mo>&InvisibleTimes;</mo>
          <msup>
            <mi>n</mi>
            <mi>c</mi>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <msup>
            <mi>n</mi>
            <mi>c</mi>
          </msup>
          <mo>&minus;</mo>
          <mn>1</mn>
          <mo>=</mo>
          <mrow>
            <mo>(</mo>
            <mrow>
              <mi>a</mi>
              <mo>&minus;</mo>
              <mn>1</mn>
            </mrow>
            <mo>)</mo>
          </mrow>
          <mo>&InvisibleTimes;</mo>
          <msup>
            <mi>n</mi>
            <mi>c</mi>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mrow>
            <mo>(</mo>
            <mrow>
              <mi>n</mi>
              <mo>&minus;</mo>
              <mn>1</mn>
            </mrow>
            <mo>)</mo>
          </mrow>
          <mo>&InvisibleTimes;</mo>
          <mrow>
            <munderover>
              <mo>&Sum;</mo>
              <mrow>
                <mi>i</mi>
                <mo>=</mo>
                <mn>0</mn>
              </mrow>
              <mrow>
                <mi>c</mi>
                <mo>&minus;</mo>
                <mn>1</mn>
              </mrow>
            </munderover>
            <msup>
              <mi>n</mi>
              <mi>i</mi>
            </msup>
          </mrow>
          <mo>=</mo>
          <mrow>
            <mo>(</mo>
            <mrow>
              <mi>a</mi>
              <mo>&minus;</mo>
              <mn>1</mn>
            </mrow>
            <mo>)</mo>
          </mrow>
          <mo>&InvisibleTimes;</mo>
          <msup>
            <mi>n</mi>
            <mi>c</mi>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mi>b</mi>
          <mrow>
            <msup>
              <mrow>
                <mo>&InvisibleTimes;</mo>
                <mi>n</mi>
              </mrow>
              <mrow>
                <mi>c</mi>
                <mo>&minus;</mo>
                <mn>1</mn>
              </mrow>
            </msup>
            <mo>+</mo>
            <msup>
              <mrow>
                <mi>b</mi>
                <mo>&InvisibleTimes;</mo>
                <mi>n</mi>
              </mrow>
              <mrow>
                <mi>c</mi>
                <mo>&minus;</mo>
                <mn>2</mn>
              </mrow>
            </msup>
            <mo>+</mo>
            <mo>...</mo>
            <mo>+</mo>
            <mi>b</mi>
          </mrow>
        </math> </td>
    </tr>
    <tr>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mi>b</mi>
          <mo>+</mo>
          <mn>1</mn>
          <mo>+</mo>
          <mi>f</mi>
          <mrow>
            <mo>(</mo>
            <mrow>
              <mi>b</mi>
              <mo>,</mo>
              <mi>b</mi>
              <mo>+</mo>
              <mn>1,0</mn>
            </mrow>
            <mo>)</mo>
          </mrow>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mrow>
            <mo>(</mo>
            <mrow>
              <mi>a</mi>
              <mo>&minus;</mo>
              <mn>1</mn>
            </mrow>
            <mo>)</mo>
          </mrow>
          <mo>&InvisibleTimes;</mo>
          <msup>
            <mi>n</mi>
            <mi>c</mi>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mi>b</mi>
          <mo>&InvisibleTimes;</mo>
          <msup>
            <mi>n</mi>
            <mrow>
              <mi>c</mi>
              <mo>&minus;</mo>
              <mn>1</mn>
            </mrow>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mo>.</mo>
          <mo>.</mo>
          <mo>.</mo>
          <mo>+</mo>
          <mi>b</mi>
          <mo>&InvisibleTimes;</mo>
          <mi>n</mi>
        </math></td>
    </tr>
    <tr>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mi>b</mi>
          <mo>+</mo>
          <mn>1</mn>
          <mo>+</mo>
          <mrow>
            <mi>f</mi>
            <mrow>
              <mo>(</mo>
              <mrow>
                <mi>b</mi>
                <mo>,</mo>
                <mi>b</mi>
                <mo>+</mo>
                <mn>1,0</mn>
              </mrow>
              <mo>)</mo>
            </mrow>
          </mrow>
          <mo>+</mo>
          <mi>f</mi>
          <mrow>
            <mo>(</mo>
            <mrow>
              <mi>b</mi>
              <mo>,</mo>
              <mi>b</mi>
              <mo>+</mo>
              <mn>1</mn>
              <mo>+</mo>
            </mrow>
            <mrow>
              <mi>f</mi>
              <mrow>
                <mo>(</mo>
                <mrow>
                  <mi>b</mi>
                  <mo>,</mo>
                  <mi>b</mi>
                  <mo>+</mo>
                  <mn>1,0</mn>
                </mrow>
                <mo>)</mo>
              </mrow>
            </mrow>
            <mo>,</mo>
            <mn>1</mn>
            <mo>)</mo>
          </mrow>
        </math> </td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mrow>
            <mo>(</mo>
            <mrow>
              <mi>a</mi>
              <mo>&minus;</mo>
              <mn>1</mn>
            </mrow>
            <mo>)</mo>
          </mrow>
          <mo>&InvisibleTimes;</mo>
          <msup>
            <mi>n</mi>
            <mi>c</mi>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mi>b</mi>
          <mo>&InvisibleTimes;</mo>
          <msup>
            <mi>n</mi>
            <mrow>
              <mi>c</mi>
              <mo>&minus;</mo>
              <mn>1</mn>
            </mrow>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mo>.</mo>
          <mo>.</mo>
          <mo>.</mo>
          <mo>+</mo>
          <mi>b</mi>
          <mo>&InvisibleTimes;</mo>
          <msup>
            <mi>n</mi>
            <mn>2</mn>
          </msup>
        </math></td>
    </tr>
    <tr>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mi>b</mi>
          <mo>+</mo>
          <mn>1</mn>
          <mo>+</mo>
          <mi>f</mi>
          <mrow>
            <mo>(</mo>
            <mrow>
              <mi>b</mi>
              <mo>,</mo>
              <mo>.</mo>
              <mo>.</mo>
              <mo>.</mo>
              <mo>,</mo>
              <mn>0</mn>
            </mrow>
            <mo>)</mo>
          </mrow>
          <mo>+</mo>
          <mi>f</mi>
          <mrow>
            <mo>(</mo>
            <mrow>
              <mi>b</mi>
              <mo>,</mo>
              <mo>.</mo>
              <mo>.</mo>
              <mo>.</mo>
              <mo>,</mo>
              <mn>1</mn>
            </mrow>
            <mo>)</mo>
          </mrow>
          <mo>+</mo>
          <mi>f</mi>
          <mrow>
            <mo>(</mo>
            <mrow>
              <mi>b</mi>
              <mo>,</mo>
              <mo>.</mo>
              <mo>.</mo>
              <mo>.</mo>
              <mn>2</mn>
            </mrow>
            <mo>)</mo>
          </mrow>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mrow>
            <mo>(</mo>
            <mrow>
              <mi>a</mi>
              <mo>&minus;</mo>
              <mn>1</mn>
            </mrow>
            <mo>)</mo>
          </mrow>
          <mo>&InvisibleTimes;</mo>
          <msup>
            <mi>n</mi>
            <mi>c</mi>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mi>b</mi>
          <mo>&InvisibleTimes;</mo>
          <msup>
            <mi>n</mi>
            <mrow>
              <mi>c</mi>
              <mo>&minus;</mo>
              <mn>1</mn>
            </mrow>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mo>.</mo>
          <mo>.</mo>
          <mo>.</mo>
          <mo>+</mo>
          <mi>b</mi>
          <mo>&InvisibleTimes;</mo>
          <msup>
            <mi>n</mi>
            <mn>3</mn>
          </msup>
        </math></td>
    </tr>
    <tr>
      <td>...</td>
      <td>...</td>
    </tr>
    <tr>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mi>b</mi>
          <mo>+</mo>
          <mn>1</mn>
          <mo>+</mo>
          <mi>f</mi>
          <mrow>
            <mo>(</mo>
            <mrow>
              <mi>b</mi>
              <mo>,</mo>
              <mo>.</mo>
              <mo>.</mo>
              <mo>.</mo>
              <mo>,</mo>
              <mn>0</mn>
            </mrow>
            <mo>)</mo>
          </mrow>
          <mo>+</mo>
          <mi>f</mi>
          <mrow>
            <mo>(</mo>
            <mrow>
              <mi>b</mi>
              <mo>,</mo>
              <mo>.</mo>
              <mo>.</mo>
              <mo>.</mo>
              <mo>,</mo>
              <mn>1</mn>
            </mrow>
            <mo>)</mo>
          </mrow>
          <mo>+</mo>
          <mi>f</mi>
          <mrow>
            <mo>(</mo>
            <mrow>
              <mi>b</mi>
              <mo>,</mo>
              <mo>.</mo>
              <mo>.</mo>
              <mo>.</mo>
              <mn>2</mn>
            </mrow>
            <mo>)</mo>
          </mrow>
          <mo>+</mo>
          <mo>.</mo>
          <mo>.</mo>
          <mo>.</mo>
          <mo>+</mo>
          <mi>f</mi>
          <mrow>
            <mo>(</mo>
            <mrow>
              <mi>b</mi>
              <mo>,</mo>
              <mo>.</mo>
              <mo>.</mo>
              <mo>.</mo>
              <mo>,</mo>
              <mi>c</mi>
              <mo>&minus;</mo>
              <mn>1</mn>
            </mrow>
            <mo>)</mo>
          </mrow>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mrow>
            <mo>(</mo>
            <mrow>
              <mi>a</mi>
              <mo>&minus;</mo>
              <mn>1</mn>
            </mrow>
            <mo>)</mo>
          </mrow>
          <mo>&InvisibleTimes;</mo>
          <msup>
            <mi>n</mi>
            <mi>c</mi>
          </msup>
        </math></td>
    </tr>
    <tr>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mi>b</mi>
          <mo>+</mo>
          <mn>1</mn>
          <mo>+</mo>
          <mi>f</mi>
          <mrow>
            <mo>(</mo>
            <mrow>
              <mi>b</mi>
              <mo>,</mo>
              <mo>.</mo>
              <mo>.</mo>
              <mo>.</mo>
              <mo>,</mo>
              <mn>0</mn>
            </mrow>
            <mo>)</mo>
          </mrow>
          <mo>+</mo>
          <mi>f</mi>
          <mrow>
            <mo>(</mo>
            <mrow>
              <mi>b</mi>
              <mo>,</mo>
              <mo>.</mo>
              <mo>.</mo>
              <mo>.</mo>
              <mo>,</mo>
              <mn>1</mn>
            </mrow>
            <mo>)</mo>
          </mrow>
          <mo>+</mo>
          <mi>f</mi>
          <mrow>
            <mo>(</mo>
            <mrow>
              <mi>b</mi>
              <mo>,</mo>
              <mo>.</mo>
              <mo>.</mo>
              <mo>.</mo>
              <mn>2</mn>
            </mrow>
            <mo>)</mo>
          </mrow>
          <mo>+</mo>
          <mo>.</mo>
          <mo>.</mo>
          <mo>.</mo>
          <mo>+</mo>
          <mi>f</mi>
          <mrow>
            <mo>(</mo>
            <mrow>
              <mi>b</mi>
              <mo>,</mo>
              <mo>.</mo>
              <mo>.</mo>
              <mo>.</mo>
              <mo>,</mo>
              <mi>c</mi>
              <mo>&minus;</mo>
              <mn>1</mn>
            </mrow>
            <mo>)</mo>
            <mo>+</mo>
            <mi>f</mi>
            <mrow>
              <mo>(</mo>
              <mrow>
                <mi>a</mi>
                <mo>&minus;</mo>
                <mn>1</mn>
                <mo>,</mo>
                <mo>.</mo>
                <mo>.</mo>
                <mo>.</mo>
                <mo>,</mo>
                <mi>c</mi>
              </mrow>
              <mo>)</mo>
            </mrow>
          </mrow>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mn>0</mn>
        </math></td>
    </tr>
  </tbody>
</table>

