กลับไปหน้าบทความ

อ่าน 14 นาที

ลำดับความคลาดเคลื่อนต่ำ

ใน ทางคณิตศาสตร์ ลำดับ ความคลาดเคลื่อนต่ำ คือ ลำดับ ที่มีคุณสมบัติว่า สำหรับทุกค่าของ เอ็น {\displaystyle N} ลำดับย่อยของมัน x 1 , … , x เอ็น {\displaystyle x_{1},\ldots ,x_{N}}...

ลำดับความคลาดเคลื่อนต่ำ

ในทางคณิตศาสตร์ลำดับความคลาดเคลื่อนต่ำคือลำดับที่มีคุณสมบัติว่า สำหรับทุกค่าของเอ็น{\displaystyle N}ลำดับย่อยของมันx1,,xเอ็น{\displaystyle x_{1},\ldots ,x_{N}}มีความคลาดเคลื่อนต่ำ

โดยคร่าวๆ แล้ว ความคลาดเคลื่อนของลำดับจะต่ำ หากสัดส่วนของจุดในลำดับที่ตกอยู่ในเซตB ใดๆ ใกล้เคียงกับสัดส่วนของค่า B ซึ่งจะเกิดขึ้นโดยเฉลี่ย (แต่ไม่ใช่สำหรับตัวอย่างเฉพาะ) ในกรณีของลำดับที่มีการกระจาย อย่างสม่ำเสมอ คำจำกัดความเฉพาะของความคลาดเคลื่อนจะแตกต่างกันไปตามการเลือกB ( ทรงกลมหลายมิติลูกบาศก์หลายมิติฯลฯ) และวิธีการคำนวณ (โดยปกติจะทำให้เป็นมาตรฐาน) และการรวมความคลาดเคลื่อนสำหรับแต่ละ B (โดยปกติจะใช้ค่าที่แย่ที่สุด)

ลำดับความคลาดเคลื่อนต่ำเรียกอีกอย่างว่า ลำดับ กึ่งสุ่มเนื่องจากมีการใช้กันอย่างแพร่หลายแทนตัวเลขสุ่ม ที่มีการกระจายแบบสม่ำเสมอ คำว่า "กึ่ง" ใช้เพื่อบ่งบอกให้ชัดเจนยิ่งขึ้นว่าค่าของลำดับความคลาดเคลื่อนต่ำนั้นไม่ใช่ทั้งตัวเลขสุ่มหรือตัวเลขสุ่มเทียมแต่ลำดับดังกล่าวมีคุณสมบัติบางอย่างร่วมกับตัวแปรสุ่ม และในบางแอปพลิเคชัน เช่นวิธีควาซี-มอนเตคาร์โลความคลาดเคลื่อนที่ต่ำกว่าถือเป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญ

แอปพลิเคชัน

ข้อผิดพลาดในการประมาณค่าความโค้ง (kurtosis) เป็นฟังก์ชันของจำนวนจุดข้อมูล 'Additive quasirandom' ให้ข้อผิดพลาดสูงสุดเมื่อc  =  ( 5 1)/2 'Random' ให้ข้อผิดพลาดเฉลี่ยจากการสุ่มตัวเลข 6 ครั้ง โดยการหาค่าเฉลี่ยเพื่อลดขนาดของการผันผวนที่รุนแรง  

ตัวเลขกึ่งสุ่มมีข้อดีเหนือกว่าตัวเลขสุ่มแท้ตรงที่มันครอบคลุมขอบเขตที่สนใจได้อย่างรวดเร็วและสม่ำเสมอ

การประยุกต์ใช้ที่มีประโยชน์สองประการ ได้แก่ การหาฟังก์ชันลักษณะเฉพาะของฟังก์ชันความหนาแน่นความน่าจะเป็นและการหา ฟังก์ชัน อนุพันธ์ของฟังก์ชันเชิงกำหนดที่มีสัญญาณรบกวนน้อย ตัวเลขกึ่งสุ่มช่วยให้ สามารถคำนวณ โมเมนต์ ลำดับสูง ได้อย่างแม่นยำและรวดเร็วมาก

การประยุกต์ใช้ที่ไม่เกี่ยวข้องกับการเรียงลำดับ ได้แก่ การหาค่าเฉลี่ยค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานค่าความเบ้และค่าความโค้งของข้อมูลทางสถิติ และการหาค่าสูงสุดและต่ำสุดทั้งแบบอินทิกรัลและแบบทั่วโลกของฟังก์ชันเชิงกำหนดที่ซับซ้อน นอกจากนี้ ตัวเลขกึ่งสุ่มยังสามารถใช้เป็นจุดเริ่มต้นสำหรับอัลกอริธึมเชิงกำหนดที่ทำงานได้เฉพาะในพื้นที่ เช่นการวนซ้ำแบบนิวตัน-ราฟสัน

ตัวเลขกึ่งสุ่มยังสามารถนำมาใช้ร่วมกับอัลกอริธึมการค้นหาได้อีกด้วย โดยใช้อัลกอริธึมการค้นหาตัวเลขกึ่งสุ่มสามารถใช้ในการหาค่าฐานนิยม ค่ามัธยฐาน ช่วงความเชื่อมั่นและการกระจายสะสมของการกระจายทางสถิติ รวมถึงค่าต่ำสุดเฉพาะที่ ทั้งหมด และคำตอบทั้งหมดของฟังก์ชันเชิงกำหนดได้

ลำดับความคลาดเคลื่อนต่ำในการอินทิเกรตเชิงตัวเลข

วิธีการต่างๆ ในการอินทิเกรตเชิงตัวเลขสามารถกล่าวได้ว่าเป็นการประมาณค่าอินทิกรัลของฟังก์ชันเอฟ{\displaystyle f}ในช่วงเวลาหนึ่ง เช่น[0,1]โดยเป็นค่าเฉลี่ยของฟังก์ชันที่ประเมิน ณ ชุดข้อมูลหนึ่ง{x1,,xเอ็น}{\displaystyle \{x_{1},\dots ,x_{N}}\}ในช่วงเวลานั้น: 01เอฟ(คุณ)คุณ1เอ็นฉัน=1เอ็นเอฟ(xฉัน).{\displaystyle \int _{0}^{1}f(u)\,du\approx {\frac {1}{N}}\,\sum _{i=1}^{N}f(x_{i}).}

