Lüroth展式可由如下变换$ T:\left[ {0, 1} \right) \to \left[ {0, 1} \right) $导出,
对任意的$ x \in (0, 1) $, 定义$ d_1(x)\geq 2 $为使得下式成立的唯一的正整数
对$ n\ge 2 $, 如果$ T^{n-1}(x)\neq 0 $, 则定义$ d_n(x) = d_1(T^{n-1}(x)) $. 从而对任意的无理数$ x\in [0, 1) $, 可以得到由$ T $所诱导的如下无穷级数
我们称这一级数为$ x $的Lüroth展式, 它由Lüroth[1]1883年首次引入. 其中$ d_n(x) $称为$ x $的Lüroth展式的第$ n $个字符. 对于有理数$ x\in [0, 1) $, 其Lüroth展式只含有限项. Lüroth展式与度量数论、动力系统和分形几何的研究密切相关, 已有很多的研究成果. 例如变换$ T $相对勒贝格测度$ \lambda $是不变的和遍历的, 字符列$ \{d_n(x): n\geq 1\} $相对于$ \lambda $是独立同分布的[2]. 关于单个Lüroth展式字符的增长速度及相关维数问题的研究, 可参见文献[3]. 在文献[4]和[5]中, 研究了Lüroth展式两个相邻字符乘积的增长速度, 集合$ \{x\in(0, 1): d_n(x)d_{n+1}(x) \geq \varphi(n){无穷多次成立}\} $的勒贝格测度与Hausdorff维数得到了解决.
在本文中, 我们将研究Lüroth展式相邻字符乘积的部分和的分布. 令
首先考虑对适当的增长速度$ \varphi(n) $, $ S_n(x)/\varphi(n) $的收敛问题. 具体地, 我们有下面的结果.
定理1.1 比值$ \frac{S_n(x)}{n\log^2n} $依勒贝格测度$ \lambda $收敛到$ \frac{1}{2} $, 即对任意的$ \varepsilon >0 $,
需要指出的是, 由文献[5]知, 对勒贝格几乎处处的$ x\in(0, 1) $, $ d_n(x)d_{n+1}(x)\ge n\log^2 n $对于无穷多的$ n $成立. 从而$ S_n(x)/n\log^2n $并不是几乎处处收敛到$ 1/2 $. 另一个很自然的问题就是考虑$ S_n(x) $的相关例外集
的Hausdorff维数, 其中函数$ \psi: \mathbb{N} \to (1, \infty) $单调递增且$ \lim\limits_{n\to \infty}\psi(n) = \infty $.
定理1.2 若$ \psi :\mathbb{N} \to (1, \infty) $单调递增且满足
则有$ {\dim _H}G(\psi ) = 1. $特别地, 对任意的$ \alpha > 0 $, $ {\dim _H}\left\{ {x \in \left( {0, 1} \right):\mathop {\lim }\limits_{n \to \infty } \frac{{{S_n}\left( x \right)}}{{n{{\log }^2}n}} = \alpha } \right\} = 1. $
对任意的$ n\geq 1 $和正整数$ d_1, d_2, \ldots, d_n $(其中$ d_i \geq 2, 1\leq i\leq n $), 集合
称为一个$ n $阶柱集. $ I(d_1, d_2, \ldots, d_n) $是一个区间, 长度为$ |I(d_1, d_2, \ldots, d_n)| = \prod \limits_{i = 1}^n\frac{1}{d_i(d_i-1)} $.
下文将用到Borel-Cantelli引理的收敛部分. 设$ \left\{ {{A_n}, n \ge 1} \right\} $是一列事件, $ P $是一个概率测度. 若$ \sum \limits_{n \geq 1} P\left( {{A_n}} \right) < \infty , $则$ P\{A_n \text{无穷多次发生}\} = 0 $, 其中
命题2.1[6] 设$ E \subset \mathbb{R}^n $, 若映射$ f:E \to \mathbb{R}^m $满足$ \alpha $阶-Hölder条件, 即
则有$ \dim_H f(E) \le \frac{1}{\alpha }{\rm{di}}{{\rm{m}}_H}E. $
这一节我们先介绍三个引理, 再给出定理1.1的证明.
