Равнораспределенная последовательность

редактировать

В математике последовательность (s1, s 2, s 3,...) вещественных чисел называется равнораспределенным, или равномерно распределенным, если доля членов в подынтервале пропорциональна длине этого подинтервала. Такие последовательности изучаются в теории диофантова приближения и имеют приложения к интегрированию Монте-Карло.

Содержание
  • 1 Определение
    • 1.1 Расхождение
    • 1.2 Интегральный критерий Римана для равнораспределения
  • 2 Равнораспределение по модулю 1
    • 2.1 Примеры
    • 2.2 Критерий Вейля
      • 2.2.1 Обобщения
      • 2.2.2 Пример использования
    • 2.3 Разностная теорема Ван дер Корпута
    • 2.4 Метрические теоремы
  • 3 Хорошо распределенная последовательность
  • 4 Последовательности, равнораспределенные относительно произвольной меры
  • 5 См. Также
  • 6 Примечания
  • 7 Ссылки
  • 8 Дополнительная литература
  • 9 Внешние ссылки
Определение

Последовательность (s 1, s 2, s 3,...) действительных чисел называется быть равнораспределенным на невырожденном интервале [a, b], если для любого подынтервала [c, d] из [a, b] выполняется

lim n → ∞ | {s 1,…, s n} ∩ [c, d] | п = г - с б - а. {\ displaystyle \ lim _ {n \ to \ infty} {\ left | \ {\, s_ {1}, \ dots, s_ {n} \, \} \ cap [c, d] \ right | \ over n} = {dc \ over ba}.}{\ displaystyle \ lim _ {n \ to \ infty} {\ left | \ {\, s_ {1}, \ dots, s_ {n} \, \} \ cap [c, d] \ right | \ over n} = {d-c \ over b-a}.}

(Здесь обозначение | {s 1,..., s n } ∩ [c, d ] | обозначает количество элементов из первых n элементов последовательности, которые находятся между c и d.)

Например, если последовательность равнораспределена в [0, 2], поскольку интервал [0,5, 0,9] занимает 1/5 длины интервала [0, 2], так как n становится большим, доля первых n членов последовательности, которые попадают между 0,5 и 0,9, должна приближаться к 1/5. Грубо говоря, можно сказать, что каждый член последовательности с одинаковой вероятностью попадет в любую точку своего диапазона. Однако это не означает, что (s n) является последовательностью случайных величин ; скорее, это определенная последовательность действительных чисел.

Несоответствие

Мы определяем несоответствие DNдля последовательности (s 1, s 2, s 3,...) относительно интервала [a, b] как

DN = sup a ≤ c ≤ d ≤ b | | {s 1,…, s N} ∩ [c, d] | Н - г - с б - а |. {\ Displaystyle D_ {N} = \ sup _ {a \ leq c \ leq d \ leq b} \ left \ vert {\ frac {\ left | \ {\, s_ {1}, \ dots, s_ {N} \, \} \ cap [c, d] \ right |} {N}} - {\ frac {dc} {ba}} \ right \ vert.}{\ displaystyle D_ {N} = \ sup _ {a \ leq c \ leq d \ leq b} \ left \ верт {\ frac {\ left | \ {\, s_ {1}, \ dots, s_ {N} \, \} \ cap [c, d] \ right |} {N}} - {\ frac {dc} {ba}} \ right \ vert.}

Таким образом, последовательность является равнораспределенной, если невязка D N стремится к нулю, когда N стремится к бесконечности.

Равнораспределение - это довольно слабый критерий для выражения того факта, что последовательность заполняет сегмент без пропусков. Например, изображения случайной величины, однородной по сегменту, будут равномерно распределены в сегменте, но будут большие промежутки по сравнению с последовательностью, которая сначала перечисляет кратные ε в сегменте для некоторого малого ε соответствующим образом выбранным способом., а затем продолжает делать это для все меньших и меньших значений ε. Для более строгих критериев и для построения последовательностей, которые более равномерно распределены, см. последовательность с низким расхождением.

интегральный критерий Римана для равнораспределения

Напомним, что если f является функцией, имеющей a интеграл Римана в интервале [a, b], тогда его интеграл является пределом сумм Римана, взятых путем выборки функции f в наборе точек выбирается из мелкого разбиения интервала. Следовательно, если некоторая последовательность равнораспределена в [a, b], ожидается, что эту последовательность можно использовать для вычисления интеграла от интегрируемой по Риману функции. Это приводит к следующему критерию для равнораспределенной последовательности:

Предположим (s 1, s 2, s 3,...) последовательность, содержащаяся в интервале [a, b]. Тогда следующие условия эквивалентны:

  1. Последовательность равнораспределена на [a, b].
  2. Для любой интегрируемой по Риману (комплекснозначной ) функции f: [a, b ] → ℂ, выполняется следующий предел:
lim N → ∞ 1 N ∑ n = 1 N f (sn) = 1 b - a ∫ abf (x) dx {\ displaystyle \ lim _ {N \ to \ infty } {\ frac {1} {N}} \ sum _ {n = 1} ^ {N} f \ left (s_ {n} \ right) = {\ frac {1} {ba}} \ int _ {a } ^ {b} f (x) \, dx}{\ displaystyle \ lim _ {N \ to \ infty } {\ frac {1} {N}} \ sum _ {n = 1} ^ {N} f \ left (s_ {n} \ right) = {\ frac {1} {ba}} \ int _ {a } ^ {b} f (x) \, dx}

Этот критерий приводит к идее интегрирования Монте-Карло, где интегралы вычисляются путем выборки функции по последовательности случайных величин, равнораспределенных в интервале.

