กลับไปหน้าบทความ

อ่าน 9 นาที

ลำดับที่กระจายอย่างเท่าเทียมกัน

ใน ทางคณิตศาสตร์ ลำดับ( s₁ , s₂ , s₃ , ...) ของ จำนวนจริง เรียกว่ามี การ กระจาย อย่างสม่ำเสมอ ( equidistributed ) หรือ มีการกระจายแบบเอกรูป (uniformly distributed )...

ลำดับที่กระจายอย่างเท่าเทียมกัน

ในทางคณิตศาสตร์ลำดับ( s₁ , s₂ , s₃ , ...) ของจำนวนจริงเรียกว่ามี การ กระจาย อย่างสม่ำเสมอ ( equidistributed )หรือมีการกระจายแบบเอกรูป (uniformly distributed )ถ้าสัดส่วนของพจน์ที่ตกอยู่ในช่วงย่อยใดๆ เป็นสัดส่วนกับความยาวของช่วงย่อยนั้น ลำดับดังกล่าวได้รับการศึกษาใน ทฤษฎี การประมาณค่าไดโอแฟนไทน์ (Diophantine approximation theory) และมีการประยุกต์ใช้ในการหาปริพันธ์แบบมอนเตคาร์โล (Monte Carlo integration )

คำนิยาม

ลำดับ ( s₁ , s₂ , s₃ , ...) ของจำนวนจริงเรียกว่ามีการกระจายอย่างสม่ำเสมอในช่วงที่ไม่เสื่อมสภาพ[ a , b ]ถ้าสำหรับทุกช่วงย่อย [ c , d ] ของ [ a , b ] เรามี

(ในที่นี้ สัญลักษณ์ |{ s 1 ,..., s n } ∩ [ c , d ]| หมายถึงจำนวนองค์ประกอบจากnองค์ประกอบแรกของลำดับ ที่อยู่ระหว่างcและd )

ตัวอย่างเช่น หากลำดับมีการกระจายอย่างสม่ำเสมอในช่วง [0, 2] เนื่องจากช่วง [0.5, 0.9] ครอบคลุม 1/5 ของความยาวของช่วง [0, 2] ดังนั้นเมื่อnมีค่ามาก สัดส่วนของ สมาชิก n ตัวแรก ของลำดับที่ตกอยู่ระหว่าง 0.5 และ 0.9 จะต้องเข้าใกล้ 1/5 กล่าวโดยคร่าว ๆ ก็คือ สมาชิกแต่ละตัวของลำดับมีโอกาสเท่ากันที่จะตกอยู่ในช่วงใดก็ได้ อย่างไรก็ตาม นี่ไม่ได้หมายความว่า ( s n ) เป็นลำดับของตัวแปรสุ่มแต่เป็นลำดับที่แน่นอนของจำนวนจริง

ความไม่สอดคล้องกัน

เรากำหนดความคลาดเคลื่อนD Nสำหรับลำดับ ( s 1 , s 2 , s 3 , ...) เทียบกับช่วง [ ab ] ดังนี้

ดังนั้น ลำดับจะเรียกว่ามีการกระจายอย่างสม่ำเสมอ หากความคลาดเคลื่อนD Nมีแนวโน้มเข้าใกล้ศูนย์เมื่อNมีแนวโน้มเข้าสู่ค่าอนันต์

การกระจายอย่างเท่าเทียมเป็นเกณฑ์ที่ค่อนข้างอ่อนในการแสดงว่าลำดับนั้นเติมเต็มส่วนนั้นโดยไม่เหลือช่องว่าง ตัวอย่างเช่น การสุ่มตัวแปรสุ่มแบบสม่ำเสมอทั่วส่วนหนึ่งจะกระจายอย่างเท่าเทียมในส่วนนั้น แต่จะมีช่องว่างขนาดใหญ่เมื่อเทียบกับลำดับที่แจกแจงค่าทวีคูณของ ε ในส่วนนั้นก่อน สำหรับค่า ε เล็กๆ บางค่า ด้วยวิธีที่เลือกอย่างเหมาะสม แล้วจึงทำเช่นนี้ต่อไปสำหรับค่า ε ที่เล็กลงเรื่อยๆ สำหรับเกณฑ์ที่เข้มงวดกว่าและสำหรับการสร้างลำดับที่กระจายอย่างสม่ำเสมอมากขึ้น โปรดดูที่ ลำดับความคลาดเคลื่อนต่ำ