หากเลือกจุดต่างๆ ดังนี้ xฉัน=ฉัน/เอ็น{\displaystyle x_{i}=i/N}นี่คือกฎสี่เหลี่ยมผืนผ้าหากเลือกจุดให้กระจายแบบสุ่ม (หรือแบบสุ่มเทียม ) นี่คือวิธีมอนเตคาร์โลหากเลือกจุดเป็นองค์ประกอบของลำดับที่มีความคลาดเคลื่อนต่ำ นี่คือวิธีควาซีมอนเตคาร์โลผลลัพธ์ที่น่าทึ่งคืออสมการ Koksma–Hlawka (ที่กล่าวไว้ด้านล่าง) แสดงให้เห็นว่าข้อผิดพลาดของวิธีการดังกล่าวสามารถจำกัดได้ด้วยผลคูณของสองพจน์ โดยพจน์หนึ่งขึ้นอยู่กับเท่านั้นเอฟ{\displaystyle f}และอีกประการหนึ่งคือความไม่สอดคล้องกันของชุดข้อมูล{x1,,xเอ็น}{\displaystyle \{x_{1},\dots ,x_{N}}\}.

การประกอบชุดนั้นสะดวก{x1,,xเอ็น}{\displaystyle \{x_{1},\dots ,x_{N}}\}ในลักษณะที่ว่าหากชุดที่มีเอ็น+1{\displaystyle N+1}องค์ประกอบต่างๆ ถูกสร้างขึ้นแล้ว ก่อนหน้านี้เอ็น{\displaystyle N}ไม่จำเป็นต้องคำนวณองค์ประกอบใหม่ กฎสี่เหลี่ยมผืนผ้าใช้ชุดจุดที่มีความคลาดเคลื่อนต่ำ แต่โดยทั่วไปแล้วจะต้องคำนวณองค์ประกอบใหม่หากเอ็น{\displaystyle N}เพิ่มขึ้น ไม่จำเป็นต้องคำนวณองค์ประกอบใหม่ในวิธีการมอนเตคาร์โลแบบสุ่มหากเอ็น{\displaystyle N}ค่าเพิ่มขึ้น แต่ชุดจุดไม่ได้มีความคลาดเคลื่อนน้อยที่สุด การใช้ลำดับที่มีความคลาดเคลื่อนต่ำนั้นมุ่งหวังที่จะให้ความคลาดเคลื่อนต่ำและไม่จำเป็นต้องคำนวณใหม่ แต่ในความเป็นจริงแล้ว ลำดับที่มีความคลาดเคลื่อนต่ำจะดีขึ้นเรื่อยๆ ในแง่ของความคลาดเคลื่อนก็ต่อเมื่อเราไม่อนุญาตให้มีการคำนวณใหม่เท่านั้น

นิยามของความคลาดเคลื่อน

ความคลาดเคลื่อนของชุดพี={x1,,xเอ็น}{\displaystyle P=\{x_{1},\dots ,x_{N}}\}ถูกกำหนดโดยใช้ สัญกรณ์ ของ Niederreiterดังนี้ ดีเอ็น(พี)=จีบบีเจ|เอ(บี;พี)เอ็นλ(บี)|{\displaystyle D_{N}(P)=\sup _{B\in J}\left|{\frac {A(B;P)}{N}}-\lambda _{s}(B)\right|}

ที่ไหนλ{\displaystyle \lambda _{s}}คือ{\displaystyle s}การ วัดแบบเลเบสแบบหลายมิติเอ(บี;พี){\displaystyle A(B;P)}คือจำนวนจุดในพี{\displaystyle P}ที่ตกอยู่ในบี{\displaystyle B}, และเจ{\displaystyle J}คือชุดของ{\displaystyle s}ช่วงมิติหรือกล่องในรูปแบบ

ฉัน=1[เอฉัน,ฉัน)={xอาร์:เอฉันxฉัน<ฉัน}{\displaystyle \prod _{i=1}^{s}[a_{i},b_{i})=\{\mathbf {x} \in \mathbf {R} ^{s}:a_{i}\leq x_{i}<b_{i}\}\,}

ที่ไหน0เอฉัน<ฉัน1{\displaystyle 0\leq a_{i}<b_{i}\leq 1}.

ความคลาดเคลื่อนของดวงดาวดีเอ็น*(พี){\displaystyle D_{N}^{*}(P)}มีนิยามที่คล้ายกัน ยกเว้นว่าค่าสูงสุดจะหาจากเซตเจ*{\displaystyle J^{*}}ของกล่องสี่เหลี่ยมผืนผ้าในรูปแบบ

ฉัน=1[0,คุณฉัน){\displaystyle \prod _{i=1}^{s}[0,u_{i})}

ที่ไหนคุณฉัน{\displaystyle u_{i}}อยู่ในช่วงครึ่งเปิด[0, 1 )

ทั้งสองมีความเกี่ยวข้องกันโดย

ดีเอ็น*ดีเอ็น2ดีเอ็น*.{\displaystyle D_{N}^{*}\leq D_{N}\leq 2^{s}D_{N}^{*}.\,}

หมายเหตุ : ตามคำจำกัดความเหล่านี้ ความคลาดเคลื่อนหมายถึงกรณีที่เลวร้ายที่สุดหรือค่าเบี่ยงเบนความหนาแน่นสูงสุดของชุดข้อมูลที่เป็นเอกรูป อย่างไรก็ตาม มาตรวัดข้อผิดพลาดอื่นๆ ก็มีความหมายเช่นกัน ซึ่งนำไปสู่คำจำกัดความและมาตรวัดความแปรผันอื่นๆ ตัวอย่างเช่นแอล2{\displaystyle L^{2}}-ความคลาดเคลื่อนหรือการปรับศูนย์กลางแอล2{\displaystyle L^{2}}-ความคลาดเคลื่อนยังถูกนำมาใช้อย่างมากในการเปรียบเทียบคุณภาพของชุดจุดสม่ำเสมอ ทั้งสองอย่างคำนวณได้ง่ายกว่ามากสำหรับค่าขนาดใหญ่เอ็น{\displaystyle N}และ{\displaystyle s}.

