自然密度

✍ dations ◷ 2025-07-27 20:21:34 #组合数学,数论

自然密度(英语:natural density),又称渐进密度(英语:asymptotic density),是数论中度量自然数子集大小的工具之一。

以平方数集和自然数集的大小关系为例:

考虑自然数的一个子集 A {\displaystyle A} 和整数区间 {\displaystyle }

自然密度(以及一些其他类型的密度)也是概率数论(英语:Probabilistic number theory)的研究对象。

与施尼勒尔曼密度不同,并不是任何自然数的子集都有自然密度。这是自然密度的一个不足之处。

对于一个自然数集的子集 A {\displaystyle A} ,当 n {\displaystyle n} 趋向于无穷时,若 A {\displaystyle A} 中不大于 n {\displaystyle n} 的元素个数与 n {\displaystyle n} 的比值收敛到 α {\displaystyle \alpha } ,则称 A {\displaystyle A} 的自然密度为 α {\displaystyle \alpha }

更进一步,若定义 a ( n ) {\displaystyle a(n)} A {\displaystyle A} 里不大于 n {\displaystyle n} 的元素个数,那么命题“ A {\displaystyle A} 的自然密度为 α {\displaystyle \alpha } ”等效于:

从定义中可以看出,若 α {\displaystyle \alpha } 是某个集合 A {\displaystyle A} 的自然密度,则一定有 0 α 1 {\displaystyle 0\leq \alpha \leq 1}

A {\displaystyle A} 是自然数集 N = { 1 , 2 , } {\displaystyle \mathbb {N} =\{1,2,\ldots \}} 的一个子集。对任何 n N {\displaystyle n\in \mathbb {N} } ,定义 A ( n ) = { 1 , 2 , , n } A {\displaystyle A(n)=\{1,2,\ldots ,n\}\cap A} a ( n ) = | A ( n ) | {\displaystyle a(n)=|A(n)|}

A {\displaystyle A} 的上自然密度(英语:upper asymptotic density)为:

其中 lim sup {\displaystyle \limsup } 是上极限。 d ¯ ( A ) {\displaystyle {\overline {d}}(A)} 也可简称为 A {\displaystyle A} 的上密度。 

同样地,定义A的下自然密度(英语:lower asymptotic density)为:

1. 由上自然密度和下自然密度的定义,我们也可以说 A {\displaystyle A} 的自然密度 d ( A ) {\displaystyle d(A)} 是:

2. 自然密度的定义还可以表示为:

3. 可以证明,下述命题也是自然密度的定义:

一个稍弱的密度定义是 上Banach密度(英语:upper Banach density)。对于 A N {\displaystyle A\subseteq \mathbb {N} } ,定义 d ( A ) {\displaystyle d^{*}(A)} 为:

用类似的方法可以定义出自然数集上的其他密度函数。 例如,集合 A {\displaystyle A} 的对数密度(英语:logarithmic density)可以定义为:

同样也可以定义对应的上对数密度和下对数密度。

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