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随机序列

随机变量组成的数列
随机序列(random sequence),也称随机数列,全称随机变量序列,是由随机变量组成的数列。它在概率论统计学中都十分重要。
中文名
随机序列
外文名
random sequence
领    域
概率论;统计学
别    名
随机数列
全    称
随机变量序列

简介

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随机数列的概念在概率钻榆迁凳请朵炒谜论和统计学中都十分重要。整个概念主要构建在由随机变量组成的数拔旬驼列的基础之上,因此每每提及到随机数列,人们常常会这样开场她墓巴:“设
为随机变量……”但是也如同美国数学家得瑞克·亨利·雷莫在195钻循1年时说的那样:举照重渗“随机数列是一个很模糊的概念……它每一项都是无法预测中的无法预测,但是这些数字却能够通过传统的统计学上的考验。”
概率公理有意绕过了对随机数列的定义。传统的统计学理论并没有直接阐明某个数列是否随机,而是直接跳过这部分,在假设某种随机性存在的前提之下讨论随机变量的性质。比如布尔巴基学派就认为,‘假设一个随机数列’这句话是对术盛再舟语的滥用。

历史发展

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法国数学家埃米尔·博雷尔是1909年第一批给出随机性的正式定义的数学家之一。在1919年,受大数定理的启发,奥地利数学家理查德·冯·米泽斯给出了第一个算法随机性的定义。但是,他使用了“集合”这个词,而不是“随机数列”。利用赌博系统的不可能性,冯·米泽斯定义道:若由0和1构成的无穷数列具有“频率稳定性的特点”,也就是说,0的频率趋进于1/2,且该数列的每个“以适当方式选取的”子数列也都没有偏差,那么我们说,这个数列是“随机的”。
冯·米泽斯的这个方法中,“适当选取子数列”的标准非常重要,因为虽然说“01010101……”本身没有偏差(0出现的概率为1/2),但是若我们只选奇数位置上的数字,得到的子数列便成了完全不随机的“000000……”。冯·米泽斯未曾就这个问题正式给出一个选取规则上的解释。1940年,美国数学家阿隆佐·邱奇将这个规则定义为“任何已经读取该无穷数列的前N项,并决定是否读取其第N+1项的递归函数。”邱其是可计算函数方面的先驱,他给出的这个定义的可计算性基于邱奇-图灵猜想。这个定义经常被称作“米泽斯-邱其随机性”(英文:Mises-Church randomness) [1]

定义

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随机序列的产生为了形容随机变量形成的序列。
一般的,如果用
(表示
下标于
)代表随机变量,这些随机变量如果按照顺序出现,就形成了随机序列,记做
(表示n上标于x)。这种随机序列具备两种关键的特点:其一,序列中的每个变量都是随机的;其二,序列本身就是随机的。

举例说明

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为了说明什么是随机序列,这里来举两个例子。
假设持续扔一个骰子,会得到一系列随机数,即1到6的整数,将连续掷骰子作为一个事件,那么这个事件应该包括扔第一次骰子得到的点数,扔第二次得到的点数,直到扔第
次得到的点数。把每次扔的的点数按顺序分别记做
。这里每个X的取值可能为
。那么我们可以写出随机序列:
更实际的,可以用高速路收费站来说明。假设一个收费站有10个出口。那么,把收费站出口出去的车数记做随机变量
,这里
就是集合
,集合中每个元素的取值为
。那么如果按照时间顺序观察,不难得出一个随机序列,这个序列表示出口出去车数的一个变化情况,是一个序列,记做:

处理随机数列的方式

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现如今,有三个处理随机序列的方式 [2]
1.频率-测量理论法
这个方法建立在前文的米泽斯和邱其的方法的基础之上。 在1960年代,佩尔·马丁-洛夫注意到,人们能够写下基于频率生成随机数列的代码,而这些代码的集合是一种特殊的零测度集。在此基础之上,通过利用所有的零测度集,人们能够得到一个更加放之四海而皆准的随机序列定义。
2.复杂度-可压缩度法
柯尔莫哥洛夫本人对这个方法贡献巨大,其次还有列文和阿根廷裔美国数学家格里高列·蔡廷等也作出了一定的贡献。对于有限项的随机数列,柯尔莫哥洛夫将它的随机性定义为“”,也就是后来的柯氏复杂性。这个定义下,一个包含了0与1组成的、长度为
的字符串(或者数列,二者并无本质上的区别),其“熵”的大小为这个数列的最短描述的长度和
的接近程度。字符串的复杂度越接近于
,它也会越随机;而字符串的复杂性越低于
,它也就越不随机。
3.可预测性法
这个方法由德国数学家克劳斯·施诺提出。他用了一个和传统概率论稍有不同的的定义。他证明了“若人们拥有一个下注策略,可以从多种可能中选择出最优的方案,那么人们也可以用类似的策略选出一个有偏差的子集。”如果人们只需要一个递归性的鞅(而不是构造的方式)便能够成功选出数列的话,那么人们就该使用递归随机性的概念中。美国数学家Yongge Wang则证明出,递归随机性和施诺的随机性并不是同一个概念。
这三个方式在大多数情况下被证实是等价的。
需要注意的是,按照以上任意一个关于无限数列的随机性定义,由于都是着眼于随机性趋势,因此对数据开头部分的随机性不敏感。如果在随机数列的第一项前插入哪怕一百万个0,得出的仍然会是随机数列。因此,应用这几个定义时应该小心谨慎。