อสมการค็อกมา-ฮลอกา

อนุญาตฉัน¯{\displaystyle {\overline {I}}^{s}}เป็น{\displaystyle s}ลูกบาศก์หน่วยมิติฉัน¯=[0,1]××[0,1]{\displaystyle {\overline {I}}^{s}=[0,1]\times \cdots \times [0,1]}. อนุญาตเอฟ{\displaystyle f}มีการเปลี่ยนแปลงที่จำกัดวี(เอฟ){\displaystyle V(f)}บนฉัน¯{\displaystyle {\overline {I}}^{s}}ในความหมายของฮาร์ดี้และเคราส์ จากนั้นสำหรับสิ่งใดก็ตามx1,,xเอ็น{\displaystyle x_{1},\ldots ,x_{N}}ในฉัน=[0,1)=[0,1)××[0,1){\displaystyle I^{s}=[0,1)^{s}=[0,1)\times \cdots \times [0,1)},

|1เอ็นฉัน=1เอ็นเอฟ(xฉัน)ฉัน¯เอฟ(คุณ)คุณ|วี(เอฟ)ดีเอ็น*(x1,,xเอ็น).{\displaystyle \left|{\frac {1}{N}}\sum _{i=1}^{N}f(x_{i})-\int _{{\bar {I}}^{s}}f(u)\,du\right|\leq V(f)\,D_{N}^{*}(x_{1},\ldots ,x_{N}).} อสมการKoksmaHlawkaมีความคมชัดในความหมายดังต่อไปนี้: สำหรับเซตของจุดใดๆ{x1,,xเอ็น}{\displaystyle \{x_{1},\ldots ,x_{N}\}}ในฉัน{\displaystyle I^{s}}และใดๆε>0{\displaystyle \varepsilon >0}มีฟังก์ชันอยู่เอฟ{\displaystyle f}โดยมีการเปลี่ยนแปลงที่จำกัดและวี(เอฟ)=1{\displaystyle V(f)=1}โดยที่

|1เอ็นฉัน=1เอ็นเอฟ(xฉัน)ฉัน¯เอฟ(คุณ)คุณ|>ดีเอ็น*(x1,,xเอ็น)ε.{\displaystyle \left|{\frac {1}{N}}\sum _{i=1}^{N}f(x_{i})-\int _{{\bar {I}}^{s}}f(u)\,du\right|>D_{N}^{*}(x_{1},\ldots ,x_{N})-\varepsilon .}

ดังนั้น คุณภาพของกฎการอินทิเกรตเชิงตัวเลขจึงขึ้นอยู่กับความคลาดเคลื่อนเท่านั้นดีเอ็น*(x1,,xเอ็น){\displaystyle D_{N}^{*}(x_{1},\ldots ,x_{N})}.

สูตรของฮลอกา–ซาเร็มบา

อนุญาตดี={1,2,,}{\displaystyle D=\{1,2,\ldots ,d\}}. สำหรับคุณดี{\displaystyle \emptyset \neq u\subseteq D}เราเขียน xคุณ:=เจคุณxเจ{\displaystyle dx_{u}:=\prod _{j\in u}dx_{j}} และกำหนดให้เป็น(xคุณ,1){\displaystyle (x_{u},1)}จุดที่ได้จากxโดยการแทนที่พิกัดที่ไม่ได้อยู่ในuด้วย1{\displaystyle 1}. แล้ว

1เอ็นฉัน=1เอ็นเอฟ(xฉัน)ฉัน¯เอฟ(คุณ)คุณ=คุณดี(1)|คุณ|[0,1]|คุณ|ดิสก์(xคุณ,1)|คุณ|xคุณเอฟ(xคุณ,1)xคุณ,{\displaystyle {\frac {1}{N}}\sum _{i=1}^{N}f(x_{i})-\int _{{\bar {I}}^{s}}f(u)\,du=\sum _{\emptyset \neq u\subseteq D}(-1)^{|u|}\int _{[0,1]^{|u|}}\operatorname {disc} (x_{u},1){\frac {\partial ^{|u|}}{\partial x_{u}}}f(x_{u},1)\,dx_{u},}

ที่ไหนดิสก์(z)=1เอ็นฉัน=1เอ็นเจ=11[0,zเจ)(xฉัน,เจ)เจ=1zฉัน{\displaystyle \operatorname {disc} (z)={\frac {1}{N}}\sum _{i=1}^{N}\prod _{j=1}^{d}1_{[0,z_{j})}(x_{i,j})-\prod _{j=1}^{d}z_{i}}คือฟังก์ชันความคลาดเคลื่อน

เวอร์ชัน L 2ของอสมการค็อกมา–ฮลอว์กา

เมื่อนำอสมการโคชี-ชวาร์ซสำหรับปริพันธ์และผลรวมมาใช้กับเอกลักษณ์ฮลาวกา-ซาเรมบา เราจะได้แอล2{\displaystyle L^{2}}เวอร์ชันของอสมการค็อกมา-ฮลอว์กา:

|1เอ็นฉัน=1เอ็นเอฟ(xฉัน)ฉัน¯เอฟ(คุณ)คุณ|เอฟดิสก์({ทีฉัน}),{\displaystyle \left|{\frac {1}{N}}\sum _{i=1}^{N}f(x_{i})-\int _{{\bar {I}}^{s}}f(u)\,du\right|\leq \|f\|_{d}\operatorname {disc} _{d}(\{t_{i}\}),}

ที่ไหน

ดิสก์({ทีฉัน})=(คุณดี[0,1]|คุณ|ดิสก์(xคุณ,1)2xคุณ)1/2{\displaystyle \operatorname {disc} _{d}(\{t_{i}\})=\left(\sum _{\emptyset \neq u\subseteq D}\int _{[0,1]^{|u|}}\operatorname {disc} (x_{u},1)^{2}\,dx_{u}\right)^{1/2}}

และ

เอฟ=(คุณดี[0,1]|คุณ|||คุณ|xคุณเอฟ(xคุณ,1)|2xคุณ)1/2.{\displaystyle \|f\|_{d}=\left(\sum _{u\subseteq D}\int _{[0,1]^{|u|}}\left|{\frac {\partial ^{|u|}}{\partial x_{u}}}f(x_{u},1)\right|^{2}dx_{u}\right)^{1/2}.}