引理3.1 设$ \phi: \mathbb{N} \to (1, \infty ) $是一个正值函数且$ \lim\limits_{n \to \infty } \phi (n) = \infty $. 对任意的$ n \ge 1 $, 令
其中$ {d_1}(x), {d_2}(x) $分别是$ x $的Lüroth展式的第一和第二个字符. 则我们有
证 因为对任意的$ x\in (0, 1) $和$ i\geq 1 $, 都有$ {d_i}(x) \ge 2 $, 所以不妨设$ \phi \left( n \right)\geq 4 $. 因为
其中
所以$ \lambda \left( {{A_n}} \right) = \lambda \left( {{B_1}} \right) + \lambda \left( {{B_2}} \right) $. 此外,
这里记号$ \left\lceil \xi \right\rceil $表示不小于$ \xi $的最小整数. 接下来继续估计$ \lambda \left( {{B_2}} \right) $. 一方面,
另一方面,
所以
由关系式(3.1), (3.2)知该引理成立.
对任意无理数$ x\in (0, 1) $及$ i\geq 1 $, 令$ {b_i}\left( x \right) = {d_i}\left( x \right){d_{i + 1}}\left( x \right) $. 对任给$ \varepsilon > 0 $和正整数$ N \ge 1 $, 令$ \varphi \left( N \right) = \left\lfloor {{\rm{ \mathsf{ ε} }}N{\rm{lo}}{{\rm{g}}^2}N} \right\rfloor+ 1 $. 对任意$ 1 \le i \le N $, 令
其中记号$ \left\lfloor \eta \right\rfloor $表示不大于$ \eta $的最大整数. 令$ S_N^*\left( x \right) = \mathop \sum \limits_{i = 1}^N b_i^*\left( x \right) $. 下面分别给出对$ S_N^*\left( x \right) $的期望和方差的估计.
引理3.2 $ \lim \limits_{N \to \infty } \frac{\mathbb{E}\left( {S_N^*\left( x \right)} \right)}{{N{\rm{lo}}{{\rm{g}}^2}N}} = \frac{1}{2}, $其中$ \mathbb{E} $表示数学期望.
证 先计算$ S_N^*\left( x \right) $的数学期望. 因为$ \mathbb{E}\left( {S_N^*\left( x \right)} \right) = N\mathbb{E}\left( {b_1^*\left( x \right)} \right) $, 而
由引理3.1 有$ \mathbb{E}\left( {{b_1}^*\left( x \right)} \right) = \frac{1}{2}{\rm{lo}}{{\rm{g}}^2}\varphi \left( N \right)\left( {1 + o\left( 1 \right)} \right) $. 又因为$ \mathbb{E}\left( {S_N^*\left( x \right)} \right) = N\mathbb{E}\left( {b_1^*\left( x \right)} \right) $和$ \varphi \left( N \right) = \left\lfloor {\varepsilon N{{\log }^2 N}} \right\rfloor $, 所以$ \mathop {\lim }\limits_{N \to \infty } \frac{{\mathbb{E}({S_N}^*\left( x \right))}}{N{\log }^2 N} = \frac{1}{2} $. 该引理得证.
引理3.3 $ {\rm{Var}}\left( {S_N^*\left( x \right)} \right) \ll N\varphi \left( N \right){\rm{log}}\varphi \left( N \right) $, 其中$ \rm{Var}( \cdot ) $表示方差, 记号$ a \ll b $表示存在常数$ c $使得$ a < cb $.
证 我们先估计$ {S_N^*}^2\left( x \right) $的期望.
当$ i = j $时, 有
当$ \left| {i - j} \right| = 1 $时, 不妨设$ j = i + 1 $, 则有
当$ \left| {i - j} \right| \ge 2 $时, 有
由上面三种情况的估计, $ \mathbb{E}\left( {S_N^{{*^2}}\left( x \right)} \right) \ll N\varphi \left( N \right)\log \varphi \left( N \right) + N\varphi \left( N \right) + { \mathbb{E}^2}\left( {S_N^*\left( x \right)} \right). $所以$ \rm{Var}\left( {S_N^*\left( x \right)} \right) \ll N\varphi \left( N \right){\rm{log}}\varphi \left( N \right) $. 该引理得证.
定理1.1的证明 由引理3.2 和引理3.3 可知, 当$ N $充分大时, 有
由$ S_N^*(x) $定义知, 对任意的$ x \in \left( {0, 1} \right) $, 如果对所有的$ 1 \le i \le N $都有$ b_i(x) \le \varphi(N) $, 则$ {S_N}\left( x \right) = S_N^*\left( x \right) $. 因此
从而
由引理3.1 可知,
由此$ \lambda \{ x \in(0, 1):\left| \frac{S_N(x)}{N\log^2N} - \frac{1}{2} \right| > \varepsilon\} \ll \frac{1}{\varepsilon\log N}\to 0\;\left( {N \to \infty } \right). $定理得证.