<p>One can check that the <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>f</mi>
  <mrow>
    <mo>(</mo>
    <mrow>
      <mi>a</mi>
      <mo>'</mo>
      <mo>,</mo>
      <mi>b</mi>
      <mo>'</mo>
      <mo>,</mo>
      <mi>c</mi>
      <mo>'</mo>
    </mrow>
    <mo>)</mo>
  </mrow>
</math> that appear in this table are for <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>a</mi>
  <mo>'</mo>
  <mo>,</mo>
  <mi>c</mi>
  <mo>'</mo>
</math> such that <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <mo>(</mo>
    <mrow>
      <mi>c</mi>
      <mo>'</mo>
      <mo>,</mo>
      <mi>a</mi>
      <mo>'</mo>
    </mrow>
    <mo>)</mo>
  </mrow>
  <mo>&lt;</mo>
  <mrow>
    <mo>(</mo>
    <mrow>
      <mi>c</mi>
      <mo>,</mo>
      <mi>a</mi>
    </mrow>
    <mo>)</mo>
  </mrow>
</math> and with the condition <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <mrow>
      <mi xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">b</mi>
      <mo>'</mo>
      <mo>&GreaterEqual;</mo>
      <mn>2</mn>
    </mrow>
    <mo>&and;</mo>
    <mrow>
      <mi>a</mi>
      <mo>'</mo>
      <mo>&lt;</mo>
      <mi>b</mi>
      <mo>'</mo>
    </mrow>
    <mo>&and;</mo>
    <mrow>
      <mi>c</mi>
      <mo>'</mo>
      <mo>&lt;</mo>
      <mi>b</mi>
      <mo>'</mo>
    </mrow>
  </mrow>
</math>&#x25a1;</p>

<p>From the previous proof, we get (see <a
href="#ref_wang_delisle_freton">[4]</a>):</p>