แอล2{\displaystyle L^{2}}ความคลาดเคลื่อนมีความสำคัญในทางปฏิบัติสูง เนื่องจากสามารถคำนวณได้อย่างรวดเร็วและชัดเจนสำหรับชุดจุดที่กำหนด ด้วยวิธีนี้จึงง่ายต่อการสร้างตัวเพิ่มประสิทธิภาพชุดจุดโดยใช้แอล2{\displaystyle L^{2}}ความแตกต่างเป็นเกณฑ์

ความไม่เท่าเทียมกันระหว่างแอร์ดอส-ตูรัน-ค็อกสมา

การหาค่าที่แน่นอนของความคลาดเคลื่อนของชุดจุดขนาดใหญ่เป็นเรื่องยากในเชิงคำนวณ อสมการ ErdősTuránKoksmaให้ค่าขอบเขตบน

อนุญาตx1,,xเอ็น{\displaystyle x_{1},\ldots ,x_{N}}เป็นจุดในฉัน{\displaystyle I^{s}}และชม{\displaystyle H}ให้ เป็นจำนวนเต็มบวกใดๆ ก็ได้ แล้ว

ดีเอ็น*(x1,,xเอ็น)(32)(2ชม+1+0<ชม.ชม1(ชม.)|1เอ็นn=1เอ็นอี2πฉันชม.,xn|){\displaystyle D_{N}^{*}(x_{1},\ldots ,x_{N})\leq \left({\frac {3}{2}}\right)^{s}\left({\frac {2}{H+1}}+\sum _{0<\|h\|_{\infty }\leq H}{\frac {1}{r(h)}}\left|{\frac {1}{N}}\sum _{n=1}^{N}e^{2\pi i\langle h,x_{n}\rangle }\right|\right)}

ที่ไหน

(ชม.)=ฉัน=1สูงสุด{1,|ชม.ฉัน|}สำหรับชม.=(ชม.1,,ชม.).{\displaystyle r(h)=\prod _{i=1}^{s}\max\{1,|h_{i}|\}\quad {\text{for}}\quad h=(h_{1},\ldots ,h_{s})\in \mathbb {Z} ^{s}.}

ข้อสันนิษฐานหลัก

ข้อสันนิษฐานที่ 1.มีค่าคงที่อยู่ค่าหนึ่ง{\displaystyle c_{s}}ขึ้นอยู่กับมิติเท่านั้น{\displaystyle s}โดยที่ ดีเอ็น*(x1,,xเอ็น)(lnเอ็น)1เอ็น{\displaystyle D_{N}^{*}(x_{1},\ldots ,x_{N})\geq c_{s}{\frac {(\ln N)^{s-1}}{N}}} สำหรับเซตจุดจำกัดใดๆx1,,xเอ็น{\displaystyle {x_{1},\ldots ,x_{N}}}.

ข้อสันนิษฐานที่ 2.มีค่าคงที่อยู่ค่าหนึ่ง{\displaystyle c'_{s}}ขึ้นอยู่กับ :{\displaystyle s}โดยที่:ดีเอ็น*(x1,,xเอ็น)(lnเอ็น)เอ็น{\displaystyle D_{N}^{*}(x_{1},\ldots ,x_{N})\geq c'_{s}{\frac {(\ln N)^{s}}{N}}}

สำหรับจำนวนอนันต์ของเอ็น{\displaystyle N}สำหรับลำดับอนันต์ใดๆx1,x2,x3,{\displaystyle x_{1},x_{2},x_{3},\ldots }.

ข้อสันนิษฐานเหล่านี้เทียบเท่ากัน พวกมันได้รับการพิสูจน์แล้ว2{\displaystyle s\leq 2}โดยWM Schmidtในมิติที่สูงกว่า ปัญหาที่เกี่ยวข้องยังคงไม่มีคำตอบ ขอบเขตล่างที่เป็นที่รู้จักดีที่สุดมาจากMichael Laceyและผู้ร่วมงาน

ขอบเขตล่าง

อนุญาต=1{\displaystyle s=1}. แล้ว

ดีเอ็น*(x1,,xเอ็น)12เอ็น{\displaystyle D_{N}^{*}(x_{1},\ldots ,x_{N})\geq {\frac {1}{2N}}}

สำหรับเซตจุดจำกัดใดๆ{x1,,xเอ็น}{\displaystyle \{x_{1},\dots ,x_{N}}\}.

อนุญาต=2{\displaystyle s=2}ดับเบิลยู . เอ็ม. ชมิดต์พิสูจน์ว่าสำหรับเซตจุดจำกัดใดๆ{x1,,xเอ็น}{\displaystyle \{x_{1},\dots ,x_{N}}\},

ดีเอ็น*(x1,,xเอ็น)ซีบันทึกเอ็นเอ็น{\displaystyle D_{N}^{*}(x_{1},\ldots ,x_{N})\geq C{\frac {\log N}{N}}}

ที่ไหน

ซี=สูงสุดเอ3116เอ2เอบันทึกเอ=0.023335.{\displaystyle C=\max _{a\geq 3}{\frac {1}{16}}{\frac {a-2}{a\log a}}=0.023335\dots .}

สำหรับมิติใดๆ ก็ตาม>1{\displaystyle s>1}เคเอฟ รอธพิสูจน์แล้วว่า

ดีเอ็น*(x1,,xเอ็น)1241((1)บันทึก2)12บันทึก12เอ็นเอ็น{\displaystyle D_{N}^{*}(x_{1},\ldots ,x_{N})\geq {\frac {1}{2^{4s}}}{\frac {1}{((s-1)\log 2)^{\frac {s-1}{2}}}}{\frac {\log ^{\frac {s-1}{2}}N}{N}}}

สำหรับเซตจุดจำกัดใดๆ{x1,,xเอ็น}{\displaystyle \{x_{1},\dots ,x_{N}}\}Jozef Beck [ 1 ]ได้สร้างการปรับปรุงลอการิทึมคู่ของผลลัพธ์นี้ในสามมิติ ซึ่งได้รับการปรับปรุงโดย D. Bilyk และMT Laceyให้เป็นกำลังของลอการิทึมเดี่ยว ขอบเขตที่ทราบดีที่สุดสำหรับs  >  2 มาจาก D. Bilyk และMT Laceyและ A. Vagharshakyan [ 2 ]มีอยู่ที>0{\displaystyle t>0}ขึ้นอยู่กับsเพื่อให้ ดีเอ็น*(x1,,xเอ็น)ทีบันทึก12+ทีเอ็นเอ็น{\displaystyle D_{N}^{*}(x_{1},\ldots ,x_{N})\geq t{\frac {\log ^{{\frac {s-1}{2}}+t}N}{N}}}

สำหรับเซตจุดจำกัดใดๆ {x1,,xเอ็น}{\displaystyle \{x_{1},\dots ,x_{N}}\}.