เกณฑ์อินทิกรัลของรีมันน์สำหรับการกระจายอย่างเท่าเทียมกัน

โปรดจำไว้ว่า ถ้าfเป็นฟังก์ชันที่มีอินทิกรัลรีมันน์ในช่วง [ a , b ] อินทิกรัลของฟังก์ชันนั้นคือลิมิตของผลรวมรีมันน์ที่ได้จากการสุ่มตัวอย่างฟังก์ชันfในเซตของจุดที่เลือกจากการแบ่งช่วงอย่างละเอียด ดังนั้น ถ้าลำดับบางลำดับมีการกระจายอย่างสม่ำเสมอในช่วง [ a , b ] คาดว่าลำดับนี้จะสามารถใช้ในการคำนวณอินทิกรัลของฟังก์ชันที่มีอินทิกรัลรีมันน์ได้ ซึ่งนำไปสู่เกณฑ์ต่อไปนี้[ 1 ]สำหรับลำดับที่มีการกระจายอย่างสม่ำเสมอ:

สมมติว่า ( s₁ , s₂ , s₃ , ...) เป็นลำดับที่อยู่ในช่วง [ a , b ]แล้วเงื่อนไขต่อไปนี้จะเทียบเท่ากัน :

  1. ลำดับดังกล่าวมีการกระจายอย่างเท่าเทียมกันบนช่วง [ a , b ]
  2. สำหรับ ฟังก์ชันf  : [ a , b ] → ที่สามารถ หาปริพันธ์แบบรีมันน์ได้ทุกฟังก์ชัน ลิมิตต่อไปนี้จะเป็นจริง:

เกณฑ์นี้จึงนำไปสู่แนวคิดของการอินทิเกรตแบบมอนเตคาร์โลซึ่งเป็นการคำนวณอินทิกรัลโดยการสุ่มตัวอย่างฟังก์ชันเหนือลำดับของตัวแปรสุ่มที่มีการกระจายอย่างสม่ำเสมอในช่วงเวลาดังกล่าว

ไม่สามารถสรุปเกณฑ์การอินทิกรัลไปใช้กับกลุ่มฟังก์ชันที่ใหญ่กว่าฟังก์ชันที่สามารถอินทิกรัลแบบรีมันน์ได้ ตัวอย่างเช่น หากพิจารณาอินทิกรัลแบบเลเบส และกำหนดให้ fอยู่ในL₁เกณฑ์นี้จะใช้ไม่ได้ตัวอย่างค้าน คือ ให้fเป็นฟังก์ชันบ่งชี้ของลำดับที่มีการกระจายอย่างสม่ำเสมอ ในกรณีนี้ ด้านซ้ายมือจะเป็น 1 เสมอ ในขณะที่ด้านขวามือจะเป็นศูนย์ เนื่องจากลำดับนั้นสามารถนับได้ดังนั้นf จึง เป็นศูนย์เกือบทุกที่

ในความเป็นจริงทฤษฎีบทเดอ บรูอิน-โพสต์ระบุถึงสิ่งที่ตรงกันข้ามกับเกณฑ์ข้างต้น: ถ้าfเป็นฟังก์ชันที่ตรงตามเกณฑ์ข้างต้นสำหรับลำดับที่มีการกระจายเท่ากันใน [ a , b ] แล้วfจะสามารถหาปริพันธ์แบบรีมันน์ได้ใน [ a , b ] [ 2 ]