<h3 id="L3949">Corollary 2.3</h3>

<p><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>f</mi>
</math> is defined by induction:</p>
<ul>
  <li><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
      <mrow>
        <mi>f</mi>
        <mo>&ApplyFunction;</mo>
        <mrow>
          <mo>(</mo>
          <mrow>
            <mn>0</mn>
            <mo>,</mo>
            <mi>b</mi>
            <mo>,</mo>
            <mi>c</mi>
          </mrow>
          <mo>)</mo>
        </mrow>
      </mrow>
      <mo>=</mo>
      <mn>0</mn>
    </math></li>
  <li><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
      <mi>f</mi>
      <mo>&ApplyFunction;</mo>
      <mrow>
        <mo>(</mo>
        <mrow>
          <mi>a</mi>
          <mo>,</mo>
          <mi>b</mi>
          <mo>,</mo>
          <mi>c</mi>
        </mrow>
        <mo>)</mo>
      </mrow>
      <mo>=</mo>
      <mn>1</mn>
      <mo>+</mo>
      <munderover>
        <mo>&Sum;</mo>
        <mrow>
          <mi>k</mi>
          <mo>=</mo>
          <mn>1</mn>
        </mrow>
        <mi>c</mi>
      </munderover>
      <msub>
        <mi>u</mi>
        <mi>k</mi>
      </msub>
      <mo>+</mo>
      <mrow>
        <mi>f</mi>
        <mo>&ApplyFunction;</mo>
        <mrow>
          <mo>(</mo>
          <mrow>
            <mi>a</mi>
            <mo>&minus;</mo>
            <mn>1</mn>
            <mo>,</mo>
            <mrow>
              <mrow>
                <munderover>
                  <mo>&Sum;</mo>
                  <mrow>
                    <mi>k</mi>
                    <mo>=</mo>
                    <mn>0</mn>
                  </mrow>
                  <mi>c</mi>
                </munderover>
                <msub>
                  <mi>u</mi>
                  <mi>k</mi>
                </msub>
              </mrow>
            </mrow>
            <mo>,</mo>
            <mi>c</mi>
          </mrow>
          <mo>)</mo>
        </mrow>
      </mrow>
    </math> where 
    <ul>
      <li><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <msub>
            <mi>u</mi>
            <mn>0</mn>
          </msub>
          <mo>=</mo>
          <mi>b</mi>
          <mo>+</mo>
          <mn>1</mn>
        </math></li>
      <li><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mrow>
            <mo>&ForAll;</mo>
            <mrow>
              <mi>n</mi>
              <mo>&Element;</mo>
              <mrow>
                <mo>[</mo>
                <mn>0</mn>
                <mo>,</mo>
                <mrow>
                  <mi>c</mi>
                  <mo>&minus;</mo>
                  <mn>1</mn>
                </mrow>
                <mo>]</mo>
              </mrow>
            </mrow>
            <msub>
              <mi>u</mi>
              <mrow>
                <mi>n</mi>
                <mo>+</mo>
                <mn>1</mn>
              </mrow>
            </msub>
            <mo>=</mo>
            <mrow>
              <mi>f</mi>
              <mrow>
                <mrow>
                  <mo>(</mo>
                  <mrow>
                    <mrow>
                      <mi>b</mi>
                      <mo>,</mo>
                    </mrow>
                    <munderover>
                      <mo>&Sum;</mo>
                      <mrow>
                        <mi>k</mi>
                        <mo>=</mo>
                        <mn>0</mn>
                      </mrow>
                      <mi>n</mi>
                    </munderover>
                    <msub>
                      <mi>u</mi>
                      <mi>k</mi>
                    </msub>
                    <mo>,</mo>
                    <mi>c</mi>
                  </mrow>
                  <mo>)</mo>
                </mrow>
              </mrow>
            </mrow>
          </mrow>
        </math></li>
    </ul>
  </li>
</ul>

<h3 id="L4222">Corollary 2.4</h3>

<p>If a Goodstein's sequence reach a value <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <msup>
      <mi>g</mi>
      <mi>a</mi>
    </msup>
    <mi>n</mi>
  </msub>
</math> where all the exponents in the base-<math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>n</mi>
</math> decomposition are strictly less than <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>n</mi>
</math>, then this sequence finally reach zero.</p>

<h3 id="L4252">Corollary 2.5</h3>
<ol>
  <li><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
      <mi>f</mi>
      <mrow>
        <mo>(</mo>
        <mrow>
          <mi>a</mi>
          <mo>,</mo>
          <mi>b</mi>
          <mo>,</mo>
          <mn>0</mn>
        </mrow>
        <mo>)</mo>
      </mrow>
      <mo>=</mo>
      <mi>a</mi>
    </math></li>
  <li><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
      <mi>f</mi>
      <mrow>
        <mo>(</mo>
        <mrow>
          <mi>a</mi>
          <mo>,</mo>
          <mi>b</mi>
          <mo>,</mo>
          <mn>1</mn>
        </mrow>
        <mo>)</mo>
      </mrow>
      <mo>=</mo>
      <mrow>
        <mo>(</mo>
        <mrow>
          <mi>b</mi>
          <mo>+</mo>
          <mn>1</mn>
        </mrow>
        <mo>)</mo>
      </mrow>
      <mo>&InvisibleTimes;</mo>
      <mrow>
        <mo>(</mo>
        <msup>
          <mn>2</mn>
          <mi>a</mi>
        </msup>
        <mo>&minus;</mo>
        <mn>1</mn>
        <mo>)</mo>
      </mrow>
    </math></li>
  <li><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
      <mi>f</mi>
      <mrow>
        <mo>(</mo>
        <mrow>
          <mn>1</mn>
          <mo>,</mo>
          <mi>b</mi>
          <mo>,</mo>
          <mn>2</mn>
        </mrow>
        <mo>)</mo>
      </mrow>
      <mo>=</mo>
      <mrow>
        <mo>(</mo>
        <msup>
          <mn>2</mn>
          <mrow>
            <mi>b</mi>
            <mo>+</mo>
            <mn>1</mn>
          </mrow>
        </msup>
        <mo>&minus;</mo>
        <mn>1</mn>
        <mo>)</mo>
      </mrow>
      <mo>&InvisibleTimes;</mo>
      <mrow>
        <mo>(</mo>
        <mrow>
          <mi>b</mi>
          <mo>+</mo>
          <mn>1</mn>
        </mrow>
        <mo>)</mo>
      </mrow>
    </math></li>
  <li><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
      <mi>f</mi>
      <mrow>
        <mo>(</mo>
        <mrow>
          <mi>a</mi>
          <mo>,</mo>
          <mi>b</mi>
          <mo>,</mo>
          <mn>2</mn>
        </mrow>
        <mo>)</mo>
      </mrow>
      <mo>=</mo>
      <mrow>
        <msup>
          <mn>2</mn>
          <mrow>
            <msub>
              <mi>u</mi>
              <mi>a</mi>
            </msub>
            <mo>+</mo>
            <mn>1</mn>
          </mrow>
        </msup>
        <mo>&InvisibleTimes;</mo>
        <mrow>
          <mo>(</mo>
          <msub>
            <mi>u</mi>
            <mi>a</mi>
          </msub>
          <mo>+</mo>
          <mn>1</mn>
          <mo>)</mo>
        </mrow>
      </mrow>
      <mo>&minus;</mo>
      <mrow>
        <mo>(</mo>
        <mrow>
          <mi>b</mi>
          <mo>+</mo>
          <mn>1</mn>
        </mrow>
        <mo>)</mo>
      </mrow>
    </math> where 
    <ul>
      <li><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <msub>
            <mi>u</mi>
            <mn>1</mn>
          </msub>
          <mo>=</mo>
          <mi>b</mi>
        </math></li>
      <li><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mrow>
            <mo>&ForAll;</mo>
            <mrow>
              <mi>k</mi>
              <mo>&Element;</mo>
              <mrow>
                <mo>[</mo>
                <mn>1</mn>
                <mo>,</mo>
                <mrow>
                  <mi>a</mi>
                  <mo>&minus;</mo>
                  <mn>1</mn>
                </mrow>
                <mo>]</mo>
              </mrow>
            </mrow>
            <msub>
              <mi>u</mi>
              <mrow>
                <mi>k</mi>
                <mo>+</mo>
                <mn>1</mn>
              </mrow>
            </msub>
            <mo>=</mo>
            <mrow>
              <msup>
                <mn>2</mn>
                <mrow>
                  <msub>
                    <mi>u</mi>
                    <mi>k</mi>
                  </msub>
                  <mo>+</mo>
                  <mn>1</mn>
                </mrow>
              </msup>
              <mo>&InvisibleTimes;</mo>
              <mrow>
                <mo>(</mo>
                <msub>
                  <mi>u</mi>
                  <mi>k</mi>
                </msub>
                <mo>+</mo>
                <mn>1</mn>
                <mo>)</mo>
              </mrow>
            </mrow>
          </mrow>
          <mo>&minus;</mo>
          <mn>1</mn>
        </math></li>
    </ul>
  </li>
</ol>

