stringtranslate.com

Нормальный номер

В математике вещественное число называется просто нормальным в целочисленной базе b [1], если его бесконечная последовательность цифр распределена равномерно в том смысле, что каждое из значений b цифр имеет одинаковую естественную плотность  1/ b . Число называется нормальным по основанию b , если для каждого положительного целого числа n все возможные строки длиной n цифр имеют плотность  b n .

Интуитивно, если число просто нормальное, это означает, что ни одна цифра не встречается чаще, чем любая другая. Если число нормальное, никакая конечная комбинация цифр заданной длины не встречается чаще, чем любая другая комбинация той же длины. Нормальное число можно рассматривать как бесконечную последовательность подбрасываний монеты ( двоичная система ) или бросков игральной кости ( основание 6 ). Несмотря на то, что будут такие последовательности, как 10, 100 или более последовательных решек (двоичная система) или пятёрки (по основанию 6), или даже 10, 100 или более повторений такой последовательности, как решка-голова (два последовательных подбрасывания монеты) или 6 -1 (два последовательных броска игральной кости), также будет равно много любой другой последовательности равной длины. Никакая цифра или последовательность не являются «предпочтительными».

Число называется нормальным ( иногда его называют абсолютно нормальным ), если оно нормально во всех целочисленных основаниях, больших или равных 2.

Хотя можно дать общее доказательство того, что почти все действительные числа нормальны (это означает, что множество ненормальных чисел имеет нулевую меру Лебега ), [2] это доказательство не является конструктивным , и было показано, что только несколько конкретных чисел являются нормальный. Например, любая константа Чайтина является нормальной (и невычислимой ). Широко распространено мнение, что (вычислимые) числа √ 2 , π и e нормальны, но доказательство остается неясным. [3]

Определения

Пусть Σ — конечный алфавит из b -цифр, Σ ω — множество всех бесконечных последовательностей , которые можно извлечь из этого алфавита, и Σ ∗ — множество конечных последовательностей или строк . [4] Пусть SΣ ω — такая последовательность. Для каждого a в Σ пусть N S ( a , n ) обозначает количество раз, когда цифра a появляется в первых n цифрах последовательности S. Мы говорим, что S просто нормально , если предел

для каждого а . Теперь пусть w — любая конечная строка из Σ , а N S ( w , n ) — количество раз, когда строка w появляется в качестве подстроки в первых n цифрах последовательности S. (Например, если S = ​​01010101 ... , то N S ( 010 , 8) = 3. ) S является нормальным , если для всех конечных строк wΣ

где | ш | обозначает длину строки w . Другими словами, S является нормальным, если все строки одинаковой длины встречаются с одинаковой асимптотической частотой. Например, в нормальной двоичной последовательности (последовательность в алфавите { 0 , 1 } ) каждый из 0 и 1 встречается с частотой 1/2 ; 00 , 01 , 10 и 11 каждый встречается с частотой 1/4 ; 000 , 001 , 010 , 011 , 100 , 101 , 110 и 111 каждый встречается с частотой 1/8 ; и т. д. Грубо говоря, вероятность найти строку w в любой заданной позиции в S точно такая же, как и ожидалось, если бы последовательность была создана случайным образом .

Предположим теперь, что bцелое число , большее 1, а xдействительное число . Рассмотрим разложение бесконечной последовательности цифр S x , b числа x в позиционной системе счисления по основанию b (мы игнорируем десятичную точку). Мы говорим, что x просто нормален по основанию b, если последовательность S x , b просто нормальна [5] , и что x нормален по базе b , если последовательность S x , b нормальна. [6] Число x называется нормальным числом (или иногда абсолютно нормальным числом ), если оно нормально по основанию b для любого целого числа b , большего 1. [7] [8]

Данная бесконечная последовательность либо нормальна, либо ненормальна, тогда как действительное число, имеющее разное разложение по основанию b для каждого целого числа b ≥ 2 , может быть нормальным в одном основании, но не в другом [9] [10] (в этом случае это не обычное число). Для баз r и s с рациональным log r /log s (так что r = b m и s = bn ) каждое число, нормальное в базе r, является нормальным в базе s . Для оснований r и s с иррациональным log r / log s в каждом основании имеется несчетное количество чисел, нормальных, но не в другом. [10]

Дизъюнктивная последовательность — это последовательность, в которой присутствует каждая конечная строка. Нормальная последовательность является дизъюнктивной, но дизъюнктивная последовательность не обязательно должна быть нормальной. Богатое число по основанию b — это число, разложение которого по основанию b является дизъюнктивным: [11] число, которое дизъюнктивно по отношению к каждому основанию, называется абсолютно дизъюнктивным или называется словарем . Число, нормальное по основанию b, является богатым по основанию b , но не обязательно наоборот. Действительное число x богато базой b тогда и только тогда , когда множество { x b n mod 1: nN } плотно в единичном интервале . [11] [12]

