Densitatea asimptotică

În matematică și mai ales în teoria numerelor , densitatea asimptotică (sau densitatea naturală sau densitatea aritmetică ) este o modalitate de măsurare a „dimensiunii” anumitor subseturi de numere întregi naturale . Densitatea unei mulțimi A poate fi văzută ca o aproximare a probabilității ca un număr întreg tras la întâmplare dintr-un interval arbitrar mare să aparțină lui A  ; studiul său face parte din teoria analitică a numerelor .

Context

Nu există o probabilitate uniformă asupra setului de numere întregi naturale, deoarece dacă fiecare singleton ar avea aceeași probabilitate p , conform axiomei aditivității , setul ar avea o probabilitate infinită dacă p > 0 și zero dacă p = 0 .

Noi chiar arată că nu există nici o probabilitate pe satisfacerea proprietății intuitiv evident că „probabilitatea“ a setului de multipli de un număr întreg strict pozitiv , un este egal cu 1 / a (există o șansă pe un ca un întreg este un multiplu de a ).

Pe de altă parte, există o probabilitate uniformă pe toate seturile , ceea ce motivează următoarele definiții.

Definiții

Un set A de numere naturale este densitatea naturală (unde ) proporția elementelor lui A dintre numerele întregi de la 1 la n se apropie asimptotic de când n merge la infinit. În mod formal, notând numărul de elemente ale lui A între 1 și n , densitatea asimptotică a lui A , D ( A ) , este definită de

(dacă această limită există).

Stare necesară și suficientă

Dacă A este finit, A are densitate zero.

Dacă A este infinit, să fie secvența strict crescătoare a elementelor sale nenule.

Asa de :

- dacă , A are densitate zero.

- dacă , A are densitate ssi .

Demonstrație

Dacă A este finit, este constant peste un anumit rang, prin urmare .

Să presupunem că  ; După ce a crescut strict limita infinită .

Scriind asta , obținem asta .

Scriind asta , obținem asta .

Deducem  ; dacă , am arătat bine că dacă , A este de densitate zero.

Dacă , am demonstrat că dacă , A are densitatea α.

Să presupunem reciproc că  ; cum ar fi , și , așa că .

Densități din ce în ce mai mici

Cu aceleași notații, definim densitatea asimptotică mai mare (sau pur și simplu densitatea mai mare ) a lui A , d ( A ), prin

,

unde lim sup este limita superioară .

De asemenea, densitatea mai mică a lui A , d ( A ), este definită de

, unde lim inf este limita inferioară .

A are o densitate asimptotică dacă și numai dacă densitățile inferioare și superioare coincid și apoi.

Proprietate de aditivitate finită

Densitatea asimptotică nu verifică proprietatea aditivității numărabile, dar o verifică pe cea a aditivității finite .

Fie A și B două subseturi de  ;

Dacă sunt disjuncte și fiecare are o densitate, atunci are și o densitate și .

Mai general :

Dacă trei din cele patru seturi au densitate, atunci la fel are și al patrulea și .

Acest lucru se datorează faptului că .

Deducem că dacă densitatea există pentru A , ea există și pentru complementul c A din A în și că avem .

Exemple

Demonstrație

Etape majore în demonstrarea nulității densității numerelor prime (teorema de rarefacție a lui Legendre (1808)), fără a utiliza teorema numărului prim.

Să notăm cu numărul prim al rangului k și cu mulțimea multiplilor lui ; notăm mulțimea numerelor naturale care nu sunt divizibile cu niciun număr prim cuprins între 2 și . Se arată că PRIMES fiind relativ prim câte două, densitatea este produsul densităților de seturi  : . Aur  ; este o consecință a faptului că (vezi la produs infinit ). Mai mult, întrucât un număr prim nu este niciodată multiplu al altui, setul conține toate numerele prime începând de la . Dacă n este un întreg mai mare sau egal cu , avem , prin urmare ,. Luând limitele superioare, obținem acest lucru pentru toate k . Ca , putem deduce că .

Demonstrație


Fiecare set are elemente. Prin urmare

Cu toate acestea, acest set are o densitate logaritmică (a se vedea mai jos) egală cu 1/2 (într-adevăr ,, și există, în esență, n termeni din această formă de rezumat).

Demonstrație


este format din numere impare având un număr impar de cifre și numere pare având un număr par de cifre. Astfel, densitatea și 1/2 C .

Dar nu are densitate (densitățile sale inferioare și superioare sunt jumătate din cele ale lui A ). are, de asemenea, densități jumătăți inferioare și superioare ale celor de .

și nu aveți nici unul.

Este într-adevăr de densitate mai mică și densitate mai mare (1/9 și 5/9 de exemplu pentru numărul 1 din baza 10).

Demonstrație


Fiecare set are elemente. Prin urmare

Totuși, acest set are o densitate logaritmică (vezi mai jos) egală cu , cu alte cuvinte, setul de numere întregi îndeplinește o lege logaritmică Benford .

Alte definiții

Densitatea Banach

O noțiune oarecum mai slabă de densitate este cea a densității Banach  ; dat , este definit de

.

Densitatea Schnirelmann

Densitatea Schnirelmann a este definită ca limita inferioară a rezultatului  ; deși este foarte sensibil la numerele întregi mici ale lui A (este de exemplu zero dacă A nu conține 1 de atunci ), are proprietăți interesante care îl fac mai util decât densitatea asimptotică în teoria numerelor aditive .

Densitatea logaritmică

Mulțimi mai neregulate pot fi măsurate prin densitatea lor logaritmică , definită prin  : atribuim greutatea 1 / k întregului k .