<p></p>

<h3 id="L4623">2.6. Case <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>a</mi>
  <mo>=</mo>
  <mn>4</mn>
</math></h3>

<table border="1">
  <tbody>
    <tr>
      <td>n</td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <msub>
            <msup>
              <mi>g</mi>
              <mn>4</mn>
            </msup>
            <mi>n</mi>
          </msub>
        </math></td>
    </tr>
    <tr>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mn>2</mn>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mn>4</mn>
          <mo>=</mo>
          <msup>
            <mn>2</mn>
            <msup>
              <mn>2</mn>
              <mn>1</mn>
            </msup>
          </msup>
        </math></td>
    </tr>
    <tr>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mn>2</mn>
          <mo>+</mo>
          <mn>1</mn>
          <mo>=</mo>
          <mn>3</mn>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <msup>
            <mn>3</mn>
            <msup>
              <mn>3</mn>
              <mn>1</mn>
            </msup>
          </msup>
          <mo>&minus;</mo>
          <mn>1</mn>
          <mo>=</mo>
          <mn>2</mn>
          <mo>.</mo>
          <msup>
            <mn>3</mn>
            <mn>2</mn>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mn>2</mn>
          <mo>.</mo>
          <msup>
            <mn>3</mn>
            <mn>1</mn>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mn>2</mn>
          <mo>=</mo>
          <mn>26</mn>
        </math></td>
    </tr>
    <tr>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mn>3</mn>
          <mo>+</mo>
          <mi>f</mi>
          <mo>&ApplyFunction;</mo>
          <mrow>
            <mo>(</mo>
            <mn>2,3,0</mn>
            <mo>)</mo>
          </mrow>
          <mo>=</mo>
          <mn>3</mn>
          <mo>+</mo>
          <mn>2</mn>
          <mo>=</mo>
          <mn>5</mn>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mrow>
            <mn>2</mn>
            <mo>.</mo>
            <msup>
              <mn>5</mn>
              <mn>2</mn>
            </msup>
            <mo>+</mo>
            <mn>2</mn>
            <mo>.</mo>
            <msup>
              <mn>5</mn>
              <mn>1</mn>
            </msup>
            <mo>=</mo>
            <mn>60</mn>
          </mrow>
        </math></td>
    </tr>
    <tr>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mn>5</mn>
          <mo>+</mo>
          <mi>f</mi>
          <mo>&ApplyFunction;</mo>
          <mrow>
            <mo>(</mo>
            <mn>2,5,1</mn>
            <mo>)</mo>
          </mrow>
          <mo>=</mo>
          <mn>5</mn>
          <mo>+</mo>
          <mrow>
            <mo>(</mo>
            <mrow>
              <mn>5</mn>
              <mo>+</mo>
              <mn>1</mn>
            </mrow>
            <mo>)</mo>
          </mrow>
          <mrow>
            <mo>(</mo>
            <msup>
              <mn>2</mn>
              <mn>2</mn>
            </msup>
            <mo>&minus;</mo>
            <mn>1</mn>
            <mo>)</mo>
          </mrow>
          <mo>=</mo>
          <mn>5</mn>
          <mo>+</mo>
          <mn>18</mn>
          <mo>=</mo>
          <mn>23</mn>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mn>2</mn>
          <mo>.</mo>
          <msup>
            <mn>23</mn>
            <mn>2</mn>
          </msup>
          <mo>=</mo>
          <mn>1058</mn>
        </math></td>
    </tr>
    <tr>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <msub>
            <mi>n</mi>
            <mn>0</mn>
          </msub>
          <mo>=</mo>
          <mn>23</mn>
          <mo>+</mo>
          <mi>f</mi>
          <mo>&ApplyFunction;</mo>
          <mrow>
            <mo>(</mo>
            <mn>2,23,2</mn>
            <mo>)</mo>
          </mrow>
        </math></td>
      <td>0</td>
    </tr>
  </tbody>
</table>

<p>Using the corollary 2.5, we can find <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mi>n</mi>
    <mn>0</mn>
  </msub>
</math> :</p>
<ul>
  <li><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
      <msub>
        <mi>u</mi>
        <mn>1</mn>
      </msub>
      <mo>=</mo>
      <mn>23</mn>
    </math></li>
  <li><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
      <msub>
        <mi>u</mi>
        <mn>2</mn>
      </msub>
      <mo>=</mo>
      <mrow>
        <mo>(</mo>
        <msup>
          <mn>2</mn>
          <mrow>
            <msub>
              <mi>u</mi>
              <mn>1</mn>
            </msub>
            <mo>+</mo>
            <mn>1</mn>
          </mrow>
        </msup>
        <mo>&minus;</mo>
        <mn>1</mn>
        <mo>)</mo>
      </mrow>
      <mo>&InvisibleTimes;</mo>
      <mrow>
        <mo>(</mo>
        <msub>
          <mi>u</mi>
          <mn>1</mn>
        </msub>
        <mo>+</mo>
        <mn>1</mn>
        <mo>)</mo>
      </mrow>
      <mo>=</mo>
      <mn>3</mn>
      <mo>.</mo>
      <msup>
        <mn>2</mn>
        <mn>27</mn>
      </msup>
      <mo>&minus;</mo>
      <mn>1</mn>
    </math></li>
  <li><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
      <msub>
        <mi>n</mi>
        <mn>0</mn>
      </msub>
      <mo>=</mo>
      <mn>23</mn>
      <mo>+</mo>
      <msup>
        <mn>2</mn>
        <mrow>
          <msub>
            <mi>u</mi>
            <mn>2</mn>
          </msub>
          <mo>+</mo>
          <mn>1</mn>
        </mrow>
      </msup>
      <mrow>
        <mo>(</mo>
        <msub>
          <mi>u</mi>
          <mn>2</mn>
        </msub>
        <mo>+</mo>
        <mn>1</mn>
        <mo>)</mo>
      </mrow>
      <mo>&minus;</mo>
      <mrow>
        <mo>(</mo>
        <mrow>
          <mn>23</mn>
          <mo>+</mo>
          <mn>1</mn>
        </mrow>
        <mo>)</mo>
      </mrow>
      <mo>=</mo>
      <msup>
        <mn>2</mn>
        <mrow>
          <mn>3</mn>
          <mo>.</mo>
          <msup>
            <mn>2</mn>
            <mn>27</mn>
          </msup>
        </mrow>
      </msup>
      <mrow>
        <mo>(</mo>
        <mrow>
          <mn>3</mn>
          <mo>.</mo>
          <msup>
            <mn>2</mn>
            <mn>27</mn>
          </msup>
        </mrow>
        <mo>)</mo>
      </mrow>
      <mo>&minus;</mo>
      <mn>1</mn>
      <mo>=</mo>
      <mn>3</mn>
      <mo>.</mo>
      <msup>
        <mn>2</mn>
        <mrow>
          <mn>3</mn>
          <mo>.</mo>
          <msup>
            <mn>2</mn>
            <mn>27</mn>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mn>27</mn>
        </mrow>
      </msup>
      <mo>&minus;</mo>
      <mn>1</mn>
      <mo>=</mo>
      <mn>3</mn>
      <mo>.</mo>
      <msup>
        <mn>2</mn>
        <mn>402653211</mn>
      </msup>
      <mo>&minus;</mo>
      <mn>1</mn>
    </math></li>
</ul>

