خاصية الجمع الفرعي

في الرياضيات ، تُعرف خاصية شبه الجمعية بأنها خاصية للدالة ، وتنص، باختصار، على أن حساب مجموع عنصرين من مجال الدالة يُعطي دائمًا قيمة أقل من أو تساوي مجموع قيم الدالة عند كل عنصر. توجد أمثلة عديدة على الدوال شبه الجمعية في مختلف فروع الرياضيات، لا سيما المعايير والجذور التربيعية . وتُعدّ الدوال الجمعية حالات خاصة من الدوال شبه الجمعية.

التعريفات

الدالة شبه الجمعية هي دالةو:أب{\displaystyle f\colon A\to B}، ولها مجال A ومجال مرتب B وكلاهما مغلق تحت عملية الجمع، مع الخاصية التالية: x،yأ،و(x+y)و(x)+و(y).{\displaystyle \forall x,y\in A,f(x+y)\leq f(x)+f(y).}

ومن الأمثلة على ذلك دالة الجذر التربيعي ، التي يكون مجالها ومجالها المقابل هما الأعداد الحقيقية غير السالبة : بما أنx،y0{\displaystyle \forall x,y\geq 0}لدينا: x+yx+y.{\displaystyle {\sqrt {x+y}}\leq {\sqrt {x}}+{\sqrt {y}}.}

تسلسل{أن}ن1{\displaystyle \left\{a_{n}\right\}_{n\geq 1}}يُطلق عليه اسم شبه جمعي إذا حقق المتباينةأن+مأن+أم{\displaystyle a_{n+m}\leq a_{n}+a_{m}} لكل m و n . هذه حالة خاصة من الدالة شبه الجمعية، إذا تم تفسير متتالية ما على أنها دالة على مجموعة الأعداد الطبيعية.

لاحظ أنه بينما تكون المتتالية المقعرة شبه جمعية، فإن العكس غير صحيح. على سبيل المثال، قم بتعيين قيمة عشوائية لـأ1،أ2،...{\displaystyle a_{1},a_{2},...}مع القيم في[0.5،1]{\displaystyle [0.5,1]}إذاً، فإن المتتالية تكون شبه جمعية ولكنها ليست مقعرة.

ملكيات

التسلسلات

تُعد ليمّة فيكيت نتيجة مفيدة تتعلق بالمتتاليات شبه الجمعية . [ 1 ]

مبرهنة فيكيت للمجموعات الفرعية - لكل متتالية مجموعية فرعية{أن}ن=1{\displaystyle {\left\{a_{n}\right\}}_{n=1}^{\infty }}الحدليمنأنن{\displaystyle \displaystyle \lim _{n\to \infty }{\frac {a_{n}}{n}}}يساوي الحد الأدنىمعلوماتأنن{\displaystyle \inf {\frac {a_{n}}{n}}}(قد يكون الحد-{\displaystyle -\infty }.)

دليل

يتركs*:=معلوماتنأنن{\displaystyle s^{*}:=\inf _{n}{\frac {a_{n}}{n}}}.

بحسب التعريف،الحد الأقصى غير محدودنأننs*{\displaystyle \liminf _{n}{\frac {a_{n}}{n}}\geq s^{*}}لذا يكفي أن نوضحليم سوبنأننs*{\displaystyle \limsup _{n}{\frac {a_{n}}{n}}\leq s^{*}}.

وإلا، فهناك متتالية فرعية.(أنك)ك{\displaystyle (a_{n_{k}})_{k}}وϵ>0{\displaystyle \epsilon >0}بحيثأنكنك>s*+ϵ{\displaystyle {\frac {a_{n_{k}}}{n_{k}}}>s^{*}+\epsilon }للجميعك{\displaystyle k}.

منذs*:=معلوماتنأنن{\displaystyle s^{*}:=\inf _{n}{\frac {a_{n}}{n}}}يوجدأم{\displaystyle a_{m}}بحيثأمم<s*+ϵ{\displaystyle {\frac {a_{m}}{m}}<s^{*}+\epsilon }.

