กลับไปหน้าบทความ

อ่าน 4 นาที

ลำดับฟิโบนาชี่แบบสุ่ม

ในทางคณิตศาสตร์ลำดับฟิโบนาชชีแบบสุ่มเป็น ลำดับอนาล็อก เชิงสุ่มของลำดับฟิโบนาชชีที่กำหนดโดยความสัมพันธ์เวียนเกิดเอฟn=เอฟn−1±เอฟn−2{\displaystyle f_{n}=f_{n-1}\pm...

ลำดับฟิโบนาชี่แบบสุ่ม

ในทางคณิตศาสตร์ลำดับฟิโบนาชชีแบบสุ่มเป็น ลำดับอนาล็อก เชิงสุ่มของลำดับฟิโบนาชชีที่กำหนดโดยความสัมพันธ์เวียนเกิดเอฟn=เอฟn1±เอฟn2{\displaystyle f_{n}=f_{n-1}\pm f_{n-2}}โดยที่เครื่องหมาย + หรือ − ถูกเลือกแบบสุ่มด้วยความน่าจะเป็นเท่ากัน12{\displaystyle {\tfrac {1}{2}}}โดยอิสระสำหรับสิ่งที่แตกต่างกันn{\displaystyle n}ตามทฤษฎีบทของHarry KestenและHillel Furstenbergลำดับเวียนเกิดแบบสุ่มประเภทนี้เติบโตในอัตราเลขชี้กำลัง ที่แน่นอน แต่การคำนวณอัตราดังกล่าวอย่างชัดเจนนั้นทำได้ยาก ในปี 1999 Divakar Viswanathได้แสดงให้เห็นว่าอัตราการเติบโตของลำดับฟิโบนาชชีแบบสุ่มเท่ากับ 1.1319882487943... (ลำดับA078416ในOEIS )ซึ่งเป็นค่าคงที่ทางคณิตศาสตร์ที่ต่อมาได้รับการตั้งชื่อว่าค่าคงที่ของ Viswanath [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]

คำอธิบาย

ลำดับฟิโบนาชี่แบบสุ่ม คือลำดับจำนวนเต็ม แบบสุ่ม ที่กำหนดโดยตัวเลขต่างๆเอฟn{\displaystyle f_{n}}สำหรับจำนวนธรรมชาติn{\displaystyle n}, ที่ไหนเอฟ1=เอฟ2=1{\displaystyle f_{1}=f_{2}=1}และพจน์ถัดไปจะถูกเลือกแบบสุ่มตามความสัมพันธ์เวียนเกิดแบบสุ่ม เอฟn={เอฟn1+เอฟn2, ด้วยความน่าจะเป็น 12;เอฟn1เอฟn2, ด้วยความน่าจะเป็น 12.{\displaystyle f_{n}={\begin{cases}f_{n-1}+f_{n-2},&{\text{ ด้วยความน่าจะเป็น }}{\tfrac {1}{2}};\\f_{n-1}-f_{n-2},&{\text{ ด้วยความน่าจะเป็น }}{\tfrac {1}{2}}.\end{cases}}} ลำดับฟิโบนาชชีแบบสุ่มเริ่มต้นด้วย 1,1 และค่าของแต่ละพจน์ถัดไปจะถูกกำหนดโดยการ โยน เหรียญอย่างยุติธรรม : เมื่อกำหนดองค์ประกอบสองตัวที่อยู่ติดกันในลำดับแล้ว องค์ประกอบถัดไปจะเป็นผลรวมหรือผลต่างขององค์ประกอบทั้งสองด้วยความน่าจะเป็น 1/2 โดยไม่ขึ้นอยู่กับการเลือกที่ทำไว้ก่อนหน้านี้ หากในลำดับฟิโบนาชชีแบบสุ่มมีการเลือกเครื่องหมายบวกในแต่ละขั้นตอน ลำดับฟิโบนาชชีที่สอดคล้องกันคือลำดับ ฟิโบนาชชี ( Fn 1,1,2,3,5,8,13,21,34,55,.{\displaystyle 1,1,2,3,5,8,13,21,34,55,\ldots .} ถ้าเครื่องหมายสลับกันในรูปแบบ ลบ-บวก-บวก-ลบ-บวก-บวก-... ผลลัพธ์ที่ได้คือลำดับ 1,1,0,1,1,0,1,1,0,1,.{\displaystyle 1,1,0,1,1,0,1,1,0,1,\ldots .}