<h3 id="L5246">2.7. Case <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>a</mi>
  <mo>=</mo>
  <mn>5</mn>
</math></h3>

<table border="1">
  <tbody>
    <tr>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mi>n</mi>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <msub>
            <msup>
              <mi>g</mi>
              <mn>5</mn>
            </msup>
            <mi>n</mi>
          </msub>
        </math></td>
    </tr>
    <tr>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <msub>
            <mi>n</mi>
            <mn>0</mn>
          </msub>
          <mo>=</mo>
          <mn>2</mn>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mn>5</mn>
          <mo>=</mo>
          <msup>
            <mn>2</mn>
            <mn>2</mn>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mn>1</mn>
        </math></td>
    </tr>
    <tr>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <msub>
            <mi>n</mi>
            <mn>1</mn>
          </msub>
          <mo>=</mo>
          <mn>3</mn>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <msup>
            <mn>3</mn>
            <mn>3</mn>
          </msup>
        </math></td>
    </tr>
    <tr>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <msub>
            <mi>n</mi>
            <mn>2</mn>
          </msub>
          <mo>=</mo>
          <mn>4</mn>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <msup>
            <mn>4</mn>
            <mn>4</mn>
          </msup>
          <mo>&minus;</mo>
          <mn>1</mn>
          <mo>=</mo>
          <mn>3</mn>
          <mo>&InvisibleTimes;</mo>
          <mrow>
            <mo>(</mo>
            <msup>
              <mn>4</mn>
              <mn>3</mn>
            </msup>
            <mo>+</mo>
            <msup>
              <mn>4</mn>
              <mn>2</mn>
            </msup>
            <mo>+</mo>
            <mn>4</mn>
            <mo>+</mo>
            <mn>1</mn>
            <mo>)</mo>
          </mrow>
        </math></td>
    </tr>
    <tr>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <msub>
            <mi>n</mi>
            <mn>3</mn>
          </msub>
          <mo>=</mo>
          <mn>4</mn>
          <mo>+</mo>
          <mi>f</mi>
          <mo>&ApplyFunction;</mo>
          <mrow>
            <mo>(</mo>
            <mn>3,4,0</mn>
            <mo>)</mo>
          </mrow>
          <mo>=</mo>
          <mn>7</mn>
          <mo>=</mo>
          <msup>
            <mn>2</mn>
            <mn>3</mn>
          </msup>
          <mo>&minus;</mo>
          <mn>1</mn>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mn>3</mn>
          <mo>&InvisibleTimes;</mo>
          <mrow>
            <mo>(</mo>
            <msup>
              <mi>n</mi>
              <mn>3</mn>
            </msup>
            <mo>+</mo>
            <msup>
              <mi>n</mi>
              <mn>2</mn>
            </msup>
            <mo>+</mo>
            <mi>n</mi>
            <mo>)</mo>
          </mrow>
          <mo>&InvisibleTimes;</mo>
        </math></td>
    </tr>
    <tr>
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          <msub>
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          </msub>
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              </msub>
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              <mn>1</mn>
            </mrow>
            <mo>)</mo>
          </mrow>
          <mo>=</mo>
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          </msup>
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          <mrow>
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            <mo>)</mo>
          </mrow>
          <mo>=</mo>
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          </mrow>
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    </tr>
    <tr>
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            <mo>)</mo>
          </mrow>
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            <mo>,</mo>
            <msub>
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            </msub>
            <mo>,</mo>
            <mn>0</mn>
            <mo>)</mo>
          </mrow>
          <mo>=</mo>
          <msub>
            <mi>n</mi>
            <mn>6</mn>
          </msub>
          <mo>+</mo>
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        </math></td>
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            </msup>
            <mo>+</mo>
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            <mo>)</mo>
          </mrow>
        </math></td>
    </tr>
    <tr>
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            <mo>)</mo>
          </mrow>
        </math></td>
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          </msub>
          <msup>
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          </msup>
        </math></td>
    </tr>
    <tr>
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            <mo>,</mo>
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            </msub>
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            <mo>)</mo>
          </mrow>
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            </msup>
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            <mo>+</mo>
            <mn>1</mn>
            <mo>)</mo>
          </mrow>
        </math></td>
    </tr>
    <tr>
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          </msub>
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          </mrow>
          <mo>=</mo>
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          </msub>
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          </mrow>
        </math></td>
    </tr>
    <tr>
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          <msup>
            <mi>n</mi>
            <mn>2</mn>
          </msup>
        </math></td>
    </tr>
    <tr>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <msub>
            <mi>n</mi>
            <mn>13</mn>
          </msub>
          <mo>=</mo>
          <msub>
            <mi>n</mi>
            <mn>12</mn>
          </msub>
          <mo>+</mo>
          <mi>f</mi>
          <mo>&ApplyFunction;</mo>
          <mrow>
            <mo>(</mo>
            <msub>
              <mi>n</mi>
              <mn>9</mn>
            </msub>
            <mo>,</mo>
            <msub>
              <mi>n</mi>
              <mn>12</mn>
            </msub>
            <mo>,</mo>
            <mn>2</mn>
            <mo>)</mo>
          </mrow>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <msup>
            <mi>n</mi>
            <mn>3</mn>
          </msup>
        </math></td>
    </tr>
    <tr>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <msub>
            <mi>n</mi>
            <mn>14</mn>
          </msub>
          <mo>=</mo>
          <msub>
            <mi>n</mi>
            <mn>13</mn>
          </msub>
          <mo>+</mo>
          <mn>1</mn>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <msup>
            <mi>n</mi>
            <mn>3</mn>
          </msup>
          <mo>&minus;</mo>
          <mn>1</mn>
          <mo>=</mo>
          <msub>
            <mi>n</mi>
            <mn>13</mn>
          </msub>
          <mo>&InvisibleTimes;</mo>
          <mrow>
            <mo>(</mo>
            <msup>
              <mi>n</mi>
              <mn>2</mn>
            </msup>
            <mo>+</mo>
            <mi>n</mi>
            <mo>+</mo>
            <mn>1</mn>
            <mo>)</mo>
          </mrow>
        </math></td>
    </tr>
    <tr>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <msub>
            <mi>n</mi>
            <mn>15</mn>
          </msub>
          <mo>=</mo>
          <msub>
            <mi>n</mi>
            <mn>14</mn>
          </msub>
          <mo>+</mo>
          <msub>
            <mi>n</mi>
            <mn>13</mn>
          </msub>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <msub>
            <mi>n</mi>
            <mn>13</mn>
          </msub>
          <mo>&InvisibleTimes;</mo>
          <mrow>
            <mo>(</mo>
            <msup>
              <mi>n</mi>
              <mn>2</mn>
            </msup>
            <mo>+</mo>
            <mi>n</mi>
            <mo>)</mo>
          </mrow>
        </math></td>
    </tr>
    <tr>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <msub>
            <mi>n</mi>
            <mn>16</mn>
          </msub>
          <mo>=</mo>
          <msub>
            <mi>n</mi>
            <mn>15</mn>
          </msub>
          <mo>+</mo>
          <mi>f</mi>
          <mo>&ApplyFunction;</mo>
          <mrow>
            <mo>(</mo>
            <msub>
              <mi>n</mi>
              <mn>13</mn>
            </msub>
            <mo>,</mo>
            <msub>
              <mi>n</mi>
              <mn>15</mn>
            </msub>
            <mo>,</mo>
            <mn>1</mn>
            <mo>)</mo>
          </mrow>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <msub>
            <mi>n</mi>
            <mn>13</mn>
          </msub>
          <msup>
            <mi>n</mi>
            <mn>2</mn>
          </msup>
        </math></td>
    </tr>
    <tr>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <msub>
            <mi>n</mi>
            <mn>17</mn>
          </msub>
          <mo>=</mo>
          <msub>
            <mi>n</mi>
            <mn>16</mn>
          </msub>
          <mo>+</mo>
          <mi>f</mi>
          <mo>&ApplyFunction;</mo>
          <mrow>
            <mo>(</mo>
            <msub>
              <mi>n</mi>
              <mn>13</mn>
            </msub>
            <mo>,</mo>
            <msub>
              <mi>n</mi>
              <mn>16</mn>
            </msub>
            <mo>,</mo>
            <mn>2</mn>
            <mo>)</mo>
          </mrow>
        </math></td>
      <td><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mn>0</mn>
        </math></td>
    </tr>
  </tbody>
</table>