การกระจายอย่างเท่าเทียมโมดูล 1

ลำดับ ( a 1 , a 2 , a 3 , ...) ของจำนวนจริงเรียกว่ามีการกระจายอย่างสม่ำเสมอแบบมอดูล 1หรือมีการกระจายอย่างสม่ำเสมอแบบมอดูล 1ถ้าลำดับของส่วนเศษส่วนของa nซึ่งแสดงด้วย ( a n ) หรือด้วยa n  − ⌊ a n ⌋ มีการกระจายอย่างสม่ำเสมอในช่วง [0, 1]

ตัวอย่าง

ภาพประกอบแสดงการเติมช่วงหน่วย ( แกน x ) โดยใช้พจน์ n พจน์ แรกของลำดับ Van der Corput สำหรับnตั้งแต่ 0 ถึง 999 ( แกน y ) การไล่ระดับสีเกิดจากปรากฏการณ์เอเลียสซิ่ง
0, α , 2 α , 3 α , 4 α , ...
มีการกระจายอย่างสม่ำเสมอโมดูล 1 [ 3 ]
  • โดยทั่วไปแล้ว ถ้าpเป็นพหุนามที่มีสัมประสิทธิ์อย่างน้อยหนึ่งตัวที่ไม่ใช่พจน์คงที่ และ เป็นจำนวนอตรรกยะ ลำดับp ( n ) จะมีการกระจายอย่างสม่ำเสมอแบบมอดูล 1

สิ่งนี้ได้รับการพิสูจน์โดย Weyl และเป็นการประยุกต์ใช้ทฤษฎีบทความแตกต่างของ van der Corput [ 4 ]

2 α , 3 α , 5 α , 7 α , 11 α , ...
มีการกระจายอย่างสม่ำเสมอโมดูล 1 นี่เป็นทฤษฎีบทที่มีชื่อเสียงของทฤษฎีจำนวนเชิงวิเคราะห์ซึ่งเผยแพร่โดยIM Vinogradovในปี พ.ศ. 2491 [ 5 ]
  • ลำดับvan der Corputมีการกระจายอย่างสม่ำเสมอ[ 6 ]

เกณฑ์ของ Weyl

เกณฑ์ของ Weylระบุว่าลำดับa nมีการกระจายอย่างสม่ำเสมอโมดูล 1 ก็ต่อเมื่อ สำหรับ จำนวนเต็มที่ไม่เป็นศูนย์ℓ ทั้งหมด

เกณฑ์นี้ตั้งชื่อตามและได้รับการคิดค้นขึ้นครั้งแรกโดยHermann Weyl [ 7 ] เกณฑ์นี้ช่วยให้คำถามเกี่ยวกับการกระจายอย่างเท่าเทียมกันสามารถลดลงเหลือเพียงขอบเขตของผลรวมเลขชี้กำลังซึ่งเป็นวิธีการพื้นฐานและทั่วไป

การสรุปโดยทั่วไป

  • อสมการ Erdős–Turánเป็นรูปแบบเชิงปริมาณของเกณฑ์ของWeyl
  • เกณฑ์ของ Weyl สามารถขยายไปสู่มิติ ที่สูงขึ้นได้อย่างเป็นธรรมชาติ โดยถือว่ามีการวางนัยทั่วไปตามธรรมชาติของนิยามของการกระจายอย่างเท่าเทียมกันโมดูล 1:

ลำดับเวกเตอร์v n ใน R kมีการกระจายอย่างสม่ำเสมอโมดูล 1 ก็ต่อเมื่อสำหรับเวกเตอร์ ℓ ∈ Z k ใดๆ ที่  ไม่ เป็นศูนย์

ตัวอย่างการใช้งาน

เกณฑ์ของ Weyl สามารถใช้เพื่อพิสูจน์ทฤษฎีบทการกระจายเท่าๆ กัน ได้อย่างง่ายดาย โดยระบุว่าลำดับของตัวคูณ 0, α , 2 α , 3 α , ... ของจำนวนจริงα บางจำนวน นั้นมีการกระจายเท่าๆ กันโมดูล 1 ก็ต่อเมื่อαเป็นจำนวนอตรรกยะ[ 3 ]

