Wirtualne laboratorium/Matematyka/Teoria liczb/π zawiera wszystko — liczby normalne
Wielkie odkrycie 1909 — Borel

π zawiera wszystko — liczby normalne

Rozszerzenie tematu rozwinięć dziesiętnych i liczb niewymiernych. Jeśli π jest liczbą „normalną" (bardzo prawdopodobne, choć niedowiedzione), to w jej nieskończonym rozwinięciu znajdziesz każdą skończoną sekwencję cyfr — także zakodowaną dowolną książkę. Pojęcie liczby normalnej wprowadził Émile Borel w 1909 r.

π zawiera wszystko — liczby normalne
Matematyka · Teoria liczb · π zawiera wszystko — liczby normalne (1909)
Szukana sekwencja cyfr w rozwinięciu π\pipoz. #3
Czy w nieskończonym rozwinięciu π\pi (prawdopodobnie) znajduje się dowolna skończona sekwencja cyfr — Twoja data urodzenia, numer telefonu, cokolwiek?
szukana
„159"
pozycja w π
#3
długość
3 cyfr
cyfr w modelu
1000
🎯 Wyzwanie: jest w pierwszych 1000 cyfr?
seria: 0

Dam Ci sekwencję cyfr — zgadnij, czy pojawia się w pierwszych 1000 cyfr rozwinięcia π (krótkie prawie zawsze tak, dłuższe bywają dopiero dalej).

Co się właśnie stało?

Szukaliśmy krótkich ciągów cyfr w rozwinięciu π=3,14159265…\pi = 3{,}14159265\ldots — i znajdowaliśmy je: „14" na pozycji 1, „159" na pozycji 3, a nawet sześć dziewiątek „999999" na pozycji 762 (tzw. punkt Feynmana). Niektóre dłuższe ciągi (jak „2718") nie mieszczą się w pierwszych 1000 cyfr — ale prawdopodobnie czekają gdzieś dalej.

Liczba „normalna" — czym jest?

Liczba normalna to taka, w której nieskończonym rozwinięciu dziesiętnym wszystkie cyfry i wszystkie skończone sekwencje cyfr pojawiają się z jednakową, „sprawiedliwą" częstością — jakby cyfry były wynikiem rzutów kostką. Pojęcie to wprowadził francuski matematyk Émile Borel w 1909 r. W szczególności każda z dziesięciu cyfr występuje z częstością:

P(cyfra)=110=10%P(\text{cyfra}) = \frac{1}{10} = 10\%

każda para cyfr z częstością 1100=1%\tfrac{1}{100}=1\%, każda trójka 11000\tfrac{1}{1000} i tak dalej. (W panelu po prawej widać rozkład cyfr w pierwszych 1000 cyfr π\pi — każda krąży wokół 10%.)

Fascynująca konsekwencja

Jeśli liczba jest normalna, to w jej rozwinięciu znajdziemy KAŻDĄ skończoną sekwencję cyfr — swoją datę urodzenia, dowolny numer telefonu, a nawet (po zakodowaniu liter na cyfry) tekst dowolnej książki, całe dzieła Szekspira czy tę stronę! Skoro każda skończona sekwencja gdzieś się pojawia, to i dowolnie długi — byle skończony — ciąg też. Nieskończone, nieokresowe rozwinięcie „mieści wszystko".

Czy π jest normalna? To otwarta zagadka

Obliczono już ponad 100 bilionów cyfr π\pi i ich rozkład wygląda idealnie „normalnie" (każda cyfra ~10%, każda para ~1% itd.) — ale dowodu, że π\pi jest normalna, wciąż NIE MA. To jedna z wielu tajemnic tej stałej. Co ciekawe, matematycy udowodnili, że liczb normalnych jest „prawie tyle co wszystkich", a nawet skonstruowali konkretne przykłady — jak stała Champernowne'a 0,123456789101112…0{,}123456789101112\ldots — ale dla „naturalnych" stałych jak π\pi, ee czy 2\sqrt{2} normalność pozostaje nierozstrzygnięta.

Ważne zastrzeżenie: „w π jest wszystko" to własność liczb normalnych — a dla π\pi normalność jest (mocno wspieraną, lecz nieudowodnioną) hipotezą, nie twierdzeniem. I uwaga: normalność nie oznacza, że π\pi jest „przypadkowa" — π\pi jest w pełni określona, tylko jej cyfry rozkładają się statystycznie równomiernie.

Po co Ci to na maturze:

To rozszerzenie tematu rozwinięć dziesiętnych i liczb niewymiernych. Ucz się rozróżniać: rozwinięcie skończone lub okresowe ⇔ liczba wymierna; nieskończone i nieokresowe ⇔ niewymierna. „Normalność" idzie o krok dalej — mówi nie tylko, że rozwinięcie się nie kończy, lecz że cyfry są rozłożone idealnie równomiernie. To ćwiczy intuicję nieskończoności i różnicę między „udowodnione" a „bardzo prawdopodobne".

Zapamiętaj: w rozwinięciu liczby normalnej pojawia się każda skończona sekwencja cyfr (każda cyfra z częstością 110\tfrac{1}{10}). Dla π\pi normalność jest hipotezą — sprawdzoną na bilionach cyfr, lecz wciąż nieudowodnioną.

Model poglądowy · Wirtualne laboratorium NexTutor

Spodobał Ci się eksperyment? Udostępnij go.

Jest darmowy — podeślij znajomym ze szkoły.

Teoria i wzory

Liczba normalna

Liczba jest normalna, gdy w jej rozwinięciu każda cyfra i każda skończona sekwencja cyfr pojawia się z jednakową, „sprawiedliwą” częstością (np. każda cyfra po 110\tfrac{1}{10}).

π jako (przypuszczalnie) normalna

Jeśli π\pi jest normalna, to w jej nieskończonym rozwinięciu znajdziesz każdą skończoną sekwencję cyfr — także zakodowany dowolny tekst.

Status

To wciąż hipoteza — mimo policzenia ponad 100100 bilionów cyfr π\pi i zgodności statystyk, normalności nie udowodniono. Pojęcie wprowadził Borel (1909).

Oznaczenia: π≈3,14159\pi\approx 3{,}14159, 110\tfrac{1}{10} oczekiwana częstość każdej cyfry.

Uczysz? Umieść ten eksperyment na swojej stronie.

Darmowy widget — wklej na stronę szkoły, bloga lub notatki. Linkuje do pełnej wersji.

Uczysz w klasie albo korepetujesz? Prowadź uczniów w NexTutor →

Najczęstsze pytania

›

Czy w rozwinięciu π znajduje się dowolna sekwencja cyfr?

Prawdopodobnie tak — jeśli π jest liczbą normalną (co jest hipotezą, wspieraną obliczeniem bilionów cyfr).

›

Co to liczba normalna?

Liczba, w której rozwinięciu każda cyfra i każda skończona sekwencja pojawia się z jednakową częstością.

›

Czy udowodniono, że π jest normalna?

Nie — to wciąż otwarta hipoteza, mimo sprawdzenia rozkładu ponad 100 bilionów cyfr.