本节将先介绍四个引理, 之后再给出定理1.2的证明, 其中集合
引理4.1 对任意正整数$ M \ge 3 $, 令
则
(1) $ {\dim _H}F\left( M \right) = {s_M} $, 其中$ s_M $是方程$ \mathop \sum \limits_{j = 2}^M \frac{1}{{{j^s}{{\left( {j - 1} \right)}^s}}} = 1 $的唯一解.
(2) $ \mathop {\lim }\limits_{M \to \infty } {s_M} = 1. $
证 (1) 对任意$ 2 \le j \le M $, 令
则$ F\left( M \right) $是迭代函数系$ {\left\{ {{f_{j - 1}}} \right\}_{2 \le j \le M}} $的吸引子. 从而$ F\left( M \right) $是压缩比为$ r_j = \frac{1}{{j\left( {j - 1} \right)}} $ $ \left( {2 \le j \le M} \right) $的自相似集, 所以$ {\dim _H}F\left( M \right) $是方程$ \mathop \sum \limits_{j = 2}^M \frac{1}{{{r_j}^s}} = 1 $的唯一解.
(2) 由$ {s_M} $的定义可知, $ {s_M} $关于$ M $是单调递增的. 一方面, 对任意的$ M \ge 3 $, 有$ {s_M} < 1 $. 另一方面, 对任意的$ s < 1 $, 有$ \mathop \sum \limits_{j = 2}^{ + \infty } \frac{1}{{{j^s}{{\left( {j - 1} \right)}^s}}} > \mathop \sum \limits_{j = 2}^{ + \infty } \frac{1}{{j\left( {j - 1} \right)}} = 1, $从而存在整数$ {M_0} = {M_0}\left( s \right) $, 使得$ \mathop \sum \limits_{j = 2}^{{M_0}} \frac{1}{{{j^s}{{\left( {j - 1} \right)}^s}}} \ge 1 $, 因此$ {s_{{M_0}}} \ge s $. 从而对任意$ M \ge {M_0} $, 有$ {s_M} \ge {s_{{M_0}}} \ge s $. 所以$ \mathop {\lim }\limits_{M \to \infty } {s_M} = 1 $, 即此引理得证.
取定常数$ 0 < \tau < \frac{1}{2} $, 使条件$ \mathop {\lim \sup }\limits_{n \to \infty } \frac{{\log \log \psi \left( n \right)}}{{\log n}} < \frac{1}{2} - \tau $成立. 另取$ 0 < \delta < 1 $使得不等式$ \left( {1 + \frac{1}{{1 - \delta }}} \right)\left( {\frac{1}{2} - \tau } \right) < 1 $成立. 对任意$ k \ge 1 $, 令$ {\varepsilon _k} = {k^{ - \delta }} $. 下面归纳定义自然数的子序列$ \{n_k\} $. 设$ {n_1} \ge 3 $是使得$ \log \psi \left( n \right) < {n^{\frac{1}{2} - \tau }} $对所有$ n \ge {n_1} $都成立的最小正整数. 对任意$ k \ge 2 $, 令$ {n_k} $是满足条件$ {n_k} \ge {n_{k - 1}} + 4 $和$ \psi \left( {{n_k}} \right) \ge \left( {1 + {\varepsilon _{k - 1}}} \right)\psi \left( {{n_{k - 1}}} \right) $的最小正整数.
定义
下证集合$ G\left( {\psi , M} \right) $是集合$ G\left( \psi \right) $的子集.
引理4.2 $ G\left( {\psi , M} \right) \subset G\left( \psi \right). $
证 任取$ x \in G\left( {\psi , M} \right) $. 对充分大的$ n $, 存在$ k\geq 1 $使得$ {n_k} \le n < {n_{k + 1}} $. 一方面,
由$ n_k(k\ge2) $定义, 不等式$ \psi \left( {{n_k} - 1} \right) < \left( {1 + {\varepsilon _{k - 1}}} \right)\psi \left( {{n_{k - 1}}} \right) $, $ \psi \left( {{n_k} - 4} \right) < \left( {1 + {\varepsilon _{k - 1}}} \right)\psi \left( {{n_{k - 1}}} \right) $中总有一个是成立的. 又因为$ \mathop {\lim }\limits_{n \to \infty } \frac{{\psi \left( {n + 1} \right)}}{{\psi \left( n \right)}} = 1 $, 所以
再结合(4.1), (4.2), $ \mathop {\lim }\limits_{n \to \infty } \frac{n}{{\psi \left( n \right)}} = 0 $以及
可知$ \mathop {\lim }\limits_{n \to \infty } \frac{{{S_n}\left( x \right)}}{{\psi \left( n \right)}} = 1. $即$ x \in G\left( \psi \right) $. 因此$ G\left( {\psi , M} \right) \subset G\left( \psi \right). $该引理得证.