สมมติว่าαเป็นจำนวนอตรรกยะ และให้ลำดับของเราเป็นa j  =  (โดยที่jเริ่มจาก 0 เพื่อให้สูตรง่ายขึ้นในภายหลัง) ให้  ≠ 0 เป็นจำนวนเต็ม เนื่องจากαเป็นจำนวนอตรรกยะ ดังนั้นℓαจึงไม่สามารถเป็นจำนวนเต็มได้ ดังนั้น จึงไม่สามารถเป็น 1 ได้ โดยใช้สูตรสำหรับผลรวมของอนุกรม เรขาคณิต จำกัด

ขอบเขตจำกัดที่ไม่ขึ้นอยู่กับnดังนั้น หลังจากหารด้วยnและให้nมีค่าเข้าสู่∞ ด้านซ้ายมือจะมีค่าเข้าสู่ศูนย์ และเป็นไปตามเกณฑ์ของ Weyl

ในทางกลับกัน โปรดสังเกตว่าหากαเป็นจำนวนตรรกยะ ลำดับนี้จะไม่ เป็นการ กระจาย อย่าง สม่ำเสมอโมดูล 1 เนื่องจากมีตัวเลือกเพียงจำนวนจำกัดสำหรับส่วนที่เป็นเศษส่วนของj  = 

การแจกจ่ายเครื่องแบบอย่างสมบูรณ์

ลำดับของจำนวนจริงจะเรียกว่ามีการแจกแจงแบบเอกรูป k มอด 1ถ้าไม่เพียงแต่ลำดับของส่วนที่เป็นเศษส่วนจะมีการแจกแจงแบบเอกรูปในเท่านั้นแต่ลำดับโดยที่ถูกกำหนดให้เป็น ก็มีการแจกแจงแบบเอก รูป ในด้วย

ลำดับของจำนวนจริงจะเรียกว่ามีการแจกแจงแบบสม่ำเสมอสมบูรณ์ mod 1เมื่อมีการแจกแจงแบบสม่ำเสมอสำหรับจำนวนธรรมชาติแต่ละจำนวน

ตัวอย่างเช่น ลำดับดังกล่าวมีการกระจายแบบเอกรูปมอด 1 (หรือมีการกระจายแบบเอกรูป 1) สำหรับจำนวนอตรรกยะใดๆแต่จะไม่เคยมีการกระจายแบบเอกรูป 2 เลย ในทางตรงกันข้าม ลำดับดังกล่าวมีการกระจายแบบเอกรูปสมบูรณ์สำหรับเกือบทุกจำนวน(กล่าวคือ สำหรับทุกจำนวนยกเว้นเซตที่มีขนาดเป็น 0)

ทฤษฎีบทผลต่างของแวนเดอร์คอร์ปุต

ทฤษฎีบทของJohannes van der Corput [ 8 ]ระบุว่า ถ้าสำหรับแต่ละhลำดับs n + hs nมีการกระจายอย่างสม่ำเสมอโมดูล 1 แล้วs n ก็มีการ กระจาย อย่างสม่ำเสมอเช่นกัน [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]

เซตvan der CorputคือเซตHของจำนวนเต็ม โดยที่ถ้าสำหรับแต่ละhในHลำดับs n + hs nมีการแจกแจงอย่างสม่ำเสมอโมดูล 1 แล้ว s n ก็มีการ แจกแจง อย่างสม่ำเสมอเช่นกัน [ 10 ] [ 11 ]

ทฤษฎีบทเมตริก

ทฤษฎีบทเมตริกอธิบายพฤติกรรมของลำดับที่มีพารามิเตอร์สำหรับ ค่า เกือบทั้งหมดของพารามิเตอร์α บางตัว กล่าวคือ สำหรับค่าของαที่ไม่อยู่ในเซตพิเศษบางเซตของมาตรวัดเลเบสที่เท่ากับศูนย์

  • สำหรับลำดับจำนวนเต็มที่แตกต่างกันb n ใด ลำดับ ( b n α ) จะมีการกระจายเท่ากัน mod 1 สำหรับค่าα เกือบทั้งหมด [ 7 ]
  • ลำดับ ( α n ) มีการกระจายเท่ากัน mod 1 สำหรับค่าα > 1 เกือบทั้งหมด [ 12 ]