بحسب مبدأ خانة الحمام اللانهائية ، توجد متتالية فرعية من(أنك)ك{\displaystyle (a_{n_{k}})_{k}}، والتي تنتمي جميع مؤشراتها إلى نفس فئة البقايا moduloم{\displaystyle m}وبالتالي يتقدمون بمضاعفاتم{\displaystyle m}هذا التسلسل، إذا استمر لفترة كافية، سيُجبر بفعل خاصية الجمع الفرعي على الانخفاض إلى ما دون مستوىs*+ϵ{\displaystyle s^{*}+\epsilon }خط الميل، تناقض.

وبمزيد من التفصيل، من خلال خاصية الجمع الفرعي، لدينا

أن2أن1+أم(ن2-ن1)/مأن3أن2+أم(ن3-ن2)/مأن1+أم(ن3-ن1)/مأنكأن1+أم(نك-ن1)/م{\textstyle {\begin{aligned}a_{n_{2}}&\leq a_{n_{1}}+a_{m}(n_{2}-n_{1})/m\\a_{n_{3}}&\leq a_{n_{2}}+a_{m}(n_{3}-n_{2})/m\leq a_{n_{1}}+a_{m}(n_{3}-n_{1})/m\\\cdots &\cdots \\a_{n_{k}}&\leq a_{n_{1}}+a_{m}(n_{k}-n_{1})/m\end{aligned}}}

وهذا يعنيليم سوبكأنك/نكأم/م<s*+ϵ{\displaystyle \limsup _{k}a_{n_{k}}/n_{k}\leq a_{m}/m<s^{*}+\epsilon }، وهو تناقض.

وينطبق نظير لِمّة فيكيت على المتتاليات فوق الجمعية أيضًا، أي: أن+مأن+أم.{\displaystyle a_{n+m}\geq a_{n}+a_{m}.} (قد تكون النهاية عندئذٍ موجبة لا نهائية: انظر إلى المتتاليةأن=سجلن!{\displaystyle a_{n}=\log n!}.)

توجد امتدادات لفرضية فيكيت لا تتطلب المتباينةأن+مأن+أم{\displaystyle a_{n+m}\leq a_{n}+a_{m}}يتحقق ذلك لجميع قيم m و n ، ولكن فقط لقيم m و n التي تحقق ذلك.12من2.{\textstyle {\frac {1}{2}}\leq {\frac {m}{n}}\leq 2.}

دليل

استمر في البرهان كما كان من قبل، حتى نكون قد استخدمنا مبدأ خانة الحمام اللانهائية.

ضع في اعتبارك التسلسلأم،أ2م،أ3م،...{\displaystyle a_{m},a_{2m},a_{3m},...}. منذ2م/م=2{\displaystyle 2m/m=2}لديناأ2م2أم{\displaystyle a_{2m}\leq 2a_{m}}وبالمثل، لديناأ3مأ2م+أم3أم{\displaystyle a_{3m}\leq a_{2m}+a_{m}\leq 3a_{m}}، إلخ.

بافتراض، لأيs،تشمال{\displaystyle s,t\in \mathbb {N} }يمكننا استخدام خاصية الجمع الجزئي عليها إذا

ln(s+ت)[ln(1.5s)،ln(3s)]=lns+[ln1.5،ln3]{\displaystyle \ln(s+t)\in [\ln(1.5s),\ln(3s)]=\ln s+[\ln 1.5,\ln 3]}

إذا كنا نتعامل مع متغيرات مستمرة، فيمكننا استخدام خاصية الجمع الجزئي للانتقال منأنك{\displaystyle a_{n_{k}}}لأنك+[ln1.5،ln3]{\displaystyle a_{n_{k}}+[\ln 1.5,\ln 3]}ثم إلىأنك+ln1.5+[ln1.5،ln3]{\displaystyle a_{n_{k}}+\ln 1.5+[\ln 1.5,\ln 3]}وهكذا دواليك، وهو ما يغطي الفترة الزمنية بأكملهاأنك+[ln1.5،+){\displaystyle a_{n_{k}}+[\ln 1.5,+\infty )}.

