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定义Definition

有效 Hausdorff 维数

Effective Hausdorff dimension · Constructive dimension

以可有效押注的维数刻画前缀信息密度下极限,手算稀释随机序列,并解释维数一仍可能不随机。

形式陈述 ​

在 Cantor 空间,函数 d:2<N→[0,∞) 为一个 s-超赌徒(s-supergale),若

d(σ)≥2−s(d(σ0)+d(σ1)).

下半可计算指存在统一全可计算的有理近似 dt(σ)≥0,随 t 单调增加到 d(σ),并不附带可计算误差界。若 d 沿 X 的前缀无界,就说它在 X 上成功。有效 Hausdorff 维数是所有满足“存在下半可计算 s-超赌徒在 X 上成功”的可计算实数 s≥0 的下确界。Mayordomo 的刻画定理为

dimeff⁡(X)=lim infn→∞K(X↾n)n,

其中 K 是前缀复杂度。[1] 其值在 [0,1];普通几何中单点集的 Hausdorff 维数始终为零,这里加入有效性后才对单个无限序列得到非平凡数值。

直觉

维数问:在无限多个长前缀上,每一位至少需要多少不可压缩信息。下极限让低信息密度的长阶段起决定作用;偶尔出现一大块复杂数据,未必提高这个下极限。

当 s<1 时,赌徒每一轮可分给两个孩子的总资本小于公平赌徒的相应预算,成功更困难。可压缩前缀提供便宜的覆盖,正好补偿这项资本折损。

例子与边界

每个随机位后插入一个零 ​

令 R 为 Martin-Löf 随机,取 X(2i)=R(i)、X(2i+1)=0。由 X↾2m 可恢复 R↾m,故

K(X↾2m)≥K(R↾m)−O(1)≥m−O(1).

反过来,从 R 的前 m 位可输出这 2m 位,且 K(R↾m)≤m+O(log⁡m),故上界为 m+O(log⁡m)。奇数长度只多一位,因此复杂度比值趋于 1/2,得到 dimeff⁡(X)=1/2。

这个例子不是把随机性一分为二:X 具有完全可预测的奇数位,明显不随机;维数记录剩下随机信息所占的渐近密度。

维数一仍可有可计算异常 ​

在位置 2k 固定放零,其余位置按顺序放入随机序列 R。长度 n 中只删去 O(log⁡n) 个随机位置,提取其余位可得

K(X↾n)≥n−O(log⁡n).

结合一般上界,信息密度趋一。但要求前 m 个指定位置都为零的事件测度恰为 2−m,构成有效检验,所以 X 不随机。Martin-Löf 随机性要求复杂度亏损有统一常数界,维数一只要求亏损相对 n 可以忽略。

刻画定理的编码机制 ​

先设 t<r 是非负有理数,且有无限多个前缀 σ=X↾n 满足 K(σ)<tn。每个停机程序 p 输出一个有限串 σ 后,把质量 2−|p| 放在 [σ] 中,并在其后续坐标上按公平币分配。把所有程序的贡献相加,得到总质量至多一、柱集质量 M([τ]) 下半可计算的测度:观察到一次停机,就能计算它对任一柱集的有理贡献。令

dr(τ)=2r|τ|M([τ]).

柱集分裂等式使它成为下半可计算的 r-赌徒。对于上述可压缩前缀,其最短程序至少贡献 2−K(σ),故 dr(σ)>2(r−t)n,沿这些前缀无界。这给出维数不超过复杂度密度下极限。

反过来,设下半可计算 s-超赌徒 d 成功,取有理数 r>s。逐层迭代超赌徒不等式,有

∑|σ|=nd(σ)2−sn≤d(ε).

对每个 n≥1,枚举所有已证实 d(σ)>1 的长为 n 的串,各请求长度 ⌈rn⌉+c,同一串只请求一次。这些请求的总 Kraft 权重至多

2−cd(ε)∑n≥12−(r−s)n.

选择一个足够大的固定整数 c≥0 使其至多一,Kraft–Chaitin 定理便给出同一台前缀机。成功保证沿 X 有无限多个这样的前缀,所以其复杂度密度下极限至多 r。让 r 从上逼近 s,再取成功赌徒参数的下确界,便得反向不等式。证明只枚举严格资本下界,没有假定能够有效判定“首次越界”的最短前缀。[1,2]

推论与应用

$K$-平凡序列和所有可计算序列维数均为零,但零维数不等于可计算。用越来越稀疏的位置保存不可计算数据,仍可能保留全部图灵信息而令密度归零。

若将 liminf 换为 limsup,得到的是有效强维数(与有效 packing 维数对应),衡量高信息密度阶段;不能只换一个极限符号而沿用同一个名称。

参考资料
关系图谱11 个相邻概念 · 1 类关系

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