正規數

正規數

正規數(Normal Number)是數字顯示出隨機分布,且每個數字出現機會均等的實數。“數字”指的是小數點前有限個數字(整數部份),以及小數點後無窮數字序列(分數部份)。

基本介紹

  • 中文名:正規數
  • 外文名:Normal Number
  • 學科:數論
  • “數字”:整數部分和分數部分
  • 提出者埃米爾·博雷爾
  • 提出時間:1909年
定義,正規數的套用,數學難題,

定義

設b是大於1的整數,x是實數。考慮以b為底的位值記數法中x的數字序列。若s是以b為底的有限數字序列,我們以N(s,n)表示字串s在x的開首n個數字出現次數。數x稱為以b為底正規若對任意長度k的字串s:

(即是說在x的數字中找到字串s的機率,就像在完全隨機生成的數字序列中的一樣。)x稱為正規數(有時稱為絕對正規數)如果以任何b為底x都是正規。
這個概念是由埃米爾·博雷爾在1909年創造。用波萊爾—坎特利引理,他證明了正規數定理:幾乎所有實數是正規的,意思是非正規數集合的勒貝格測度為0。這定理證明存在正規數,但首先給出一個例子的是瓦茨瓦夫·謝爾賓斯基(WacławSierpiński)。

正規數的套用

非正規數集合是不可數的,這個結果容易得出,想法是從每個實數中完全除去一個數字。
錢珀瑙恩數(Champernowne):
0.1234567891011121314151617...
是從連結所有自然數的數字而得出的數,它以10為底正規,但在某些底不是正規。
科普蘭—艾狄胥常數(Copeland-Erdős):
0.235711131719232931374143...
從連結所有質數的數字而得出的數,也是以10為底正規。
0.1010010001000010000010000001...

數學難題

有理數在任何底都不是正規,因為它們的數字序列最終會循環出現。瓦茨瓦夫·謝爾品斯基在1917年給出第一個明確構造的一個正規數。韋羅妮卡·比徹(Verónica Becher)和桑蒂亞戈·菲蓋拉(Santiago Figueira)構造一個可計算正規數;蔡廷常數(Chaitin)Ω給出一個不可計算的正規數例子。
要證明一個不是明確構造為正規數的數的正規性非常困難。例如2的平方根 、圓周率π(它的二進制表達已被證明為正規數)、2的自然對數ln2和e是否正規仍不知道。(但基於實驗證據,猜想它們很可能是正規數。)證明仍遙不可及:就連哪些數字在這些常數的10進表示法無窮次出現仍不知道。大衛·貝利(David H. Bailey)和理察·克蘭德爾(Richard E. Crandall)在2001年猜想每個無理代數數是正規的,雖沒有找到反例,卻還沒有一個這樣的數被證明在每個底都是正規的。

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