פונקציית סימן השאלה של מינקובסקי

קובץ:Minkowski question mark.svg

פונקציית סימן השאלה של מינקובסקי הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle ?(x)}

פונקציית סימן השאלה של מינקובסקי היא פונקציה ממשית בעלת מספר תכונות מעניינות ולא־שגרתיות, ומהווה גורם עניין בתחומים כמו אנליזה מתמטית, תורת המידה ותורת הפרקטלים. את הפונקציה מסמנים על ידי $?(x)$; השם והסימון הנ"ל ניתנו לפונקציה בגלל התכונות הלא־שגרתיות והלא־מובנות שלה.

הפונקציה הוגדרה על ידי הרמן מינקובסקי בשנת 1904; היא נחקרה על ידי מספר מתמטיקאים, בהם ארנו דנז'ווא, שהראה בשנת 1938 כיצד מעבירה הפונקציה מספרים ריבועיים אל מספרים רציונליים.

הגדרה

הפונקציה מוגדרת בנפרד על המספרים הרציונליים ועל המספרים האי־רציונליים.

עבור מספר רציונלי נתון, מביטים בפיתוח שלו לשבר משולב סופי $[a_{0};a_{1},\ldots ,a_{n}]$, ומגדירים

הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle ?(x)=a_0+2\sum_{k=1}^n\frac{(-1)^{k-1}}{2^{a_1+\cdots+a_k}}}

עבור מספר אי־רציונלי, מביטים בפיתוח שלו לשבר משולב אינסופי הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle [a_0;a_1,\ldots]} , ומגדירים

הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle ?(x)=a_0+2\sum_{k=1}^\infty\frac{(-1)^{i-1}}{2^{a_1+\cdots+a_k}}}

הפונקציה אכן מוגדרת לכל מספר אי־רציונלי, כפי שניתן להוכיח בעזרת מבחן לייבניץ.

הסבר אינטואיטיבי

מאחורי ההגדרה לעיל ישנו הסבר אינטואיטיבי, אשר בליבתו מסתתרת המרה בין דרכי תצוגה של מספרים ממשיים (בדומה לפונקציית קנטור, הממירה בין בסיסים).

בהינתן מספר כלשהוא בין 0 ל־1, ניתן להסתכל על הייצוג הבינארי האינסופי שלו, המתפרש לסדרה של אפסים ואחדות. על אותה סדרה ניתן גם להסתכל בתור השבר המשולב הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle [a_0;a_1,\ldots,a_n,\ldots]} , כאשר המספרים הטבעיים הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle a_i} הם מספר האפסים והאחדות הרצופים על־פי הסדר.

לדוגמה: נביט בסדרה הבינארית הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle 00100100100100100\ldots} . הייצוג הבינארי שלה הוא המספר הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \tfrac27} ; הייצוג שלה לפי שבר משולב הוא הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle [0;2,1,2,1,2,1,\ldots]} , השווה ל־הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \tfrac{\sqrt3-1}{2}} .

אם כן, פונקציית סימן השאלה מתאימה בין מספר המיוצג באופן של שבר משולב למספר הבינארי בעל אותו הייצוג. בפרט, על־פי הדוגמה מתקיים $?\left({\tfrac {{\sqrt {3}}-1}{2}}\right)={\tfrac {2}{7}}$.

תכונות

עבור שני שברים מצומצמים הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \frac{p}{q},\frac{r}{s}} כך ש־הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle |ps-rq|=1} מתקיים:

הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle ?\left(\frac{p+r}{q+s}\right)=\frac12\left(?\bigg(\frac{p}{q}\bigg)+?\bigg(\frac{r}{s}\bigg)\right)}

בעזרת נוסחה זו ניתן לחשב את פונקציית סימן השאלה עבור כל מספר רציונלי.

פונקציית סימן השאלה היא פונקציה אי־זוגית, רציפה ועולה חזק, אך איננה רציפה בהחלט. היא גם פונקציה סינגולרית.

הפונקציה ממפה מספרים רציונליים אל מספרים די-אדיים רציונליים (כלומר מהצורה המצומצמת הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \frac{x}{2^y}} ), ומספרים ריבועיים (שורשים של משוואות ריבועיות) אי־רציונליים אל מספרים רציונליים לא די-אדיים בהכרח; מעבר לכך, היא מתאימה באופן מלא בין מספרים ריבועיים למספרים רציונליים. עבור הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle x} אי־רציונלי, הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle ?(x)} הוא או אלגברי מדרגה גדולה מ־2, או טרנסצנדנטי.

מתקיים הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle ?(x+1)=?(x)+1} ועל כן הפונקציה הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle ?(x)-x} הנה מחזורית בעלת מחזור 1.

שגיאה ביצירת תמונה ממוזערת:

הפונקציה ההופכית – פונקציית הקופסה של קונוויי

היות שהפונקציה עולה חזק, הרי שהיא חד-חד-ערכית, ועל כן הפיכה. ההופכית שלה היא פונקציית הקופסה של קונוויי, שהתגלתה באופן בלתי תלוי על ידי ג'ון הורטון קונוויי. הסימון המקובל עבורה הוא קופסה סביב הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle x} , והיא שווה ל־הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle ?^{-1}(x)} .

ניתן לחשב את הפונקציה על ידי מציאת הפיתוח הבינארי של המספר ${\frac {\{x\}}{2}}={\frac {x-\lfloor x\rfloor }{2}}$, ולאחר מכן לבצע את ההתאמה כמתואר לעיל ולקבל את השבר המשולב הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle [a_0;a_1,\ldots]} , כאשר הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle a_0=\lfloor x\rfloor} .

ראו גם

• פונקציה סינגולרית
• פונקציית הקופסה של קונוויי

לקריאה נוספת

• Arnaud Denjoy, On the real function of Minkowski.
• LINAS VEPŠTAS, On the Minkowski Measure
• R. SALEM, On some singular monotonic functions what are strictly increasing

הערך באדיבות ויקיפדיה העברית, קרדיט,
רשימת התורמים
רישיון cc-by-sa 3.0