อย่างไรก็ตาม รูปแบบดังกล่าวมีโอกาสเกิดขึ้นน้อยมากในการทดลองแบบสุ่ม ในการทดลองทั่วไป ตัวแปรต่างๆ จะไม่เป็นไปตามรูปแบบที่คาดเดาได้: 1,1,2,3,1,2,3,5,2,3, สำหรับป้าย +,+,+,,,+,,,.{\displaystyle 1,1,2,3,1,-2,-3,-5,-2,-3,\ldots {\text{ สำหรับเครื่องหมาย }}+,+,+,-,-,+,-,-,\ldots .}

เช่นเดียวกับกรณีที่กำหนดได้แน่นอน ลำดับฟิโบนาชี่แบบสุ่มสามารถอธิบายได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยใช้เมทริกซ์ : (เอฟn1เอฟn)=(01±11)(เอฟn2เอฟn1),{\displaystyle {f_{n-1} \choose f_{n}}={\begin{pmatrix}0&1\\\pm 1&1\end{pmatrix}}{f_{n-2} \choose f_{n-1}},}

โดยที่เครื่องหมายถูกเลือกอย่างอิสระสำหรับค่าn ที่แตกต่างกัน ด้วยความน่าจะเป็นที่เท่ากันสำหรับเครื่องหมาย + หรือ − ดังนั้น (เอฟn1เอฟn)=เอ็มnเอ็มn1เอ็ม3(เอฟ1เอฟ2),{\displaystyle {f_{n-1} \choose f_{n}}=M_{n}M_{n-1}\ldots M_{3}{f_{1} \choose f_{2}},} โดยที่ ( M ) คือลำดับของเมทริกซ์สุ่มอิสระที่มีการแจกแจงเหมือนกันซึ่งรับค่าAหรือBด้วยความน่าจะเป็น 1/2: เอ=(0111),บี=(0111).{\displaystyle A={\begin{pmatrix}0&1\\1&1\end{pmatrix}},\quad B={\begin{pmatrix}0&1\\-1&1\end{pmatrix}}.}

อัตราการเติบโต

โยฮันเนส เคปเลอร์ค้นพบว่า เมื่อnเพิ่มขึ้น อัตราส่วนของพจน์ที่ต่อเนื่องกันของลำดับฟิโบนาชชี ( Fn) จะใกล้ค่าอัตราส่วนทองคำφ=(1+5)/2,{\displaystyle \varphi =(1+{\sqrt {5}})/2,}ซึ่งมีค่าประมาณ 1.61803 ในปี ค.ศ. 1765 เลออนฮาร์ด ออยเลอร์ได้ตีพิมพ์สูตรที่ชัดเจน ซึ่งปัจจุบันรู้จักกันในชื่อสูตรบิเนต์ เอฟn=φn(1/φ)n5.{\displaystyle F_{n}={{\varphi ^{n}-(-1/\varphi )^{n}} \over {\sqrt {5}}}.}

สิ่งนี้แสดงให้เห็นว่า ตัวเลขฟิโบนาชชีเติบโตในอัตราเลขชี้กำลังที่เท่ากับอัตราส่วนทองคำφ

ในปี 1960 ฮิลเลล เฟอร์สเตนเบิร์กและแฮร์รี เคสเทนแสดงให้เห็นว่าสำหรับเมท ริกซ์ ผลคูณแบบสุ่ม ทั่วไป ค่าบรรทัดฐานจะเพิ่มขึ้นตามλ nโดยที่nคือจำนวนตัวประกอบ ผลลัพธ์ของพวกเขาสามารถนำไปใช้กับกระบวนการสร้างลำดับแบบสุ่มในวงกว้าง ซึ่งรวมถึงลำดับฟิโบนาชชีแบบสุ่มด้วย ผลที่ตามมาคือรากที่nของ | f | จะลู่เข้าสู่ค่าคงที่เกือบแน่นอนหรือด้วยความน่าจะเป็นหนึ่ง: |เอฟn|n1.1319882487943 เช่น n.{\displaystyle {\sqrt[{n}]{|f_{n}|}}\to 1.1319882487943\dots {\text{ เมื่อ }}n\to \infty .}

Divakar Viswanath ค้นพบสูตรที่ชัดเจนสำหรับค่าคงที่นี้ในปี 1999 โดยใช้สูตรของ Furstenberg สำหรับเลขชี้กำลัง Lyapunovของผลคูณเมทริกซ์สุ่มและการอินทิเกรตเหนือมาตรวัดแฟรกทัล บางอย่าง บนต้นไม้ Stern–Brocotยิ่งไปกว่านั้น Viswanath ยังคำนวณค่าตัวเลขข้างต้นโดยใช้ เลขคณิต จุดลอยตัว ที่ได้รับการตรวจสอบโดย การวิเคราะห์ข้อผิดพลาดจากการปัดเศษ

การสรุปทั่วไป

มาร์ค เอ็มบรีและนิค เทรเฟเธนได้แสดงให้เห็นในปี 1999 ว่าลำดับดังกล่าว เอฟn=±เอฟn1±เบต้าเอฟn2{\displaystyle f_{n}=\pm f_{n-1}\pm \beta f_{n-2}}

ลดลงเกือบแน่นอนหากβน้อยกว่าค่าวิกฤตβ * ≈ 0.70258ซึ่งเรียกว่าค่าคงที่ Embree–Trefethen และเพิ่มขึ้นเกือบแน่นอนในกรณีอื่น ๆ พวกเขายังแสดงให้เห็นว่าอัตราส่วนเชิงเส้นกำกับσ ( β ) ระหว่างเทอมที่ต่อเนื่องกันลู่เข้าเกือบแน่นอนสำหรับทุกค่าของβกราฟของσ ( β ) ดูเหมือนจะมี โครงสร้าง แบบแฟรกทัลโดยมีค่าต่ำสุดทั่วโลกใกล้β ≈ 0.36747ซึ่งเท่ากับσ ( β ) ≈ 0.89517โดย ประมาณ [ 4 ]

สรุปเนื้อหา

ข้อมูลสำคัญจากบทความ

ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ ลำดับฟิโบนาชี่แบบสุ่ม

ในทางคณิตศาสตร์ลำดับฟิโบนาชชีแบบสุ่มเป็น ลำดับอนาล็อก เชิงสุ่มของลำดับฟิโบนาชชีที่กำหนดโดยความสัมพันธ์เวียนเกิดเอฟn=เอฟn−1±เอฟn−2{\displaystyle f_{n}=f_{n-1}\pm...

คำอธิบาย

ลำดับฟิโบนาชี่แบบสุ่ม คือ ลำดับ จำนวนเต็ม แบบสุ่ม ที่กำหนดโดยตัวเลขต่างๆ เอฟ n {\displaystyle f_{n}} สำหรับ จำนวนธรรมชาติ n {\displaystyle n} , ที่ไหน เอฟ 1 = เอฟ 2 = 1 {\displaystyle f_{1}=f_{2}=1} และพจน์ถัดไปจะถูกเลือกแบบสุ่มตามความสัมพันธ์เวียนเกิดแบบสุ่ม...

อัตราการเติบโต

โยฮันเนส เคปเลอร์ ค้นพบว่า เมื่อ n เพิ่มขึ้น อัตราส่วนของพจน์ที่ต่อเนื่องกันของลำดับฟิโบนาชชี ( Fn) จะ ใกล้ ค่า อัตราส่วนทองคำ φ = ( 1 + 5 ) / 2 , {\displaystyle \varphi =(1+{\sqrt {5}})/2,} ซึ่งมีค่าประมาณ 1.61803 ในปี ค.ศ.

การสรุปทั่วไป

มาร์ค เอ็มบรี และ นิค เทรเฟเธน ได้แสดงให้เห็นในปี 1999 ว่าลำดับดังกล่าว เอฟ n = ± เอฟ n − 1 ± เบต้า เอฟ n − 2 {\displaystyle f_{n}=\pm f_{n-1}\pm \beta f_{n-2}}