ขอบล่างทั่วไปของความคลาดเคลื่อนในท้องถิ่นโดยเฉลี่ยสามารถคำนวณได้โดยใช้เพียงขนาดช่องว่างขั้นต่ำและขนาดช่องว่างที่อยู่เหนือช่องว่างโดยเฉลี่ย[ 3 ]

การสร้างลำดับที่มีความคลาดเคลื่อนต่ำ

เนื่องจากการกระจายตัวของตัวเลขสุ่มใดๆ ก็สามารถแปลงไปเป็นการกระจายตัวแบบเอกรูปได้ และตัวเลขกึ่งสุ่มก็ถูกแปลงในลักษณะเดียวกัน บทความนี้จึงกล่าวถึงเฉพาะการสร้างตัวเลขกึ่งสุ่มบนการกระจายตัวแบบเอกรูปหลายมิติเท่านั้น

มีโครงสร้างของลำดับที่ทราบกันอยู่หลายแบบดังนี้ ดีเอ็น*(x1,,xเอ็น)ซี(lnเอ็น)เอ็น.{\displaystyle D_{N}^{*}(x_{1},\ldots ,x_{N})\leq C{\frac {(\ln N)^{s}}{N}}.} ที่ไหนซี{\displaystyle C}เป็นค่าคงที่ค่าหนึ่ง ขึ้นอยู่กับลำดับ หลังจากข้อสันนิษฐานที่ 2 เชื่อกันว่าลำดับเหล่านี้มีลำดับการลู่เข้าที่ดีที่สุด ตัวอย่างด้านล่างคือลำดับ van der CorputลำดับHaltonและลำดับ Sobol'ข้อจำกัดทั่วไปประการหนึ่งคือ วิธีการสร้างมักจะรับประกันได้เพียงลำดับการลู่เข้าเท่านั้น ในทางปฏิบัติ ความคลาดเคลื่อนต่ำสามารถทำได้ก็ต่อเมื่อเอ็น{\displaystyle N}มีขนาดใหญ่พอ และสำหรับค่า s ที่กำหนดขนาดใหญ่ ค่าต่ำสุดนี้เอ็น{\displaystyle N}อาจมีขนาดใหญ่มาก ซึ่งหมายความว่าต้องทำการวิเคราะห์แบบมอนเตคาร์โลด้วย เช่น=20{\displaystyle s=20}ตัวแปรและเอ็น=1000{\displaystyle N=1000}จุดต่างๆ จากตัวสร้างลำดับที่มีความคลาดเคลื่อนต่ำ อาจให้ผลลัพธ์ด้านความแม่นยำที่ดีขึ้น เพียงเล็กน้อยเท่านั้น

ตัวเลขสุ่ม

ลำดับของตัวเลขกึ่งสุ่มสามารถสร้างขึ้นได้จากตัวเลขสุ่มโดยการกำหนดความสัมพันธ์เชิงลบให้กับตัวเลขสุ่มเหล่านั้น วิธีหนึ่งในการทำเช่นนี้คือการเริ่มต้นด้วยชุดตัวเลขสุ่มฉัน{\displaystyle r_{i}}บน[0,0.5){\displaystyle [0,0.5)}และสร้างตัวเลขกึ่งสุ่มฉัน{\displaystyle s_{i}}ซึ่งมีลักษณะสม่ำเสมอบน[0,1){\displaystyle [0,1)}โดยใช้:

ฉัน=ฉัน{\displaystyle s_{i}=r_{i}}สำหรับฉัน{\displaystyle i}แปลกและฉัน=0.5+ฉัน{\displaystyle s_{i}=0.5+r_{i}}สำหรับฉัน{\displaystyle i}สม่ำเสมอ.

วิธีที่สองในการทำเช่นนั้นโดยใช้ตัวเลขสุ่มเริ่มต้นคือการสร้างการเดินแบบสุ่มโดยมีค่าชดเชย 0.5 ดังนี้:

ฉัน=ฉัน1+0.5+ฉัน(ม็อด1).{\displaystyle s_{i}=s_{i-1}+0.5+r_{i}{\pmod {1}}.\,}

กล่าวคือ นำเลขกึ่งสุ่มก่อนหน้ามาบวกกับ 0.5 และเลขสุ่มนั้น แล้วนำผลลัพธ์มาหาร ด้วย 1 แบบโมดูลัส 

สำหรับมิติมากกว่าหนึ่งมิติสามารถใช้ตารางลาติน ที่มีมิติเหมาะสมเพื่อสร้างค่าชดเชยเพื่อให้แน่ใจว่าครอบคลุมพื้นที่ทั้งหมดอย่างสม่ำเสมอ

การครอบคลุมของสี่เหลี่ยมจัตุรัสหน่วย ด้านซ้ายสำหรับตัวเลขกึ่งสุ่มแบบบวกที่มีค่าc  =  0.5545497...,  0.308517... ด้านขวาสำหรับตัวเลขสุ่ม จากบนลงล่าง 10, 100, 10000 จุด

การเกิดซ้ำแบบเพิ่ม

สำหรับสิ่งที่ไม่สมเหตุสมผลใดๆα{\displaystyle \alpha }ลำดับ

n={0+nα}{\displaystyle s_{n}=\{s_{0}+n\alpha \}}

มีความคลาดเคลื่อนที่มีแนวโน้มไป1/เอ็น{\displaystyle 1/N}โปรดทราบว่าลำดับสามารถกำหนดได้แบบเวียนซ้ำโดย n+1=(n+α)ม็อด1.{\displaystyle s_{n+1}=(s_{n}+\alpha ){\bmod {1}}\;.}