对$ n \ge 1 $, 令$ r\left( n \right) = \sharp \left\{ {k:{n_k}\leq n} \right\}. $由集合$ G\left( {\psi , M} \right) $的定义可知, 给定$ k \ge 1 $, 对任意的$ x \in G\left( {\psi , M} \right) $, $ {d_{{n_k}}}\left( x \right) $的值都是相等的. 为了简化记号, 记$ {d_{{n_k}}}\left( x \right) $为$ {d_{{n_k}}} $.
引理4.3 数列$ \left\{ {{n_k}} \right\} $与$ \left\{ {{d_k}} \right\} $的定义如前所述. 则
证 由[7]中关系式(10)(12)可知, 如果$ \psi \left( {{n_k}} \right) \ge \left( {1 + {\varepsilon _{k - 1}}} \right)\psi \left( {{n_{k - 1}}} \right) $, 那么$ r(n) \ll {n^\frac{{\frac{1}{2} - \tau }}{{1 - \delta }}}. $从而由$ \frac{{\frac{1}{2} - \tau }}{{1 - \delta }} < 1 $可知$ \mathop {\lim }\limits_{n \to \infty } \frac{{r\left( n \right)}}{n} = 0. $此外,
所以$ \mathop {\lim }\limits_{n \to \infty } \frac{{\log \left( {{d_{{n_1}}}{d_{{n_2}}} \cdots {d_{{n_{r\left( n \right)}}}}} \right)}}{n} = 0 $. 引理得证.
令$ \Lambda = \bigcup\limits_{k \ge 1} {\left\{ {{n_k} - 1, {n_k}, {n_k} + 1} \right\}}. $定义映射$ f:G\left( {\psi , M} \right) \to F\left( M \right) $如下,
即$ f(x) $的Lüroth展式的字符依次为$ d_1(x), \cdots, $$ d_{n_1-2}(x), d_{n_1+2}(x), \cdots, $$ d_{n_2-2}(x), d_{n_2+2}(x), $ $ \cdots. $因此$ f(G(\psi , M)) = F(M) $.
引理4.4 对任意$ \varepsilon > 0 $, 映射$ f $满足$ \frac{1}{{1 + \varepsilon }} $阶-Hölder条件.
证 任取$ x, y \in G\left( {\psi , M} \right) $且距离充分小, 则存在$ n \ge 0 $, 使得当$ 1 \le i \le n $时, $ {d_i}\left( x \right) = {d_i}\left( y \right) $; 但$ {d_{n + 1}}\left( x \right) \ne {d_{n + 1}}\left( y \right) $. 从而$ n + 1 \notin \Lambda $并且$ 2 \le {d_{n + 1}}\left( x \right), \;{d_{n + 1}}\left( y \right) \le M $. 一方面, $ I\left( {{d_1}\left( x \right), \cdots , {d_n}\left( x \right), {d_{n + 1}}\left( x \right), M + 1} \right) $或$ I\left( {{d_1}\left( y \right), \cdots , {d_n}\left( y \right), {d_{n + 1}}\left( y \right), M + 1} \right) $一定落在$ x $与$ y $之间的空隙里. 从而
由[8]中引理4.1知, 存在某个常数$ c_M $使得
和
所以$ \left| {x - y} \right| \ge {c_M}\left| {I\left( {{d_1}\left( x \right), \cdots , {d_n}\left( x \right)} \right)} \right|. $由$ f $的定义知, $ f(I\left( {{d_1}\left( x \right), \ldots , {d_n}\left( x \right)} \right) $为$ n-3r(n) $阶柱集, 记作$ I\left( {{b_1}, \cdots , {b_{n - 3r\left( n \right)}}} \right) $. 从而
由引理4.3可知, 如果$ n \ge {n_0} $, 则
其中$ {n_0} $是跟$ M $和$ \varepsilon $有关的整数. 从而引理得证.
定理1.2的证明 由引理4.1知$ {\dim _H}F(M) = {s_M} $, 且$ \lim \limits_{M\to \infty} s_M = 1 $. 由引理4.2和引理4.3知,
所以$ {\dim _H}G(\psi ) \ge \frac{1}{{1 + \varepsilon }}{s_M} $. 令$ \varepsilon \to 0, M \to \infty $, 则定理结论得证.