Această densitate se îmbină cu densitatea asimptotică atunci când aceasta din urmă există și am văzut mai sus exemple de seturi fără densitatea asimptotică având, totuși, o densitate logaritmică. Astfel putem considera că este vorba despre un proces analog transformărilor care permit calcularea sumei unei serii divergente .

Exemplu

Orice parte A astfel încât converge seria armonică lacunară are densitate logaritmică zero. Acesta este cazul, de exemplu, cu seturile Kempner obținute prin păstrarea numai a numerelor întregi care nu cuprind o secvență dată de cifre într-o anumită bază.

Conversa este falsă, după cum reiese din setul de numere prime care are o densitate naturală, deci logaritmică, zero și a cărei serie de inversuri nu converge.

Densitatea Zeta

Pentru orice real , definim ce ar fi imposibil de scris pentru s = 1 din cauza divergenței seriei armonice .

Densitatea zeta (de la numele funcției zeta ) este apoi definită de . De fapt, coincide cu densitatea logaritmică.

Densitatea relativă și densitatea analitică

În special în studiul seturilor de numere prime, suntem conduși să definim densitatea naturală relativă aLA(inclus în ) ca limită (când n se apropie de infinit) a coeficientului (numărul de elemente ale lui A ≤ n ) / (numărul de elemente ale lui ≤ n ). În dovada teoremei progresiei aritmetice , Dirichlet a definit o densitate mai precisă, densitatea analitică a lui A , prin formula:

(care fuzionează cu densitatea naturală atunci când aceasta din urmă există).

Exemplu numeric

Desemnând după numărul prim al rangului k , deducem din faptul că densitatea multiplilor lui a este egală cu 1 / a , următorul tabel:

Densitatea numerelor întregi

divizibil cu

Densitatea numerelor întregi

nu este divizibil cu

Densitatea numerelor întregi

nu este divizibil cu , ..,

Densitatea numerelor întregi divizibile

prin cel puțin o primă între și

k
1 2 50,0% 50,0% 50,0% 50,0%
2 3 33,3% 66,7% 33,3% 66,7%
3 5 20,0% 80,0% 26,7% 73,3%
4 7 14,3% 85,7% 22,9% 77,1%
5 11 9,1% 90,9% 20,8% 79,2%
6 13 7,7% 92,3% 19,2% 80,8%
7 17 5,9% 94,1% 18,1% 81,9%
8 19 5,3% 94,7% 17,1% 82,9%
9 23 4,3% 95,7% 16,4% 83,6%
10 29 3,4% 96,6% 15,8% 84,2%
11 31 3,2% 96,8% 15,3% 84,7%
12 37 2,7% 97,3% 14,9% 85,1%
13 41 2,4% 97,6% 14,5% 85,5%
14 43 2,3% 97,7% 14,2% 85,8%
15 47 2,1% 97,9% 13,9% 86,1%
16 53 1,9% 98,1% 13,6% 86,4%
17 59 1,7% 98,3% 13,4% 86,6%
18 61 1,6% 98,4% 13,2% 86,8%
19 67 1,5% 98,5% 13,0% 87,0%
20 71 1,4% 98,6% 12,8% 87,2%
21 73 1,4% 98,6% 12,6% 87,4%
22 79 1,3% 98,7% 12,4% 87,6%
23 83 1,2% 98,8% 12,3% 87,7%
24 89 1,1% 98,9% 12,2% 87,8%
25 97 1,0% 99,0% 12,0% 88,0%
 

Acest tabel citește după cum urmează: linia pentru k = 2 arată că, în termeni aproape matematici (aproape pentru că o densitate nu este o probabilitate), se pare că un număr întreg are o „șansă din trei” de a fi divizibil. Nici cu 2, nici cu 3 sau, ceea ce echivalează cu același lucru, „două șanse în 3” de a fi divizibil cu 2 sau cu 3 (sau cu ambele). În termeni comuni, se pare că „doi din trei numere întregi sunt pare sau multipli de 3.”

Și în mod similar, uitându-ne la rezultatul pentru k = 25 ( p = 97 ), se pare că "88% din numere întregi sunt divizibile cu un număr prim mai mic de 100".

Vezi și tu

Link extern

Densitate , articol despre densitatea asimptotică în OEIS .

Note

  1. J.P. Delahaye, „  Numărul întreg nu se naște la fel  ”, Pour la Science - nr. 421 ,noiembrie 2012( citește online )
  2. (ro) Dr. Jörn Steuding, „  Teoria probabilistică a numerelor  ” , p.  9
  3. Diaconis 1974 , p.  8
  4. (în) W. Narkiewicz, Teoria numerelor , Polonia, World Scientific,1983( ISBN  9971-950-13-8 , citit online ) , p 80 și 81
  5. (de) H. Davenport , „  Über numeri abundantes  ” , Preuss. Akad. Wiss. Sitzungsber. , vol.  27,1933, p.  830-837.
  6. (în) Mark Deléglise , "  Bounds for the density of abundant integers  " , Experimental Mathematics , vol.  7, n o  21998, p.  137-143 ( citește online ).
  7. Diaconis 1974 , p.  2
  8. A. Fuchs și G. Letta, „  Prima problemă de cifră zecimală pentru numerele prime  ”, The Foata Festschrift. Electron, J. Combin. 3, nr. 2 ,1996( citește online )
  9. Vizualizare (în) Andrew Granville și Greg Martin , „  Prime number races  ” , American Mathematical Monthly , vol.  113,2006, p.  1–33 ( JSTOR  27641834 , citiți online )

Referințe

<img src="https://fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1" alt="" title="" width="1" height="1" style="border: none; position: absolute;">