คุ้มค่ามากα{\displaystyle \alpha }ให้ค่าความคลาดเคลื่อนต่ำกว่าลำดับของตัวเลขสุ่มแบบเอกรูปอิสระ

ความคลาดเคลื่อนสามารถจำกัดได้ด้วยเลขชี้กำลังการประมาณค่าของα{\displaystyle \alpha }ถ้าเลขชี้กำลังการประมาณคือμ{\displaystyle \mu }จากนั้นสำหรับใดๆε>0{\displaystyle \varepsilon >0}ขอบเขตต่อไปนี้เป็นจริง: [ 4 ]

ดีเอ็น((n))=โอε(เอ็น1/(μ1)+ε).{\displaystyle D_{N}((s_{n}))=O_{\varepsilon }(N^{-1/(\mu -1)+\varepsilon }).}

ตามทฤษฎีบท Thue–Siegel–Rothเลขชี้กำลังประมาณค่าของจำนวนพีชคณิต อตรรกยะใดๆ คือ 2 ซึ่งให้ขอบเขตของเอ็น1+ε{\displaystyle N^{-1+\varepsilon }}ข้างบน.

ความสัมพันธ์เวียนเกิดข้างต้นคล้ายกับความสัมพันธ์เวียนเกิดที่ใช้โดยตัวสร้างตัวเลขสุ่มเชิงเส้นซึ่งเป็นตัวสร้างตัวเลขสุ่มเทียมคุณภาพต่ำ: [ 5 ]

ฉัน=(เอฉัน1+)ม็อด{\displaystyle r_{i}=(ar_{i-1}+c){\bmod {m}}}

สำหรับการเกิดซ้ำแบบบวกที่มีความคลาดเคลื่อนต่ำข้างต้น ค่าaและmถูกเลือกให้เป็น 1 อย่างไรก็ตาม โปรดทราบว่าวิธีนี้จะไม่สร้างตัวเลขสุ่มที่เป็นอิสระ ดังนั้นจึงไม่ควรนำไปใช้เพื่อวัตถุประสงค์ที่ต้องการความเป็นอิสระ

มูลค่าของ{\displaystyle c}ที่มีความคลาดเคลื่อนน้อยที่สุดคือเศษส่วนของอัตราส่วนทองคำ : [ 6 ]

=512=φ10.618034.{\displaystyle c={\frac {{\sqrt {5}}-1}{2}}=\varphi -1\approx 0.618034.}

ค่าอีกค่าหนึ่งที่เกือบจะดีเท่ากันคือส่วนที่เป็นเศษส่วนของอัตราส่วนเงินซึ่งก็คือส่วนที่เป็นเศษส่วนของรากที่สองของ 2 :

=210.414214.{\displaystyle c={\sqrt {2}}-1\approx 0.414214.\,}

ในกรณีที่มีมากกว่าหนึ่งมิติ จำเป็นต้องใช้ตัวเลขกึ่งสุ่มแยกต่างหากสำหรับแต่ละมิติ ชุดค่าที่สะดวกที่ใช้คือ รากที่สองของจำนวนเฉพาะตั้งแต่ 2 ขึ้นไป โดยทั้งหมดคำนวณแบบโมดูลัส 1:

=2,3,5,7,11,{\displaystyle c={\sqrt {2}},{\sqrt {3}},{\sqrt {5}},{\sqrt {7}},{\sqrt {11}},\ldots \,}

อย่างไรก็ตาม ชุดค่าที่อิงตามอัตราส่วนทองคำทั่วไปได้รับการแสดงให้เห็นว่าสร้างจุดที่มีการกระจายอย่างสม่ำเสมอมากขึ้น[ 7 ]

รายชื่อเครื่องกำเนิดเลขสุ่มเทียมแสดงวิธีการสร้างเลขสุ่มเทียมที่เป็นอิสระต่อกัน หมายเหตุ : ในมิติน้อยๆ การเกิดซ้ำแบบเวียนเกิดจะนำไปสู่เซตสม่ำเสมอที่มีคุณภาพดี แต่สำหรับมิติที่ใหญ่กว่านั้น...{\displaystyle s}(ชอบ>8{\displaystyle s>8}โปรแกรมสร้างชุดคะแนนอื่นๆ อาจให้ค่าความคลาดเคลื่อนที่ต่ำกว่ามาก

ลำดับแวนเดอร์คอร์พุต

อนุญาต

n=เค=0แอล1เค(n)เค{\displaystyle n=\sum _{k=0}^{L-1}d_{k}(n)b^{k}}

เป็น{\displaystyle b}การแทนแบบ -ary ของจำนวนเต็มบวกn1{\displaystyle n\geq 1}, เช่น0เค(n)<{\displaystyle 0\leq d_{k}(n)<b}. ชุด

จี(n)=เค=0แอล1เค(n)เค1.{\displaystyle g_{b}(n)=\sum _{k=0}^{L-1}d_{k}(n)b^{-k-1}.}

จากนั้นก็จะมีค่าคงที่ซี{\displaystyle C}ขึ้นอยู่กับเพียงอย่างเดียว{\displaystyle b}โดยที่(จี(n))n1{\displaystyle (g_{b}(n))_{n\geq 1}}พอใจ

ดีเอ็น*(จี(1),,จี(เอ็น))ซีบันทึกเอ็นเอ็น,{\displaystyle D_{N}^{*}(g_{b}(1),\dots ,g_{b}(N))\leq C{\frac {\log N}{N}},}

ที่ไหนดีเอ็น*{\displaystyle D_{N}^{*}}คือ ความคลาดเคลื่อน ของดาว

ลำดับฮัลตัน

256 จุดแรกของลำดับ Halton (2,3)

ลำดับ Halton เป็นการขยายลำดับ van der Corput ไปสู่มิติที่สูงขึ้นอย่างเป็นธรรมชาติ ให้sเป็นมิติใดๆ และb , ..., b เป็นจำนวนเต็มที่ไม่มีตัวหารร่วม ใดๆ ที่มากกว่า 1 กำหนด

x(n)=(จี1(n),,จี(n)).{\displaystyle x(n)=(g_{b_{1}}(n),\dots ,g_{b_{s}}(n)).}

จากนั้นจะมีค่าคงที่Cที่ขึ้นอยู่กับb , ..., b เท่านั้น โดยที่ลำดับ { x ( n )} เป็นลำดับมิติs ที่มี