Мы определили, что число является просто нормальным по основанию b , если каждая отдельная цифра появляется с частотой 1b . Для данной базы b число может быть просто нормальным (но не нормальным или b -плотным, [ необходимо пояснение ] ), b -плотным (но не просто нормальным или нормальным), нормальным (и, следовательно, просто нормальным и b -плотным), или ничего из этого. Число является абсолютно ненормальным или абсолютно ненормальным, если оно не является просто нормальным ни по одному основанию. [7] [13]

Свойства и примеры

Понятие нормального числа было введено Эмилем Борелем  (1909). Используя лемму Бореля–Кантелли , он доказал, что почти все действительные числа нормальны, установив существование нормальных чисел. Вацлав Серпинский  (1917) показал, что можно указать конкретное такое число. Бехер и Фигейра (2002) доказали, что существует вычислимое абсолютно нормальное число. Хотя эта конструкция не дает непосредственно цифр построенных чисел, она показывает, что в принципе можно пересчитать каждую цифру того или иного нормального числа.

Набор ненормальных чисел, несмотря на то, что он «большой» в смысле несчетности , также является нулевым набором (поскольку его мера Лебега как подмножества действительных чисел равна нулю, поэтому он по существу не занимает места внутри действительного числа). цифры). Кроме того, ненормальные числа (как и нормальные числа) плотны в действительных числах: множество ненормальных чисел между двумя различными действительными числами непусто, поскольку оно содержит каждое рациональное число (фактически оно неисчислимо). бесконечен [14] и даже сходится ). Например, существует бесчисленное множество чисел, десятичное представление которых (по основанию 3 или выше) не содержит цифры 1, и ни одно из этих чисел не является нормальным.

Постоянная Чамперноуна

0.1234567891011121314151617181920212223242526272829...,

полученный путем объединения десятичных представлений натуральных чисел по порядку, является нормальным по основанию 10. Аналогично, различные варианты константы Чамперноуна (выполненные путем выполнения того же объединения в других основаниях) являются нормальными в своих соответствующих основаниях (например, основание -2 Константы Чамперноуна являются нормальными для основания 2), но их нормальность в других основаниях не доказана.

Константа Коупленда – Эрдеша

0.23571113171923293137414347535961677173798389...,

полученное путем объединения простых чисел по основанию 10, является нормальным по основанию 10, как доказали А. Х. Коупленд и Пол Эрдеш  (1946). В более общем плане последние авторы доказали, что действительное число, представленное в базе b путем конкатенации

0. ж (1) ж (2) ж (3)...,

где f ( n ) — n-е простое число, выраженное по основанию b , является нормальным по основанию b . Безикович  (1935) доказал, что число, представленное одним и тем же выражением, с f ( n ) = n 2 ,

0,149162536496481100121144...,

полученное путем объединения квадратных чисел по основанию 10, является нормальным по основанию 10. Гарольд Давенпорт и Эрдеш (1952) доказали, что число, представленное одним и тем же выражением, где f представляет собой любой непостоянный многочлен, значения которого в положительных целых числах являются положительными целыми числами. , выраженное по основанию 10, является нормальным по основанию 10.

Накаи и Сиокава (1992) доказали, что если f ( x ) — любой непостоянный многочлен с действительными коэффициентами такой, что f ( x ) > 0 для всех x > 0, то действительное число, представленное конкатенацией

0.[ ж (1)][ ж (2)][ ж (3)]...,

где [ f ( n )] — целая часть f ( n ) , выраженная в базе b , является нормальной в базе b . (Этот результат включает в себя в качестве частных случаев все вышеупомянутые результаты Чамперноуна, Безиковича, Давенпорта и Эрдеша.) Авторы также показывают, что тот же результат справедлив даже в более общем случае, когда f — любая функция вида

ж ( Икс ) знак равно α · Икс β + α 1 · Икс β 1 + ... + α d · Икс β d ,

где αs и βs — действительные числа с β > β 1 > β 2 > ... > β d ≥ 0 и f ( x ) > 0 для всех x > 0.

Бэйли и Крэндалл (2002) показывают явный несчетный бесконечный класс b -нормальных чисел, возмущая числа Стоунхэма .

