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¿Hay algún número irracional / trascendental para el cual la distribución de dígitos decimales no sea uniforme?

Suponemos que para los números irracionales, generalmente no hay patrón en la aparición de dígitos cuando usted escribe el decimal de expansión para un número arbitrario de los términos. Así, todos los dígitos deben ser igualmente probables. Yo recuerdo vagamente audiencia de este acerca de $\pi$. Es verdadera para todos los números irracionales? Si no, ¿qué acerca de la trascendental? Si es verdad, ¿cómo podría yo ir a probar esto?


Para mi intento, no estoy muy seguro de cómo este enfoque, todos los que tengo son algunos de los resultados experimentales para validar la hipótesis. Empecé con $\sqrt2$. Las apariciones de los diferentes dígitos en la primera 5,916 decimal términos son:

563, 581, 575, 579, 585, 608, 611, 565, 637, 612.

Y aquí están las apariciones de los decimales en la primera 1993 dígitos de $\pi$:

180, 212, 206, 188, 195, 204, 200, 196, 202, 210

Mismo para el primer 9825 dígitos de $e$:

955, 971, 993, 991, 968, 974, 1056, 990, 975, 952

Parece que el porcentaje de representación de cada dígito está muy cerca de un 10% en todos los casos.


Edit: Es claro que la conjetura es falsa (gracias por las respuestas). Aún quieres saber por qué todos los "naturalmente ocurring" números irracionales (como los mencionados aquí) no parecen ser normales. Sé que esto no está probado, así que siéntase libre para ofrecer conjeturas.

26voto

Summer Puntos 16

Lo que mencionas no es verdadera para todos los números irracionales, pero para un subconjunto especial de ellos llamaron a los números de lo Normal.

Desde el artículo de wiki:

Mientras que un general de la prueba puede ser debido a que casi todos los números reales son normales (en el sentido de que el conjunto de excepciones tiene medida de Lebesgue cero), esta prueba no es constructivo y sólo muy pocos números específicos han demostrado ser normal.

Y

Se cree ampliamente que el (computable) números de $\sqrt{2}$, $\pi$, e $e$ son normales, pero una prueba sigue siendo difícil de alcanzar.

Tenga en cuenta que existen infinitos números irracionales que no son normales. En 1909, Borel, se introdujo el concepto de un número Normal y demostrado (con algunas lagunas resuelto más tarde) el siguiente teorema:

Casi todos los números reales son normales, en el sentido de que el conjunto de no-normal de los números irracionales tiene medida de Lebesgue cero.

Algunos puntos adicionales de interés: (añadido gracias a @leonbloy)

  1. El número de no-normal de los números irracionales es incontable el Teorema 4 de esta referencia.

  2. Existe un subconjunto de los números de lo normal llamado un número Anormal y Absolutamente Anormal de los números que son innumerables. Un número anormal no son normales para una determinada base de $b$ , mientras que Absolutamente Anormal números no son normales para cualquier base $b \ge 2$.

20voto

Eevee Trainer Puntos 23

Esto definitivamente no es para todos irracional o trascendental números. Como se señaló en los comentarios por Fabian, varios números de Liouville vienen a la mente como ejemplos en donde los dígitos del número no son distribuidos de manera uniforme, sin embargo, estos números fueron construidos con la intención específica de ser trascendental.

La propiedad que se refieren a este "equidistribución de los dígitos" y tal es lo que define la denominada simplemente normal números en base $10$. Si usted ha oído $\pi$ presenta este muy de propiedad, es técnicamente incorrecto, porque hasta ahora $\pi$ no ha sido demostrado ser simplemente normal en cualquier base. La sospecha de ser simplemente normal en cada base, e incluso (absolutamente) normal en cada base, pero sigue siendo un problema abierto.

Simple normalidad en base $b$ significa que la frecuencia de cada dígito en el primer $n$ dígitos tiende a $1/b$ como $n$ tiende a infinito. Normalidad en base $b$ significa que por cada finito de dígitos de la secuencia de longitud $k$, su frecuencia en el primer $n$ dígitos tiende a $1/b^k$ como $n$ tiende a infinito.