<p>Once again, we can try to compute the value of the <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
    <msub>
      <mi>n</mi>
      <mi>i</mi>
    </msub>
</math>, using the corollary 2.5:</p>
<ul>
  <li><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
      <msub>
        <mi>n</mi>
        <mn>5</mn>
      </msub>
      <mo>=</mo>
      <msup>
        <mn>2</mn>
        <mrow>
          <msup>
            <mn>2</mn>
            <mrow>
              <msup>
                <mn>2</mn>
                <mrow>
                  <msup>
                    <mn>2</mn>
                    <mn>6</mn>
                  </msup>
                  <mo>+</mo>
                  <mn>6</mn>
                </mrow>
              </msup>
              <mo>+</mo>
              <msup>
                <mn>2</mn>
                <mn>6</mn>
              </msup>
              <mo>+</mo>
              <mn>6</mn>
            </mrow>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <msup>
            <mn>2</mn>
            <mrow>
              <msup>
                <mn>2</mn>
                <mn>6</mn>
              </msup>
              <mo>+</mo>
              <mn>6</mn>
            </mrow>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <msup>
            <mn>2</mn>
            <mn>6</mn>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mn>6</mn>
        </mrow>
      </msup>
      <mo>&minus;</mo>
      <mn>1</mn>
    </math></li>
  <li><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
      <msub>
        <mi>n</mi>
        <mn>6</mn>
      </msub>
      <mo>=</mo>
      <msup>
        <mn>2</mn>
        <mrow>
          <msup>
            <mn>2</mn>
            <mrow>
              <msup>
                <mn>2</mn>
                <mrow>
                  <msup>
                    <mn>2</mn>
                    <mn>6</mn>
                  </msup>
                  <mo>+</mo>
                  <mn>6</mn>
                </mrow>
              </msup>
              <mo>+</mo>
              <msup>
                <mn>2</mn>
                <mn>6</mn>
              </msup>
              <mo>+</mo>
              <mn>6</mn>
            </mrow>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <msup>
            <mn>2</mn>
            <mrow>
              <msup>
                <mn>2</mn>
                <mn>6</mn>
              </msup>
              <mo>+</mo>
              <mn>6</mn>
            </mrow>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <msup>
            <mn>2</mn>
            <mn>6</mn>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mn>6</mn>
        </mrow>
      </msup>
    </math></li>
  <li><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
      <msub>
        <mi>n</mi>
        <mn>7</mn>
      </msub>
      <mo>=</mo>
      <msup>
        <mn>2</mn>
        <mrow>
          <msup>
            <mn>2</mn>
            <mrow>
              <msup>
                <mn>2</mn>
                <mrow>
                  <msup>
                    <mn>2</mn>
                    <mn>6</mn>
                  </msup>
                  <mo>+</mo>
                  <mn>6</mn>
                </mrow>
              </msup>
              <mo>+</mo>
              <msup>
                <mn>2</mn>
                <mn>6</mn>
              </msup>
              <mo>+</mo>
              <mn>6</mn>
            </mrow>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <msup>
            <mn>2</mn>
            <mrow>
              <msup>
                <mn>2</mn>
                <mn>6</mn>
              </msup>
              <mo>+</mo>
              <mn>6</mn>
            </mrow>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <msup>
            <mn>2</mn>
            <mn>6</mn>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mn>7</mn>
        </mrow>
      </msup>
      <mo>&minus;</mo>
      <mn>1</mn>
    </math></li>
  <li><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
      <msub>
        <mi>n</mi>
        <mn>8</mn>
      </msub>
      <mo>=</mo>
      <msup>
        <mn>2</mn>
        <mrow>
          <msup>
            <mn>2</mn>
            <mrow>
              <msup>
                <mn>2</mn>
                <mrow>
                  <msup>
                    <mn>2</mn>
                    <mrow>
                      <msup>
                        <mn>2</mn>
                        <mn>6</mn>
                      </msup>
                      <mo>+</mo>
                      <mn>6</mn>
                    </mrow>
                  </msup>
                  <mo>+</mo>
                  <msup>
                    <mn>2</mn>
                    <mn>6</mn>
                  </msup>
                  <mo>+</mo>
                  <mn>6</mn>
                </mrow>
              </msup>
              <mo>+</mo>
              <msup>
                <mn>2</mn>
                <mrow>
                  <msup>
                    <mn>2</mn>
                    <mn>6</mn>
                  </msup>
                  <mo>+</mo>
                  <mn>6</mn>
                </mrow>
              </msup>
              <mo>+</mo>
              <msup>
                <mn>2</mn>
                <mn>6</mn>
              </msup>
              <mo>+</mo>
              <mn>6</mn>
            </mrow>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <msup>
            <mn>2</mn>
            <mrow>
              <msup>
                <mn>2</mn>
                <mrow>
                  <msup>
                    <mn>2</mn>
                    <mn>6</mn>
                  </msup>
                  <mo>+</mo>
                  <mn>6</mn>
                </mrow>
              </msup>
              <mo>+</mo>
              <msup>
                <mn>2</mn>
                <mn>6</mn>
              </msup>
              <mo>+</mo>
              <mn>6</mn>
            </mrow>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <msup>
            <mn>2</mn>
            <mrow>
              <msup>
                <mn>2</mn>
                <mn>6</mn>
              </msup>
              <mo>+</mo>
              <mn>6</mn>
            </mrow>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <msup>
            <mn>2</mn>
            <mn>6</mn>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mn>6</mn>
        </mrow>
      </msup>
      <mo>&minus;</mo>
      <mn>1</mn>
    </math></li>
</ul>

<p>It is really hard to express <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mi>n</mi>
    <mn>9</mn>
  </msub>
</math> as you need to compute a sequence with about <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mi>n</mi>
    <mn>5</mn>
  </msub>
  <mo>=</mo>
  <msup>
    <mn>2</mn>
    <mrow>
      <msup>
        <mn>2</mn>
        <mrow>
          <msup>
            <mn>2</mn>
            <mrow>
              <msup>
                <mn>2</mn>
                <mn>6</mn>
              </msup>
              <mo>+</mo>
              <mn>6</mn>
            </mrow>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <msup>
            <mn>2</mn>
            <mn>6</mn>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mn>6</mn>
        </mrow>
      </msup>
      <mo>+</mo>
      <msup>
        <mn>2</mn>
        <mrow>
          <msup>
            <mn>2</mn>
            <mn>6</mn>
          </msup>
          <mo>+</mo>
          <mn>6</mn>
        </mrow>
      </msup>
      <mo>+</mo>
      <msup>
        <mn>2</mn>
        <mn>6</mn>
      </msup>
      <mo>+</mo>
      <mn>6</mn>
    </mrow>
  </msup>
  <mo>&minus;</mo>
  <mn>1</mn>
</math> steps. Moreover, if I want to write its value with the same notation
as before, you also need about <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
    <msub>
      <mi>n</mi>
      <mn>5</mn>
    </msub>
</math> levels of exponents! T<em></em>he rank <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mi>n</mi>
    <mn>17</mn>
  </msub>
</math> where the sequence reaches zero is even more difficult to express!</p>