ยังไม่ทราบว่าลำดับ ( e n ) หรือ ( π n ) มีการกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอแบบมอด 1 หรือ ไม่ อย่างไรก็ตาม เป็นที่ทราบกันว่าลำดับ ( α n ) ไม่มีการกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอแบบมอด 1 หากαเป็นจำนวน PV

ลำดับที่กระจายตัวอย่างดี

ลำดับ ( s₁, s₂ , s₃ , ... )ของจำนวนจริงเรียกว่ามีการกระจายตัวดีบนช่วง [ a , b ] ถ้าสำหรับช่วงย่อยใดๆ [ c , d ]ของ [ a , b ] เรามี

กระจายอย่างสม่ำเสมอในkเห็นได้ชัดว่าลำดับที่มีการกระจายตัวดีทุกลำดับจะมีการกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอ แต่ในทางกลับกันนั้นไม่เป็นจริง นิยามของการกระจายตัวดีมอดูล 1 ก็คล้ายคลึงกัน

ลำดับที่มีการกระจายอย่างสม่ำเสมอเมื่อเทียบกับมาตรวัดใดๆ

สำหรับปริภูมิการวัดความน่าจะ เป็น ใดๆ ลำดับของจุดจะเรียกว่ามีการกระจายอย่างสม่ำเสมอเมื่อเทียบกับถ้าค่าเฉลี่ยของการวัดจุดลู่เข้าอย่างอ่อนไปยัง: [ 13 ]

ในการวัดความน่าจะเป็นแบบบอเรล ใดๆ บน ปริภูมิ ที่แยกได้และสามารถกำหนดเมตริกได้จะมีลำดับที่มีการกระจายเท่ากันโดยสัมพันธ์กับการวัดนั้น อันที่จริง สิ่งนี้เป็นผลโดยตรงจากข้อเท็จจริงที่ว่าปริภูมิดังกล่าวเป็นปริภูมิ มาตรฐาน

ปรากฏการณ์ทั่วไปของการกระจายอย่างเท่าเทียมกันเกิดขึ้นบ่อยครั้งในระบบพลวัตที่เกี่ยวข้องกับกลุ่มลีตัวอย่างเช่น ในวิธีแก้ปัญหาของมาร์กูลิสสำหรับข้อสันนิษฐานของออปเพนไฮม์

ดูเพิ่มเติม

หมายเหตุ

  1. ไคเปอร์ส แอนด์ นีเดอร์ไรเตอร์ (2006) หน้า 2–3
  2. ^ http://math.uga.edu/~pete/udnotes.pdf , ทฤษฎีบทที่ 8
  3. a b cไคเปอร์ส และนีเดอร์ไรเตอร์ (2006) หน้า. 8
  4. ไคเปอร์ส และนีเดอร์ไรเตอร์ (2006) หน้า. 27
  5. ไคเปอร์ส และนีเดอร์ไรเตอร์ (2006) หน้า. 129
  6. ไคเปอร์ส และนีเดอร์ไรเตอร์ (2006) หน้า. 127
  7. เป็นไวล์, เอช. (กันยายน 1916). "Über die Gleichverteilung von Zahlen mod. Eins" [เกี่ยวกับการแจกแจงของตัวเลขแบบโมดูโลวัน] (PDF ) คณิตศาสตร์. แอน. (ในภาษาเยอรมัน) 77 (3): 313– 352. ดอย : 10.1007/BF01475864 . S2CID  123470919 .
  8. van der Corput, J. (1931), "Diophantische Ungleichungen. I. Zur Gleichverteilung Modulo Eins", Acta Mathematica , 56 , Springer เนเธอร์แลนด์: 373– 456, doi : 10.1007/BF02545780 , ISSN 0001-5962 , JFM 57.0230.05 , Zbl 0001.20102   
  9. ไคเปอร์ส และนีเดอร์ไรเตอร์ (2006) หน้า. 26
  10. ^ a b Montgomery (1994) หน้า 18
  11. ^ a b Montgomery, Hugh L. (2001). "การวิเคราะห์ฮาร์มอนิกตามที่พบในทฤษฎีจำนวนเชิงวิเคราะห์" (PDF)ใน Byrnes, James S. (บรรณาธิการ). การวิเคราะห์ฮาร์มอนิกในศตวรรษที่ 20 – การเฉลิมฉลอง รายงานการประชุมของสถาบันการศึกษาขั้นสูงของนาโต, Il Ciocco, อิตาลี, 2–15 กรกฎาคม 2000. NATO Sci. Ser. II, Math. Phys. Chem. Vol. 33. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers. หน้า  271–293 . doi : 10.1007/978-94-010-0662-0_13 . ISBN 978-0-7923-7169-4. Zbl  1001.11001 .
  12. Koksma, JF (1935), "Ein mengentheoretischer Satz über die Gleichverteilung modulo Eins" , Compositio Mathematica , 2 : 250– 258, JFM 61.0205.01 , Zbl 0012.01401  
  13. ไคเปอร์ส และนีเดอร์ไรเตอร์ (2006) หน้า. 171

อ่านเพิ่มเติม

  • Granville, Andrew; Rudnick, Zeév, บรรณาธิการ (2007). การกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอในทฤษฎีจำนวน บทนำ รายงานการประชุมสถาบันการศึกษาขั้นสูงของนาโตว่าด้วยการกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอในทฤษฎีจำนวน มอนทรีออล ประเทศแคนาดา 11-22 กรกฎาคม 2548 ชุดวิทยาศาสตร์ของนาโต เล่ม ที่ 2: คณิตศาสตร์ ฟิสิกส์ และเคมี เล่มที่ 237 ดอร์เดรชท์: Springer-Verlag ISBN 978-1-4020-5403-7. Zbl  1121.11004 .
  • Tao, Terence (2012). การวิเคราะห์ฟูริเยร์ลำดับสูง . การศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาทางคณิตศาสตร์ . เล่มที่ 142. พรอวิเดนซ์, โรดไอแลนด์: สมาคมคณิตศาสตร์อเมริกัน . ISBN 978-0-8218-8986-2. Zbl  1277.11010 .
ดึงข้อมูลมาจาก " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Equidistributed_sequence&oldid=1310219003 "

สรุปเนื้อหา

ข้อมูลสำคัญจากบทความ

ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ ลำดับที่กระจายอย่างเท่าเทียมกัน

ใน ทางคณิตศาสตร์ ลำดับ( s₁ , s₂ , s₃ , ...) ของ จำนวนจริง เรียกว่ามี การ กระจาย อย่างสม่ำเสมอ ( equidistributed ) หรือ มีการกระจายแบบเอกรูป (uniformly distributed )...

คำนิยาม

ลำดับ ( s₁ , s₂ , s₃ , ...) ของ จำนวนจริง เรียกว่ามีการ กระจายอย่างสม่ำเสมอ ใน ช่วง ที่ไม่เสื่อมสภาพ [ a , b ] ถ้าสำหรับทุกช่วงย่อย [ c , d ] ของ [ a , b ] เรามี

ความไม่สอดคล้องกัน

เรากำหนด ความคลาดเคลื่อน D N สำหรับลำดับ ( s 1 , s 2 , s 3 , ...) เทียบกับช่วง [ a , b ] ดังนี้

เกณฑ์อินทิกรัลของรีมันน์สำหรับการกระจายอย่างเท่าเทียมกัน

โปรดจำไว้ว่า ถ้า f เป็น ฟังก์ชัน ที่มี อินทิกรัลรีมันน์ ในช่วง [ a , b ] อินทิกรัลของฟังก์ชันนั้นคือลิมิตของ ผลรวมรีมันน์ ที่ได้จากการสุ่มตัวอย่างฟังก์ชัน f ใน เซต ของจุดที่เลือกจากการแบ่งช่วงอย่างละเอียด ดังนั้น ถ้าลำดับบางลำดับมีการกระจายอย่างสม่ำเสมอในช่วง...