De hecho, parece más bien rebuscada números, tales como $0.123456789101112...$ (Champernowne del número, que se obtiene por la concatenación de los naturales), entre otros, en el artículo, se sabe con certeza que es simplemente normal en base $10$, y de hecho es normal en base $10$ (pero no se conoce aún a ser simplemente normal en otras bases que no son potencias de $10$). Nada se sabe acerca de un montón de los más "natural" de los números - como $\pi,e,\sqrt 2$. Pero supongo que Chaitin constante podría ser considerado un "natural", y es normal que en cada base.

Trivialmente, sabemos que casi todos los números reales son normales en cada base, equivalente a un número real dibujado uniformemente al azar de $[0,1]$ es normal, con una probabilidad de $1$.

Como para como para demostrar que para el común de los números? Así, la prueba para que la constante de Chaitin (resumen en Matemáticas Desbordamiento del post) se basa en su aleatoriedad algorítmica, que es en realidad mucho más fuerte forma de normalidad. Aproximadamente, la normalidad en base $b$ dice que cada finito de dígitos de la secuencia de longitud $k$ tiene frecuencia en la primera $n$ dígitos tiende a $b^{-k}$ como $n$ tiende a infinito, mientras que la aleatoriedad algorítmica dice que hay una constante $c$ tal que para cada a$n$ la más corta del programa (en algunos prefijo libre de codificación) que las salidas de la primera $n$ bits ha bits de longitud, al menos, $n-c$, lo que intuitivamente significa incompresible a una constante. Tenga en cuenta que si un número no era normal, que puede ser comprimido utilizando la codificación aritmética. Por otro lado, Champernowne es constante, es un ejemplo muy claro de un altamente compresibles (por lo que no a través de algoritmos aleatorios), pero el número normal, ya que la primera $n$ bits, obviamente, puede ser la salida de un programa fijo de ejecución en $n$ (que puede ser almacenado en $O(\log n)$ bits de prefijo libre de codificación).

Desde $\pi$'s dígitos no siguen algún patrón agradable como el número de Champernowne, ni son de algoritmos aleatorios, es poco probable que la normalidad de las pruebas para conocer la cantidad normal daría tanta pista para $\pi$. Hasta el momento, al menos.

Por supuesto, esto plantea la pregunta de "¿por qué nos conjetura a ser normal?" La evidencia empírica basada en la primera billones de dígitos de $\pi$ do 'apoyo', pero por supuesto que está en ninguna parte cerca de la prueba. Es como si usted lanza una moneda $1000000$ veces y observe $500469$ jefes y $499531$ colas, y a la conclusión de que no tiene evidencia de que es no una feria de memoryless de la moneda, ya que el número de cabezas para una feria memoryless de la moneda estaría en el rango $[499500,500500]$ con probabilidad acerca de la $1/2$. De su observación se cuentan como evidencia empírica de que es una feria de memoryless de la moneda? En realidad no... Falta de pruebas en contra, no es realmente la evidencia. Del mismo modo, que es todo lo que tenemos para la cuestión de la $\pi$'s de la normalidad, hasta el momento.

También, la evidencia empírica es muy difícil de interpretar. De nuevo tomar el ejemplo de la moneda, y supongamos que observar exactamente $500000$ jefes y $500000$ colas. ¿Crees que es un memoryless de la moneda? No! Cómo acerca de $500001$ jefes y $499999$ colas?

10voto

badjohn Puntos 1

Como user1952500 dice, la mayoría (en un sentido preciso) los números son normales y por lo tanto como se esperaba. Sin embargo, es muy sencillo crear excepciones: los números que son irracionales, pero no son normales. Los números racionales tienen decimal expansiones que, después de un tiempo, terminar o son periódicas para crear una secuencia que no termina ni repetir, pero también no tiene una distribución uniforme de dígitos. Una forma muy sencilla es la de omitir algunos dígitos. Fabian menciona los números de Liouville, que son un ejemplo de este estilo. No hay nada muy especial acerca de los muchos ceros, que podría cambiar los dígitos para otros, por ejemplo, $3$ e $7$. De otra manera sería escribir un número irracional en una base de menos de $10$ y, a continuación, lo consideran como una base $10$ número. No sería normal ya que no tendría $9$s.

No se puede probar la normalidad mediante la comprobación calculada dígitos como que siempre va a ser sólo un subconjunto finito. Tal vez la primera billones de dígitos de $\pi$ se comportan como se esperaba y después de eso $9$ nunca aparece.

Sin embargo, creo que los números irracionales, que no han sido construidos artificialmente son probablemente normal pero es muy difícil de probar. No se ha logrado por $\pi$ todavía.

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