<h2 id="L5258">3. Proof of Goodstein Theorem</h2>

<p>We work in the Zermerlo-Frankel set theory (ZF) and follow the proof of <a
href="#ref_dehornoy">[2]</a>. We use the traditional notation <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&omega;</mi>
</math> for the least infinite ordinal. <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mi>R</mi>
    <mrow>
      <mi>b</mi>
      <mo>,</mo>
      <mi>&omega;</mi>
    </mrow>
  </msub>
  <mo>&ApplyFunction;</mo>
  <mrow>
    <mo>(</mo>
    <mi>n</mi>
    <mo>)</mo>
  </mrow>
</math> is an ordinal defined in the same way as above: you replace each
occurence of <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>b</mi>
</math> by <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&omega;</mi>
</math> in the hereditary base-<math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>b</mi>
</math> notation of <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>n</mi>
</math>. Recall the ordinal addition and product are not commutative. Hence,
when we work with infinite ordinals, the base-<math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>b</mi>
</math> decompositon must be written with the "<math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mi>c</mi>
    <mi>i</mi>
  </msub>
</math>" on the left, and <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <munderover>
      <mo>&Sum;</mo>
      <mrow>
        <mi>i</mi>
        <mo>=</mo>
        <mn>0</mn>
      </mrow>
      <mi>n</mi>
    </munderover>
    <mrow>
      <msup>
        <mi>b</mi>
        <mi>i</mi>
      </msup>
      <msub>
        <mi>c</mi>
        <mi>i</mi>
      </msub>
    </mrow>
  </mrow>
</math> means the sum <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msup>
    <mi>b</mi>
    <mi>n</mi>
  </msup>
  <msub>
    <mi>c</mi>
    <mi>n</mi>
  </msub>
  <mo>+</mo>
  <mo>.</mo>
  <mo>.</mo>
  <mo>.</mo>
  <msub>
    <mi>c</mi>
    <mn>0</mn>
  </msub>
</math>, not <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mi>c</mi>
    <mn>0</mn>
  </msub>
  <mo>+</mo>
  <mo>.</mo>
  <mo>.</mo>
  <mo>.</mo>
  <msup>
    <mi>b</mi>
    <mi>n</mi>
  </msup>
  <msub>
    <mi>c</mi>
    <mi>n</mi>
  </msub>
</math>. </p>

<h3 id="Lemma">Lemma 3.1</h3>

<p>For all <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <mi>b</mi>
    <mo>&GreaterEqual;</mo>
    <mn>2</mn>
  </mrow>
</math> and <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <mi>n</mi>
    <mo>&Element;</mo>
    <mi>&Nopf;</mi>
  </mrow>
</math> we have <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mi>R</mi>
    <mrow>
      <mi>b</mi>
      <mo>,</mo>
      <mi>&omega;</mi>
    </mrow>
  </msub>
  <mrow>
    <mo>(</mo>
    <mi>n</mi>
    <mo>)</mo>
  </mrow>
  <mo>&lt;</mo>
  <msub>
    <mi>R</mi>
    <mrow>
      <mi>b</mi>
      <mo>,</mo>
      <mi>&omega;</mi>
    </mrow>
  </msub>
  <mrow>
    <mo>(</mo>
    <mrow>
      <mi>n</mi>
      <mo>+</mo>
      <mn>1</mn>
    </mrow>
    <mo>)</mo>
  </mrow>
</math></p>

<p>Proof: by induction on <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>n</mi>
</math>. The result is obvious for <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>n</mi>
  <mo>=</mo>
  <mn>0</mn>
</math>. Now let <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>n</mi>
  <mo>=</mo>
  <mrow>
    <munderover>
      <mo>&Sum;</mo>
      <mrow>
        <mi>i</mi>
        <mo>=</mo>
        <mn>0</mn>
      </mrow>
      <mrow>
        <mo>+</mo>
        <mi>&infin;</mi>
      </mrow>
    </munderover>
    <msub>
      <mi>c</mi>
      <mi>i</mi>
    </msub>
    <msup>
      <mi>b</mi>
      <mi>i</mi>
    </msup>
  </mrow>
</math> be the base-<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>b</mi>
</math> decomposition of <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>n</mi>
</math>. Because <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msup>
    <mi>b</mi>
    <mi>n</mi>
  </msup>
  <mo>&gt;</mo>
  <mi>n</mi>
</math>, we can actually write <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>n</mi>
  <mo>=</mo>
  <mrow>
    <munderover>
      <mo>&Sum;</mo>
      <mrow>
        <mi>i</mi>
        <mo>=</mo>
        <mn>0</mn>
      </mrow>
      <mrow>
        <mi>n</mi>
        <mo>&minus;</mo>
        <mn>1</mn>
      </mrow>
    </munderover>
    <msub>
      <mi>c</mi>
      <mi>i</mi>
    </msub>
    <msup>
      <mi>b</mi>
      <mi>i</mi>
    </msup>
  </mrow>
</math> and the induction hypothesis can be applied to the exponents.
Consider the least <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>m</mi>
</math> such that <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <msub>
      <mi>c</mi>
      <mi>m</mi>
    </msub>
    <mo>&lt;</mo>
    <mrow>
      <mi>b</mi>
      <mo>&minus;</mo>
      <mn>1</mn>
    </mrow>
  </mrow>
</math>. Then <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>n</mi>
  <mo>=</mo>
  <mrow>
    <munderover>
      <mo>&Sum;</mo>
      <mrow>
        <mi>i</mi>
        <mo>=</mo>
        <mi>m</mi>
      </mrow>
      <mrow>
        <mi>n</mi>
        <mo>&minus;</mo>
        <mn>1</mn>
      </mrow>
    </munderover>
    <msub>
      <mi>c</mi>
      <mi>i</mi>
    </msub>
    <msup>
      <mi>b</mi>
      <mi>i</mi>
    </msup>
    <mo>+</mo>
    <mrow>
      <munderover>
        <mo>&Sum;</mo>
        <mrow>
          <mi>i</mi>
          <mo>=</mo>
          <mn>0</mn>
        </mrow>
        <mrow>
          <mi>m</mi>
          <mo>&minus;</mo>
          <mn>1</mn>
        </mrow>
      </munderover>
      <msub>
        <mi>c</mi>
        <mi>i</mi>
      </msub>
      <msup>
        <mi>b</mi>
        <mi>i</mi>
      </msup>
    </mrow>
  </mrow>
</math> and <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>n</mi>
  <mo>+</mo>
  <mn>1</mn>
  <mo>=</mo>
  <mrow>
    <munderover>
      <mo>&Sum;</mo>
      <mrow>
        <mi>i</mi>
        <mo>=</mo>
        <mi>m</mi>
      </mrow>
      <mrow>
        <mi>n</mi>
        <mo>&minus;</mo>
        <mn>1</mn>
      </mrow>
    </munderover>
    <msub>
      <mi>c</mi>
      <mi>i</mi>
    </msub>
    <msup>
      <mi>b</mi>
      <mi>i</mi>
    </msup>
  </mrow>
  <mo>+</mo>
  <msup>
    <mi>b</mi>
    <mi>m</mi>
  </msup>
</math>. Hence you simply have to check that <math
xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <munderover>
      <mo>&Sum;</mo>
      <mrow>
        <mi>i</mi>
        <mo>=</mo>
        <mn>0</mn>
      </mrow>
      <mrow>
        <mi>m</mi>
        <mo>&minus;</mo>
        <mn>1</mn>
      </mrow>
    </munderover>
    <mrow>
      <msup>
        <mi>&omega;</mi>
        <mrow>
          <msub>
            <mi>R</mi>
            <mrow>
              <mi>b</mi>
              <mo>,</mo>
              <mi>&omega;</mi>
            </mrow>
          </msub>
          <mrow>
            <mo>(</mo>
            <mi>i</mi>
            <mo>)</mo>
          </mrow>
        </mrow>
      </msup>
      <msub>
        <mi>c</mi>
        <mi>i</mi>
      </msub>
    </mrow>
  </mrow>
  <mo>&lt;</mo>
  <msup>
    <mi>&omega;</mi>
    <mrow>
      <msub>
        <mi>R</mi>
        <mrow>
          <mi>b</mi>
          <mo>,</mo>
          <mi>&omega;</mi>
        </mrow>
      </msub>
      <mrow>
        <mo>(</mo>
        <mi>m</mi>
        <mo>)</mo>
      </mrow>
    </mrow>
  </msup>
</math>, using classical rules of ordinal arithmetic and the induction hypothesis.&#x25a1;</p>

