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.
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
(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.
Мы определяем несоответствие DNдля последовательности (s 1, s 2, s 3,...) относительно интервала [a, b] как
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.
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:
Доказательство |
---|
Прежде всего отметим, что определение равнораспределенной последовательности эквивалентно интегральному критерию, когда f является индикаторной функцией интервала : Если f = 1[c, d], то левая часть представляет собой долю точек последовательности, попадающих в интервал [c, d], а правая часть - точно Это означает 2 ⇒ 1 (поскольку индикаторные функции интегрируются по Риману) и 1 ⇒ 2, если f является индикаторной функцией интервала. Осталось предположить, что интегральный критерий выполняется для индикаторных функций, и доказать, что он верен и для общих функций, интегрируемых по Риману. Обратите внимание, что обе части уравнения интегрального критерия линейны по f, и поэтому критерий выполняется для линейных комбинаций интервальных индикаторов, то есть ступенчатых функций. Для покажите, что это верно для f, являющейся общей интегрируемой по Риману функцией, сначала предположим, что f вещественнозначна. Затем, используя определение интеграла Дарбу, мы имеем для каждого ε>0 две ступенчатые функции f 1 и f 2 такие, что f 1 ≤ f ≤ f 2 и Обратите внимание, что: Вычитая, мы видим, что предел выше и ограничить нижний из отличаются не более чем на ε. Поскольку ε произвольно, мы имеем существование предела и, согласно определению интеграла Дарбу, это правильный предел. Наконец, для комплекснозначных функций, интегрируемых по Риману, результат снова следует из линейности и из того факта, что каждая такая функция может быть записана как f = u + vi, где u, v являются действительными значениями. и интегрируема по Риману. ∎ |
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].
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].
Это было доказано Вейлем и является приложением разностной теоремы Ван дер Корпута.
критерий Вейля утверждает, что последовательность a n равнораспределено по модулю 1 тогда и только тогда, когда для всех ненулевых целых чисел ℓ,
Критерий назван в честь и был впервые сформулирован Германом Вейлем. Это позволяет свести вопросы о равнораспределении к пределам экспоненциальных сумм, фундаментального и общего метода.
Эскиз доказательства |
---|
Если последовательность равнораспределена по модулю 1, то мы можем применить интегральный критерий Римана (описанный выше) к функции с целым нулем на интервале [0, 1]. Это сразу дает критерий Вейля. Наоборот, предположим, что критерий Вейля выполняется. Тогда интегральный критерий Римана выполняется для функций f, как указано выше, и в силу линейности критерия он выполняется для любого тригонометрического полинома. Согласно теореме Стоуна – Вейерштрасса и аргументу аппроксимации, это распространяется на любую непрерывную функцию f. Наконец, пусть f будет индикаторной функцией интервала. Можно ограничить f сверху и снизу двумя непрерывными на отрезке функциями, интегралы которых отличаются на произвольное ε. С помощью рассуждений, аналогичных доказательству интегрального критерия Римана, можно распространить результат на любую интервальную индикаторную функцию f, тем самым доказав эквираспределение по модулю 1 данной последовательности. ∎ |
Последовательность v n векторов в R равнораспределена по модулю 1 тогда и только тогда, когда для любого ненулевого вектора ℓ ∈ Z,
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 никогда не может быть 1. Использование формула суммы конечного геометрического ряда,
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.
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 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.
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.
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
равномерно по k. Ясно, что каждая хорошо распределенная последовательность распределена равномерно, но обратное неверно. Определение хорошо распределенного по модулю 1 аналогично.
Для произвольного пространства вероятностной меры , последовательность точек называется равнораспределенной относительно , если среднее точечных измерений слабо сходится к :
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.