Доказать нормальность чисел, которые не были созданы искусственно, было труднодостижимой целью. Хотя √ 2 , π , ln(2) и e строго предполагаются нормальными, до сих пор неизвестно, нормальны они или нет. Не было даже доказано, что все цифры на самом деле встречаются бесконечно много раз в десятичных разложениях этих констант (например, в случае π популярное утверждение «каждая строка чисел в конечном итоге встречается в π» не является верным). ). [15] Также высказывалась гипотеза, что каждое иррациональное алгебраическое число абсолютно нормально (что означало бы, что 2 нормально), и ни в одной базе не известны контрпримеры. Однако не было доказано, что ни одно иррациональное алгебраическое число является нормальным в каком-либо основании.

Мартин (2001) приводит пример иррационального числа, которое является абсолютно ненормальным. [16] Пусть

Тогда α — число Лиувилля и абсолютно ненормально.

Ненормальные числа

Никакое рациональное число не является нормальным ни в одной системе счисления, поскольку последовательности цифр рациональных чисел в конечном итоге являются периодическими .

Характеристики

Дополнительные свойства нормальных чисел включают в себя:

Подключение к конечным автоматам

Агафонов показал раннюю связь между конечными автоматами и нормальными последовательностями: каждая бесконечная подпоследовательность, выбранная из нормальной последовательности регулярным языком, также является нормальной. Другими словами, если кто-то запускает конечный автомат в нормальной последовательности, где каждое из состояний конечного автомата помечено либо «выход», либо «нет выхода», и машина выводит цифру, которую она читает следующей после ввода состояние «вывод», но не выводит следующую цифру после входа в состояние «нет вывода», тогда выводимая последовательность будет нормальной. [19]

Более глубокая связь существует с игроками с конечным состоянием (FSG) и компрессорами с конечными состояниями без потерь информации (ILFSC).

Шнорр и Стимм показали, что ни одна ФСГ не может добиться успеха в любой нормальной последовательности, а Бурк, Хичкок и Винодчандран показали обратное . Поэтому:

Последовательность является нормальной тогда и только тогда, когда не существует игрока с конечным числом состояний, добившегося успеха в ней.

Зив и Лемпель показали:

Последовательность является нормальной тогда и только тогда, когда она несжимаема любым конечным компрессором без потерь информации.

(на самом деле они показали, что оптимальная степень сжатия последовательности для всех ILFSC — это именно степень ее энтропии , количественная мера ее отклонения от нормальности, которая равна 1 именно тогда, когда последовательность нормальна). Поскольку алгоритм сжатия LZ сжимает асимптотически так же хорошо, как и любой ILFSC, это означает, что алгоритм сжатия LZ может сжимать любую ненормальную последовательность. [20]

Эти характеристики нормальных последовательностей можно интерпретировать как означающие, что «нормальный» = «случайный с конечным состоянием»; т. е. нормальные последовательности — это именно те последовательности, которые кажутся случайными для любого конечного автомата. Сравните это с алгоритмически случайными последовательностями , которые представляют собой те бесконечные последовательности, которые кажутся случайными для любого алгоритма (и фактически имеют схожие характеристики игры и сжатия с машинами Тьюринга, заменяющими конечные автоматы).

Подключение к равнораспределенным последовательностям

Число x является нормальным в базе b тогда и только тогда, когда последовательность равномерно распределена по модулю 1, [21] [22] или, что то же самое, с использованием критерия Вейля , тогда и только тогда, когда

Эта связь приводит к терминологии, согласно которой x является нормальным по основанию β для любого действительного числа β тогда и только тогда, когда последовательность равномерно распределена по модулю 1. [22]

Примечания

  1. ^ Единственные основания, рассматриваемые здесь, - это натуральные числа больше 1.
  2. ^ Бек 2009.
  3. ^ Бэйли и Крэндалл 2002.
  4. ^ ω — наименьшее бесконечное порядковое число ; *звезда Клини .
  5. ^ Бюжо 2012, с. 78.
  6. ^ Бюжо 2012, с. 79.
  7. ^ ab Bugeaud 2012, стр. 102.
  8. ^ Адамчевски и Бюжо 2010, стр. 413.
  9. ^ Кассельс 1959.
  10. ^ Аб Шмидт 1960.
  11. ^ ab Bugeaud 2012, с. 92.
  12. ^ x b n mod 1 обозначает дробную часть x b n .
  13. ^ Мартин 2001.
  14. ^ Биллингсли 2012.
  15. ^ Бэйли и др. 2012.
  16. ^ Бюжо 2012, с. 113.
  17. ^ Стена 1949.
  18. ^ Лонг 1957.
  19. ^ Агафонов 1968.
  20. ^ Зив и Лемпель 1978.
  21. ^ Бюжо 2012, с. 89.
  22. ^ аб Эверест и др. 2003, с. 127.

Смотрите также

Рекомендации

дальнейшее чтение

Внешние ссылки