<h3 id="Theorem">Theorem 3.2</h3>

<p>For all <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <mi>a</mi>
    <mo>&Element;</mo>
    <mi>&Nopf;</mi>
  </mrow>
</math>, <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <mo>&Exists;</mo>
    <mrow>
      <mi>n</mi>
      <mo>&Element;</mo>
      <mi>&Nopf;</mi>
    </mrow>
    <mo>,</mo>
    <msub>
      <msup>
        <mi>g</mi>
        <mi>a</mi>
      </msup>
      <mi>n</mi>
    </msub>
    <mo>=</mo>
    <mn>0</mn>
  </mrow>
</math></p>

<p>Proof:</p>

<p>For all <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <mi>n</mi>
    <mo>&GreaterEqual;</mo>
    <mn>2</mn>
  </mrow>
</math>, let <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mi>h</mi>
    <mi>n</mi>
  </msub>
  <mrow>
    <mo>(</mo>
    <mi>a</mi>
    <mo>)</mo>
  </mrow>
  <mo>=</mo>
  <msub>
    <mi>R</mi>
    <mrow>
      <mi>n</mi>
      <mo>,</mo>
      <mi>&omega;</mi>
    </mrow>
  </msub>
  <mrow>
    <mo>(</mo>
    <msub>
      <mi>g</mi>
      <mi>n</mi>
    </msub>
    <mrow>
      <mo>(</mo>
      <mi>a</mi>
      <mo>)</mo>
    </mrow>
    <mo>)</mo>
  </mrow>
</math>. Suppose that <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <mo>&ForAll;</mo>
    <mi>n</mi>
    <mrow>
      <mo>,</mo>
      <msub>
        <msup>
          <mi>g</mi>
          <mi>a</mi>
        </msup>
        <mi>n</mi>
      </msub>
      <mo>&NotEqual;</mo>
      <mn>0</mn>
    </mrow>
  </mrow>
</math>, then: <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mi>h</mi>
    <mrow>
      <mi>n</mi>
      <mo>+</mo>
      <mn>1</mn>
    </mrow>
  </msub>
  <mrow>
    <mo>(</mo>
    <mi>a</mi>
    <mo>)</mo>
  </mrow>
  <mo>=</mo>
  <msub>
    <mi>R</mi>
    <mrow>
      <mi>n</mi>
      <mo>+</mo>
      <mn>1</mn>
      <mo>,</mo>
      <mi>&omega;</mi>
    </mrow>
  </msub>
  <mrow>
    <mo>(</mo>
    <msub>
      <mi>g</mi>
      <mrow>
        <mi>n</mi>
        <mo>+</mo>
        <mn>1</mn>
      </mrow>
    </msub>
    <mrow>
      <mo>(</mo>
      <mi>a</mi>
      <mo>)</mo>
    </mrow>
    <mo>)</mo>
  </mrow>
  <mo>=</mo>
  <msub>
    <mi>R</mi>
    <mrow>
      <mi>n</mi>
      <mo>+</mo>
      <mn>1</mn>
      <mo>,</mo>
      <mi>&omega;</mi>
    </mrow>
  </msub>
  <mrow>
    <mo>(</mo>
    <msub>
      <mi>R</mi>
      <mrow>
        <mi>n</mi>
        <mo>,</mo>
        <mi>n</mi>
        <mo>+</mo>
        <mn>1</mn>
      </mrow>
    </msub>
    <mrow>
      <mo>(</mo>
      <msub>
        <mi>g</mi>
        <mi>n</mi>
      </msub>
      <mrow>
        <mo>(</mo>
        <mi>a</mi>
        <mo>)</mo>
      </mrow>
      <mo>)</mo>
    </mrow>
    <mo>&minus;</mo>
    <mn>1</mn>
    <mo>)</mo>
  </mrow>
</math></p>

<p>By lemma 3.1, <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
 <msub>
    <mi>h</mi>
    <mrow>
      <mi>n</mi>
      <mo>+</mo>
      <mn>1</mn>
    </mrow>
  </msub>
  <mrow>
    <mo>(</mo>
    <mi>a</mi>
    <mo>)</mo>
  </mrow>
  <mrow>
    <mo>&lt;</mo>
    <msub>
      <mi>R</mi>
      <mrow>
        <mi>n</mi>
        <mo>+</mo>
        <mn>1</mn>
        <mo>,</mo>
        <mi>&omega;</mi>
      </mrow>
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    <mrow>
      <mo>(</mo>
      <mi>a</mi>
      <mo>)</mo>
    </mrow>
  </mrow>
</math></p>

<p>Finally, <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mrow>
      <mo>(</mo>
      <msub>
        <mi>h</mi>
        <mi>n</mi>
      </msub>
      <mrow>
        <mo>(</mo>
        <mi>a</mi>
        <mo>)</mo>
      </mrow>
      <mo>)</mo>
    </mrow>
    <mrow>
      <mi>n</mi>
      <mo>&GreaterEqual;</mo>
      <mn>2</mn>
    </mrow>
  </msub>
</math> is a strictly decreasing sequence of ordinals. A
contradiction.&#x25a1;</p>

<h2 id="L5262">4. References</h2>
<ol>
  <li id="ref_wikipedia">Wikipedia.en - <a
    href="http://en.wikipedia.org/wiki/Goodstein%27s_theorem">Goodstein's
    theorem</a></li>
  <li id="ref_dehornoy">Dehornoy (<a
    href="http://www.math.unicaen.fr/~dehornoy/">http://www.math.unicaen.fr/~dehornoy/</a>)
    : Logique et th&eacute;orie des ensembles; Notes de cours, FIMFA ENS -
    Chapitre 2 : Les ordinaux.</li>
  <li id="ref_miller">Miller (<a
    href="http://www.u.arizona.edu/~miller/thesis/">http://www.u.arizona.edu/~miller/thesis/</a>)
    On the Independence of Goodstein's Theorem</li>
  <li id="ref_wang_delisle_freton">Wang, Delisle, Freton - <a
    href="http://www.maths-informatique-jeux.com/maths/nos_demos/tipe_2005_2006.php">D&eacute;monstrations
    et algorithmes : infiniment longs ou impossibles ?</a></li>
</ol>

<p></p>
</body>
</html>