ดีเอ็น*(x(1),,x(เอ็น))ซี(บันทึกเอ็น)เอ็น.{\displaystyle D_{N}^{*}(x(1),\dots ,x(N))\leq C'{\frac {(\log N)^{s}}{N}}.}

ชุดแฮมเมอร์สลีย์

ชุด Hammersley 2D ไซส์ 256

อนุญาต1,,1{\displaystyle b_{1},\ldots ,b_{s-1}}เป็น จำนวนเต็มบวกที่ไม่มีตัวหาร ร่วมกันและมากกว่า 1 สำหรับค่าที่กำหนด{\displaystyle s}และเอ็น{\displaystyle N},{\displaystyle s}ชุด Hammersleyขนาด-มิติเอ็น{\displaystyle N}ถูกกำหนดโดย[ 8 ]

x(n)=(จี1(n),,จี1(n),nเอ็น){\displaystyle x(n)=\left(g_{b_{1}}(n),\dots ,g_{b_{s-1}}(n),{\frac {n}{N}}\right)}

สำหรับn=1,,เอ็น{\displaystyle n=1,\ldots ,N}. แล้ว

ดีเอ็น*(x(1),,x(เอ็น))ซี(บันทึกเอ็น)1เอ็น{\displaystyle D_{N}^{*}(x(1),\dots ,x(N))\leq C{\frac {(\log N)^{s-1}}{N}}}

ที่ไหนซี{\displaystyle C}เป็นค่าคงที่ที่ขึ้นอยู่กับเท่านั้น1,,1{\displaystyle b_{1},\ldots ,b_{s-1}}.

หมายเหตุ : สูตรแสดงให้เห็นว่าเซตแฮมเมอร์สลีย์นั้นแท้จริงแล้วคือลำดับฮาลตัน แต่เราได้มิติเพิ่มมาอีกหนึ่งมิติโดยไม่ต้องเสียค่าใช้จ่ายใดๆ โดยการเพิ่มการกวาดเชิงเส้น ซึ่งจะเป็นไปได้ก็ต่อเมื่อ เอ็น{\displaystyle N}ทราบล่วงหน้าแล้ว เซตเชิงเส้นยังเป็นเซตที่มีความคลาดเคลื่อนหนึ่งมิติที่ต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้โดยทั่วไป น่าเสียดายที่สำหรับมิติที่สูงกว่านั้น ไม่มี "เซตบันทึกความคลาดเคลื่อน" ดังกล่าวเป็นที่รู้จัก=2{\displaystyle s=2}โดยทั่วไปแล้ว เครื่องกำเนิดชุดจุดที่มีความคลาดเคลื่อนต่ำส่วนใหญ่จะให้ค่าความคลาดเคลื่อนที่ใกล้เคียงกับค่าที่เหมาะสมที่สุด

ลำดับโซโบล

รูปแบบ Antonov–Saleev ของลำดับ Sobol' สร้างตัวเลขระหว่างศูนย์ถึงหนึ่งโดยตรงเป็นเศษส่วนไบนารีที่มีความยาว,{\displaystyle w,}จากชุดของ{\displaystyle w}เศษส่วนไบนารีพิเศษวีฉัน,ฉัน=1,2,,{\displaystyle V_{i},i=1,2,\dots ,w}เรียกว่าหมายเลขทิศทาง บิตของรหัสเกรย์ของฉัน{\displaystyle i},จี(ฉัน){\displaystyle G(i)}ใช้เพื่อเลือกหมายเลขทิศทาง เพื่อให้ได้ค่าลำดับของ Sobol'ฉัน{\displaystyle s_{i}}นำค่าไบนารีของรหัสเกรย์ มาทำการเอ็ กซ เรย์ ORฉัน{\displaystyle i}โดยมีหมายเลขทิศทางที่เหมาะสม จำนวนมิติที่ต้องการจะมีผลต่อการเลือกวีฉัน{\displaystyle V_{i}}.

การสุ่มตัวอย่างดิสก์แบบปัวซง

การสุ่มตัวอย่างดิสก์แบบปัวซงเป็นที่นิยมในวิดีโอเกมเพื่อวางวัตถุอย่างรวดเร็วในลักษณะที่ดูเหมือนสุ่ม แต่รับประกันว่าจุดสองจุดทุกจุดจะอยู่ห่างกันอย่างน้อยตามระยะทางขั้นต่ำที่กำหนด[ 9 ]ซึ่งไม่รับประกันความคลาดเคลื่อนต่ำ (เช่น Sobol') แต่รับประกันความคลาดเคลื่อนที่ต่ำกว่าการสุ่มตัวอย่างแบบสุ่มอย่างแท้จริง เป้าหมายของรูปแบบการสุ่มตัวอย่างเหล่านี้ขึ้นอยู่กับการวิเคราะห์ความถี่มากกว่าความคลาดเคลื่อน ซึ่งเป็นรูปแบบที่เรียกว่า "สัญญาณรบกวนสีน้ำเงิน"

ตัวอย่างกราฟิก

จุดที่แสดงด้านล่างคือองค์ประกอบ 100, 1000 และ 10000 แรกในลำดับประเภท Sobol' เพื่อเปรียบเทียบ องค์ประกอบ 10000 ของลำดับจุดสุ่มเทียมก็แสดงไว้ด้วยเช่นกัน ลำดับความคลาดเคลื่อนต่ำถูกสร้างขึ้นโดย อัลกอริทึม TOMS 659 [ 10 ] การใช้งานอัลกอริทึมในFortranมีให้ใช้งานจากNetlib