Невозможно обобщить интегральный критерий на класс функций, больший, чем просто интегрируемые по Риману. Например, если рассматривается интеграл Лебега, а f берется в L, то этот критерий не выполняется. В качестве контрпримера возьмем f как индикаторную функцию некоторой равнораспределенной последовательности. Тогда в критерии левая часть всегда равна 1, тогда как правая часть равна нулю, потому что последовательность счетно, поэтому f равно нулю почти всюду.

Фактически, Теорема де Брейна – Поста утверждает обратное приведенному выше критерию: если f - такая функция, что указанный выше критерий выполняется для любой равнораспределенной последовательности в [a, b], то f интегрируема по Риману в [a, b].

Равнораспределение по модулю 1

Последовательность (a 1, a 2, a 3,...) действительных чисел называется равнораспределенным по модулю 1 или равномерно распределенным по модулю 1, если последовательность дробных частей числа n, обозначенный (a n) или a n - ⌊a n ⌋, равнораспределен в интервале [0, 1].

Примеры

Иллюстрация заполнения единичного интервала (ось x) с использованием первых n членов последовательности Ван дер Корпута для n от 0 до 999 (ось y). Градация цвета обусловлена ​​алиасингом.
0, α, 2α, 3α, 4α,...
равнораспределено по модулю 1.
  • В более общем смысле, если p является многочленом с хотя бы одним коэффициентом, отличным от постоянного члена иррационального, тогда последовательность p (n) равномерно распределена по модулю 1.

Это было доказано Вейлем и является приложением разностной теоремы Ван дер Корпута.

  • Последовательность log (n) не распределена равномерно по модулю 1. Этот факт связан с законом Бенфорда.
  • Последовательность всех кратное иррациональному α последовательным простым числам,
2α, 3α, 5α, 7α, 11α,...
равнораспределено по модулю 1. Это известная теорема аналитической теории чисел, опубликовано И. М. Виноградов в 1948 году.

критерий Вейля

критерий Вейля утверждает, что последовательность a n равнораспределено по модулю 1 тогда и только тогда, когда для всех ненулевых целых чисел ℓ,

lim n → ∞ 1 n ∑ j = 1 ne 2 π i ℓ aj = 0. {\ displaystyle \ lim _ {n \ to \ infty} {\ frac {1} {n}} \ sum _ {j = 1} ^ {n} e ^ {2 \ pi i \ ell a_ {j}} = 0.}\ lim _ {{n \ to \ infty}} {\ frac {1} {n}} \ sum _ {{j = 1}} ^ {{n}} e ^ {{2 \ pi i \ ell a_ {j}}} = 0.

Критерий назван в честь и был впервые сформулирован Германом Вейлем. Это позволяет свести вопросы о равнораспределении к пределам экспоненциальных сумм, фундаментального и общего метода.

Обобщения

  • Количественная форма критерия Вейля задается неравенством Эрдеша – Турана.
  • критерий Вейля естественным образом распространяется на более высокие измерения, предполагая естественное обобщение определения равнораспределения по модулю 1:

Последовательность v n векторов в R равнораспределена по модулю 1 тогда и только тогда, когда для любого ненулевого вектора ℓ ∈ Z,

lim n → ∞ 1 n ∑ J знак равно 0 N - 1 е 2 π я ℓ ⋅ vj = 0. {\ displaystyle \ lim _ {n \ to \ infty} {\ frac {1} {n}} \ sum _ {j = 0} ^ {n-1} e ^ {2 \ pi i \ ell \ cdot v_ {j}} = 0.}\ lim _ {{n \ to \ infty}} {\ frac {1} {n }} \ sum _ {{j = 0}} ^ {{n-1}} e ^ {{2 \ pi i \ ell \ cdot v_ {j}}} = 0.

Пример использования

Критерий Вейля можно использовать для простого доказательства равнораспределения теорема, утверждающая, что последовательность кратных 0, α, 2α, 3α,... некоторого действительного числа α равнораспределена по модулю 1 тогда и только тогда, когда α иррационально.