على الرغم من عدم وجود متغيرات متصلة، إلا أنه لا يزال بإمكاننا تغطية عدد كافٍ من الأعداد الصحيحة لإكمال البرهان. ليكننك{\displaystyle n_{k}}أن تكون كبيرة بما يكفي، بحيث

ln(2)>ln(1.5)+ln(1.5نك+م1.5نك){\displaystyle \ln(2)>\ln(1.5)+\ln \left({\frac {1.5n_{k}+m}{1.5n_{k}}}\right)} ثم دعن{\displaystyle n'}ليكن أصغر عدد في التقاطع(نك+مZ)(lnنك+[ln(1.5)،ln(3)]){\displaystyle (n_{k}+m\mathbb {Z} )\cap (\ln n_{k}+[\ln(1.5),\ln(3)])}بناءً على الافتراضنك{\displaystyle n_{k}}من السهل أن نرى (ارسم صورة) أن الفتراتlnنك+[ln(1.5)،ln(3)]{\displaystyle \ln n_{k}+[\ln(1.5),\ln(3)]}وlnن+[ln(1.5)،ln(3)]{\displaystyle \ln n'+[\ln(1.5),\ln(3)]}المس في المنتصف. وهكذا، بتكرار هذه العملية، نغطي كامل(نك+مZ)(lnنك+[ln(1.5)،]){\displaystyle (n_{k}+m\mathbb {Z} )\cap (\ln n_{k}+[\ln(1.5),\infty ])}.

مع ذلك، كل شيءأنك،أنك+1،...{\displaystyle a_{n_{k}},a_{n_{k+1}},...}يتم إجبارها على النزول كما في البرهان السابق.

علاوة على ذلك، فإن الحالةأن+مأن+أم{\displaystyle a_{n+m}\leq a_{n}+a_{m}}قد يتم إضعافها على النحو التالي:أن+مأن+أم+ϕ(ن+م){\displaystyle a_{n+m}\leq a_{n}+a_{m}+\phi (n+m)}بشرط أنϕ{\displaystyle \phi }هي دالة متزايدة بحيث يكون التكاملϕ(ت)ت-2دت{\textstyle \int \phi (t)t^{-2}\,dt}يتقارب (بالقرب من اللانهاية). [ 2 ]

توجد أيضًا نتائج تسمح باستنتاج معدل التقارب إلى النهاية التي تم تحديد وجودها في مبرهنة فيكيت، إذا كان هناك نوع من الجمع الفائق والجمع الجزئي. [ 3 ] [ 4 ]

بالإضافة إلى ذلك، تم إثبات نظائر لـ Fekete's lemma للتطبيقات الحقيقية شبه الجمعية (مع افتراضات إضافية) من المجموعات الجزئية المنتهية لمجموعة قابلة للتقريب ، [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] ، وكذلك من شبه مجموعة قابلة للتقريب من اليسار قابلة للإلغاء . [ 8 ]

الوظائف

النظرية: [ 9 ] لكلدالة فرعية قابلة للقياسو:(0،)R،{\displaystyle f:(0,\infty )\to \mathbb {R} ,}الحدليمتو(ت)ت{\displaystyle \lim _{t\to \infty }{\frac {f(t)}{t}}}موجود ويساويمعلوماتت>0و(ت)ت.{\displaystyle \inf _{t>0}{\frac {f(t)}{t}}.}(قد يكون الحد-.{\displaystyle -\infty .})

إذا كانت f دالة شبه جمعية، وإذا كان 0 في مجالها، فإن f (0) ≥ 0. ولإثبات ذلك، خذ المتباينة في الأعلى.و(x)و(x+y)-و(y){\displaystyle f(x)\geq f(x+y)-f(y)}. لذلكو(0)و(0+y)-و(y)=0{\displaystyle f(0)\geq f(0+y)-f(y)=0}

دالة مقعرةو:[0،)R{\displaystyle f:[0,\infty )\to \mathbb {R} }معو(0)0{\displaystyle f(0)\geq 0}وهي أيضًا شبه جمعية. ولرؤية ذلك، يلاحظ المرء أولاً أنو(x)yx+yو(0)+xx+yو(x+y){\displaystyle f(x)\geq \textstyle {\frac {y}{x+y}}f(0)+\textstyle {\frac {x}{x+y}}f(x+y)}ثم بالنظر إلى مجموع هذا الحد لـو(x){\displaystyle f(x)}وو(y){\displaystyle f(y)}، سيؤكد ذلك في النهاية أن f شبه جمعية. [ 10 ]

معكوس الدالة شبه الجمعية هو الدالة فوق الجمعية .

أمثلة في مجالات متنوعة

إنتروبيا

يلعب الإنتروبيا دورًا أساسيًا في نظرية المعلومات والفيزياء الإحصائية ، وكذلك في ميكانيكا الكم في صيغة معممة وضعها فون نيومان . يظهر الإنتروبيا دائمًا ككمية شبه جمعية في جميع صيغه، أي أن إنتروبيا أي نظام فائق أو اتحاد مجموعة من المتغيرات العشوائية تكون دائمًا أقل من أو تساوي مجموع إنتروبيات مكوناته الفردية. إضافةً إلى ذلك، يُحقق الإنتروبيا في الفيزياء العديد من المتباينات الأكثر صرامة، مثل شبه الجمعية القوية للإنتروبيا في الميكانيكا الإحصائية الكلاسيكية ونظيرتها في ميكانيكا الكم .

الاقتصاد

خاصية التجميع الفرعي هي خاصية أساسية لبعض دوال التكلفة المحددة . وهي، بشكل عام، شرط ضروري وكافٍ للتحقق من الاحتكار الطبيعي . وتعني أن الإنتاج من شركة واحدة فقط أقل تكلفة اجتماعيًا (من حيث متوسط ​​التكاليف) من إنتاج جزء من الكمية الأصلية من قبل عدد مماثل من الشركات.

يتم تمثيل وفورات الحجم بواسطة دوال متوسط ​​التكلفة شبه الجمعية .

باستثناء السلع المُكمِّلة، يجب أن يكون سعر السلع (كدالة للكمية) أقل من مجموع أسعار السلعتين. وإلا، إذا كان مجموع تكلفة سلعتين أرخص من تكلفة حزمة السلعتين معًا، فلن يشتري أحد الحزمة، مما يجعل سعر الحزمة مساويًا لمجموع سعري السلعتين منفصلتين. وهذا يُثبت أن هذا ليس شرطًا كافيًا للاحتكار الطبيعي، لأن وحدة التبادل قد لا تكون التكلفة الفعلية للسلعة. هذا الوضع مألوف للجميع في الساحة السياسية، حيث تزعم أقلية أن فقدان بعض الحريات في مستوى معين من الحكم يعني أن العديد من الحكومات أفضل، بينما تزعم الأغلبية وجود وحدة تكلفة أخرى صحيحة.

تمويل

تُعدّ خاصية التجميع الفرعي إحدى الخصائص المرغوبة لمقاييس المخاطر المتماسكة في إدارة المخاطر . [ 11 ] ويكمن المنطق الاقتصادي وراء خاصية التجميع الفرعي لمقاييس المخاطر في أن تعرض المحفظة للمخاطر، في أسوأ الأحوال، يجب أن يساوي ببساطة مجموع تعرضات المخاطر للمراكز الفردية التي تُكوّن المحفظة. ويُعدّ غياب خاصية التجميع الفرعي أحد الانتقادات الرئيسية لنماذج القيمة المعرضة للخطر (VaR) التي لا تعتمد على افتراض التوزيع الطبيعي لعوامل المخاطر. وتضمن القيمة المعرضة للخطر الغاوسية خاصية التجميع الفرعي؛ فعلى سبيل المثال، القيمة المعرضة للخطر الغاوسية لمحفظة تتكون من مركزين طويلين متماثلين.V{\displaystyle V}على مستوى الثقة1-ص{\displaystyle 1-p}بافتراض أن متوسط ​​تباين قيمة المحفظة يساوي صفرًا وأن قيمة المخاطرة تُعرَّف على أنها خسارة سلبية، VaRصzصσΔV=zصσx2+σy2+2ρxyσxσy{\displaystyle {\text{VaR}}_{p}\equiv z_{p}\sigma _{\Delta V}=z_{p}{\sqrt {\sigma _{x}^{2}+\sigma _{y}^{2}+2\rho _{xy}\sigma _{x}\sigma _{y}}}} أينzص{\displaystyle z_{p}}هي معكوس دالة التوزيع التراكمي الطبيعي عند مستوى الاحتمالص{\displaystyle p}،σx2،σy2{\displaystyle \sigma _{x}^{2},\sigma _{y}^{2}}هل تمثل هذه النتائج تباينات عوائد المراكز الفردية وρxy{\displaystyle \rho _{xy}}يمثل هذا مقياس الارتباط الخطي بين عوائد المركزين الفرديين. وبما أن التباين يكون دائمًا موجبًا، σx2+σy2+2ρxyσxσyσx+σy{\displaystyle {\sqrt {\sigma _{x}^{2}+\sigma _{y}^{2}+2\rho _{xy}\sigma _{x}\sigma _{y}}}\leq \sigma _{x}+\sigma _{y}} وبالتالي فإن قيمة المخاطر الغاوسية تكون شبه جمعية لأي قيمة منρxy[-1،1]{\displaystyle \rho _{xy}\in [-1,1]}وعلى وجه الخصوص، فإنها تساوي مجموع التعرضات الفردية للمخاطر عندماρxy=1{\displaystyle \rho _{xy}=1}وهذا هو الحال بالنسبة لعدم وجود تأثيرات للتنويع على مخاطر المحفظة.

الديناميكا الحرارية

يحدث التداخل في الخصائص الديناميكية الحرارية للمحاليل والمخاليط غير المثالية مثل الحجم المولي الزائد وحرارة الخلط أو المحتوى الحراري الزائد .

التوافقية في الكلمات

لغة العامليةل{\displaystyle L}هو أحدها حيث إذا كانت الكلمة فيل{\displaystyle L}إذن، جميع عوامل تلك الكلمة موجودة أيضاًل{\displaystyle L}في علم التوافيق على الكلمات ، تتمثل إحدى المشكلات الشائعة في تحديد العددأ(ن){\displaystyle A(n)}من حيث الطول-ن{\displaystyle n}كلمات في لغة مضروبية. بوضوحأ(م+ن)أ(م)أ(ن){\displaystyle A(m+n)\leq A(m)A(n)}، لذاسجلأ(ن){\displaystyle \log A(n)}وهي شبه جمعية، وبالتالي يمكن استخدام ليمّة فيكيت لتقدير نموأ(ن){\displaystyle A(n)}[ 12 ]

لكلك1{\displaystyle k\geq 1}قم بأخذ عينة من سلسلتين بطولن{\displaystyle n}بشكل عشوائي متساوٍ على الأبجدية1،2،...،ك{\displaystyle 1,2,...,k}الطول المتوقع لأطول سلسلة فرعية مشتركة هو دالة فائقة الجمع لـن{\displaystyle n}وبالتالي يوجد عددγك0{\displaystyle \gamma _{k}\geq 0}بحيث يزداد الطول المتوقع معγكن{\displaystyle \sim \gamma _{k}n}عن طريق التحقق من الحالة معن=1{\displaystyle n=1}لدينا1ك<γك1{\displaystyle {\frac {1}{k}}<\gamma _{k}\leq 1}القيمة الدقيقة لـγ2{\displaystyle \gamma _{2}}ومع ذلك، من المعروف أن قيمته تتراوح بين 0.788 و 0.827 فقط. [ 13 ]

انظر أيضاً

ملحوظات

  1. ^ فيكيت، م. (1923). "Über die Verteilung der Wurzeln bei gwissen algebraischen Gleichungen mit ganzzahligen Koeffizienten". الرياضيات Zeitschrift . 17 (1): 228-249 . دوى : 10.1007 / BF01504345 . S2CID 186223729 . 
  2. ^ دي بروين، إن جي؛ إردوس، ب. (1952). “بعض الصيغ العودية الخطية وبعض الصيغ التربيعية. II”. نيديرل. أكاد. ويتنش. بروك. سر. أ . 55 : 152– 163. دوى : 10.1016/S1385-7258(52)50021-0 .(نفس الشيء كما في Indagationes Math. 14. ) انظر أيضًا Steele 1997، النظرية 1.9.2.
  3. مايكل ج. ستيل. "نظرية الاحتمالات والتحسين التوافقي". سيام، فيلادلفيا (1997). ISBN 0-89871-380-3.
  4. مايكل ج. ستيل (2011). محاضرات CBMS حول نظرية الاحتمالات والتحسين التوافقي . جامعة كامبريدج.
  5. ليندنشتراوس، إيلون ؛ وايس، بنيامين (2000). "البعد الطوبولوجي المتوسط" . مجلة إسرائيل للرياضيات . 115 (1): 1-24 . CiteSeerX 10.1.1.30.3552 . doi : 10.1007/BF02810577 . ISSN 0021-2172 .  النظرية 6.1
  6. أورنشتاين، دونالد سفايس، بنيامين (1987). "نظريات الإنتروبيا والتشاكل لتأثيرات المجموعات القابلة للتقريب" . مجلة التحليل الرياضي . 48 (1): 1-141 . doi : 10.1007/BF02790325 . ISSN 0021-7670 . 
  7. غروموف، ميشا (1999). "الثوابت الطوبولوجية للأنظمة الديناميكية وفضاءات الخرائط الهولومورفية: الجزء الأول". الفيزياء الرياضية والتحليل والهندسة . 2 (4): 323-415 . Bibcode : 1999MPAG....2..323G . doi : 10.1023/A:1009841100168 . ISSN 1385-0172 . S2CID 117100302 .  
  8. ^ سيشيريني-سيلبرشتاين، توليو؛ كريجر، فابريس. كورنيرت، ميشيل (2014). "تناظرية لـ Fekete's lemma للوظائف الفرعية على المجموعات شبه القابلة للإلغاء" . مجلة تحليل الرياضيات . 124 : 59 – 81. أرخايف : 1209.6179 . دوى : 10.1007/s11854-014-0027-4 .النظرية 1.1
  9. هيل 1948، النظرية 6.6.1. (تم تحديد قابلية القياس في القسم 6.2 "المقدمات").)
  10. شيشتر، إريك (1997). دليل التحليل وأسسه . سان دييغو: أكاديميك برس. ISBN 978-0-12-622760-4.، ص.314، 12.25
  11. راو-بريدو، هـ. (2019). "الأكبر ليس دائمًا الأكثر أمانًا: تحليل نقدي لفرضية الجمع الفرعي لمقاييس المخاطر المتماسكة" . المخاطر . 7 (3): 91. doi : 10.3390/risks7030091 . hdl : 10419/257929 .
  12. شور، أرسيني (2012). "خصائص نمو اللغات الخالية من القوى". مراجعة علوم الحاسوب . 6 ( 5-6 ): 187-208 . doi : 10.1016/j.cosrev.2012.09.001 .
  13. لوكر، جورج س. (مايو 2009). "تحسين حدود متوسط ​​طول أطول المتتاليات الفرعية المشتركة" . مجلة ACM . 56 (3): 1-38 . doi : 10.1145/1516512.1516519 . ISSN 0004-5411 . S2CID 7232681 .  

مراجع

تتضمن هذه المقالة مواد من قسم "الجمع الفرعي" على موقع PlanetMath ، وهو مرخص بموجب رخصة Creative Commons Attribution/Share-Alike .