ความคลาดเคลื่อนต่ำ 100.pngความคลาดเคลื่อนต่ำ 1000.png
100 จุดแรกในลำดับความคลาดเคลื่อนต่ำของประเภทSobol'คะแนน 1,000 คะแนนแรกในลำดับเดียวกัน คะแนน 1,000 คะแนนนี้ประกอบด้วย 100 คะแนนแรก โดยมีคะแนนเพิ่มเติมอีก 900 คะแนน
ความคลาดเคลื่อนต่ำ 10000.pngRandom 10000.png
10,000 คะแนนแรกในลำดับเดียวกัน 10,000 คะแนนนี้ประกอบด้วย 1,000 คะแนนแรก โดยมีคะแนนเพิ่มเติมอีก 9,000 คะแนนเพื่อเป็นการเปรียบเทียบ นี่คือ 10,000 จุดเริ่มต้นในลำดับของตัวเลขสุ่มเทียมที่มีการกระจายอย่างสม่ำเสมอ จะเห็นได้ว่ามีบริเวณที่มีความหนาแน่นสูงและต่ำ

ดูเพิ่มเติม

หมายเหตุ

  1. เบ็ค, โยซเซฟ (1989) "ทฤษฎีบทแวนอาร์เดน-เอห์เรนเฟสต์สองมิติในเรื่องความไม่ปกติของการแจกแจง " คอมโพสิตคณิตศาสตร์ . 72 (3): 269– 339. ม.ร. 1032337 . S2CID 125940424 . สบีแอล0691.10041 .   
  2. Bilyk, Dmitriy; Lacey, Michael T.; Vagharshakyan, Armen (2008). "เกี่ยวกับความไม่เท่าเทียมกันของลูกบอลขนาดเล็กในทุกมิติ"วารสารการวิเคราะห์เชิงฟังก์ชัน 254 ( 9): 2470– 2502. arXiv : 0705.4619 . doi : 10.1016/j.jfa.2007.09.010 . S2CID 14234006 . 
  3. Tomas Garcia, Rogelio (2026). " ขอบเขตล่างทั่วไปสำหรับความคลาดเคลื่อนเฉพาะที่เฉลี่ยและการประยุกต์ใช้กับลำดับ Farey"คณิตศาสตร์14 ( 14 ): 2543. doi : 10.3390/math14142543
  4. ไคเปอร์สและนีเดอร์ไรเตอร์ 2005 , หน้า. 123 
  5. Knuth, Donald E. "บทที่ 3 – ตัวเลขสุ่ม" ศิลปะแห่งการเขียนโปรแกรมคอมพิวเตอร์เล่ม2 
  6. Skarupke, Malte (16 มิถุนายน 2018). "Fibonacci Hashing: The Optimization that the World Forgot"คุณสมบัติอย่างหนึ่งของอัตราส่วนทองคำคือ คุณสามารถใช้มันเพื่อแบ่งช่วงใดๆ ออกเป็นส่วนย่อยๆ อย่างเท่าๆ กัน ... หากคุณไม่ทราบล่วงหน้าว่าคุณจะต้องดำเนินการกี่ขั้นตอน
  7. Roberts, Martin (2018). "ประสิทธิภาพอันเหนือเหตุผลของลำดับกึ่งสุ่ม" . Extreme Learning . เก็บถาวรจากต้นฉบับเมื่อวันที่ 1 มีนาคม 2025
  8. Hammersley, JM; Handscomb, DC (1964). วิธี การมอนเตคาร์โลdoi : 10.1007/978-94-009-5819-7 . ISBN 978-94-009-5821-0.{{cite book}}: ความไม่เข้ากันของหมายเลข ISBN / วันที่ ( ขอความช่วยเหลือ )
  9. เฮอร์มาน ทูลเคน ทูลเคน, เฮอร์แมน (มีนาคม 2551) "การสุ่มตัวอย่างดิสก์ปัวซง " Dev.Mag ​ลำดับที่21. หน้า21–25 .  
  10. Bratley, Paul; Fox, Bennett L. (1988). "Algorithm 659" . ACM Transactions on Mathematical Software . 14 : 88– 100. doi : 10.1145/42288.214372 . S2CID 17325779 . 
  • รวมอัลกอริธึมของ ACM (ดูอัลกอริธึมหมายเลข 647, 659 และ 738)
  • ลำดับกึ่งสุ่มจากคลังข้อมูลวิทยาศาสตร์ของ GNU
  • การสุ่มตัวอย่างแบบกึ่งสุ่มภายใต้ข้อจำกัดที่ FinancialMathematics.Com
  • ตัวสร้างลำดับ Sobol' ในภาษา C++
  • เอกสารอ้างอิง API ของ SciPy QMC: scipy.stats.qmc

สรุปเนื้อหา

ข้อมูลสำคัญจากบทความ

ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ ลำดับความคลาดเคลื่อนต่ำ

ใน ทางคณิตศาสตร์ ลำดับ ความคลาดเคลื่อนต่ำ คือ ลำดับ ที่มีคุณสมบัติว่า สำหรับทุกค่าของ เอ็น {\displaystyle N} ลำดับย่อยของมัน x 1 , … , x เอ็น {\displaystyle x_{1},\ldots ,x_{N}}...

แอปพลิเคชัน

ตัวเลขกึ่งสุ่มมีข้อดีเหนือกว่าตัวเลขสุ่มแท้ตรงที่มันครอบคลุมขอบเขตที่สนใจได้อย่างรวดเร็วและสม่ำเสมอ

ลำดับความคลาดเคลื่อนต่ำในการอินทิเกรตเชิงตัวเลข

วิธีการต่างๆ ใน การอินทิเกรตเชิงตัวเลข สามารถกล่าวได้ว่าเป็นการประมาณค่าอินทิกรัลของฟังก์ชัน เอฟ {\displaystyle f} ในช่วงเวลาหนึ่ง เช่น [0,1] โดยเป็นค่าเฉลี่ยของฟังก์ชันที่ประเมิน ณ ชุดข้อมูลหนึ่ง { x 1 , … , x เอ็น } {\displaystyle \{x_{1},\dots ,x_{N}}\}...

นิยามของความคลาดเคลื่อน

ความ คลาดเคลื่อน ของชุด พี = { x 1 , … , x เอ็น } {\displaystyle P=\{x_{1},\dots ,x_{N}}\} ถูกกำหนดโดยใช้ สัญกรณ์ ของ Niederreiter ดังนี้ ดี เอ็น ( พี ) = จีบ บี ∈ เจ | เอ ( บี ; พี ) เอ็น − λ ส ( บี ) | {\displaystyle D_{N}(P)=\sup _{B\in J}\left|{\frac...