Предположим, что α иррационально и обозначим нашу последовательность как a j = jα (где j начинается с 0, чтобы позже упростить формулу). Пусть ℓ ≠ 0 целое число. Поскольку α иррационально, ℓα никогда не может быть целым числом, поэтому e 2 π i ℓ α {\ textstyle e ^ {2 \ pi i \ ell \ alpha}}{\ textstyle e ^ {2 \ pi i \ ell \ alpha}} никогда не может быть 1. Использование формула суммы конечного геометрического ряда,

| J = 0 n - 1 e 2 π i ℓ j α | = | ∑ j = 0 n - 1 (e 2 π i ℓ α) j | = | 1 - e 2 π i ℓ n α 1 - e 2 π i ℓ α | ≤ 2 | 1 - е 2 π i ℓ α |, {\ displaystyle \ left | \ sum _ {j = 0} ^ {n-1} e ^ {2 \ pi i \ ell j \ alpha} \ right | = \ left | \ sum _ {j = 0} ^ {n-1} \ left (e ^ {2 \ pi i \ ell \ alpha} \ right) ^ {j} \ right | = \ left | {\ frac {1-e ^ {2 \ pi i \ ell n \ alpha}} {1-e ^ {2 \ pi i \ ell \ alpha}}} \ right | \ leq {\ frac {2} {\ left | 1-e ^ {2 \ pi i \ ell \ alpha} \ right |}},}\ left | \ sum _ {{j = 0}} ^ {{n-1}} e ^ {{2 \ pi i \ ell j \ alpha}} \ right | = \ left | \ sum _ {{j = 0}} ^ {{n-1}} \ left (e ^ {{2 \ pi i \ ell \ alpha}} \ right) ^ {j} \ right | = \ left | {\ frac {1-e ^ {{2 \ pi i \ ell n \ alpha}}} {1-e ^ {{2 \ pi i \ ell \ alpha}}} } \ right | \ leq {\ frac 2 {\ left | 1-e ^ {{2 \ pi i \ ell \ alpha}} \ right |}},

конечная оценка, не зависящая от n. Следовательно, после деления на n и стремления n к бесконечности левая часть стремится к нулю, и критерий Вейля удовлетворяется.

И наоборот, обратите внимание, что если α рационально, то эта последовательность не является равнораспределенной по модулю 1, потому что существует только конечное число вариантов для дробной части j = jα.

разностная теорема ван дер Корпута

Теорема Йоханнес ван дер Корпут утверждает, что если для каждого h последовательность s n + h - s n равномерно распределен по модулю 1, тогда s n.

A набор Ван дер Корпута является набором H целых чисел, таким что если для каждого h в H последовательность s n + h - s n равномерно распределен по модулю 1, тогда как s n.

Метрические теоремы

Метрические теоремы описывают поведение параметризованной последовательности для почти всех значений некоторого параметра α: то есть для значений α, не лежащих в некотором исключительном множестве меры Лебега ноль.

  • Для любой последовательности различных целых чисел b n последовательность (b n α) равнораспределена по модулю 1 почти для всех значений α.
  • Последовательность (α) равнораспределена по модулю 1 почти для всех значений α>1.

Неизвестно, являются ли последовательности (e) или (π) равнораспределенными по модулю 1. Однако известно, что последовательность (α) не является равнораспределенный модуль 1, если α - номер PV.

Хорошо распределенная последовательность

Последовательность (s 1, s 2, s 3,...) действительных чисел называется хорошо распределенным на [a, b], если для любого подынтервала [c, d] из [a, b] мы имеем

lim n → ∞ | {s k + 1,…, s k + n} ∩ [c, d] | п = d - cb - a {\ displaystyle \ lim _ {n \ to \ infty} {\ left | \ {\, s_ {k + 1}, \ dots, s_ {k + n} \, \} \ cap [c, d] \ право | \ over n} = {d-c \ over b-a}}{\ displaystyle \ lim _ {n \ to \ infty} {\ left | \ {\, s_ {k + 1}, \ dots, s_ {k + n} \, \} \ cap [c, d] \ right | \ over n} = {dc \ over ba}}

равномерно по k. Ясно, что каждая хорошо распределенная последовательность распределена равномерно, но обратное неверно. Определение хорошо распределенного по модулю 1 аналогично.

Последовательности, равнораспределенные относительно произвольной меры

Для произвольного пространства вероятностной меры (X, μ) {\ displaystyle (X, \ mu)}(X, \ mu) , последовательность точек (xn) {\ displaystyle (x_ {n})}(x_ {n}) называется равнораспределенной относительно μ {\ displaystyle \ mu }\ mu , если среднее точечных измерений слабо сходится к μ {\ displaystyle \ mu}\ mu :

∑ k = 1 n δ xkn ⇒ μ. {\ displaystyle {\ frac {\ sum _ {k = 1} ^ {n} \ delta _ {x_ {k}}} {n}} \ Rightarrow \ mu \.}{ \ гидроразрыва {\ сумма _ {{к = 1}} ^ {n} \ delta _ {{x_ {k}}}} {n}} \ Rightarrow \ mu \.

В любом Borel вероятностная мера на отделимом, метризуемом пространстве, существует равнораспределенная последовательность относительно меры; действительно, это сразу следует из того факта, что такое пространство стандартно.

Общее явление равнораспределения часто возникает для динамических систем, связанных с группами Ли, например, в решении Маргулиса для гипотеза Оппенгейма.

См. также
Примечания
Ссылки
Дополнительная литература
Внешние ссылки
Последняя правка сделана 2021-05-19 12:43:29
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте