原理揭秘
确定性数字流、随机模型、均方位移与正确判读
1统一规则:先转弯,再前进
三种模式都读取数字 。从原点出发,初始朝向向右;在当前朝向上转过
度,再前进固定步长
。正角顺时针,负角逆时针;下一步保留本步朝向。
例如数字 0 表示逆时针转 ,7 表示顺时针转
。连续的 7 会不断改变朝向,20 步形成星形。无理数读取内置数据(含个位),有理数读取绝对值的小数部分(不含整数与符号,有限小数末尾补零),随机模式以伪随机数模拟独立均匀数字。
2随机对照为什么仍满足平方根定律
假设数字相互独立、每个数字的概率均为 。令
表示此前全部数字信息。给定此前朝向,下一步仍有十个等角、对称的可选方向,因而:
当 时,第
步已包含在第
步的历史中,所以利用条件期望:
累计朝向不妨碍交叉项为零。这里的平方根定律是总体尺度,不意味着每条路径的距离等于理论半径,也不保证确定性数字流遵守此定律。
3总体量、样本量与参考圆
| 显示量 | 页面计算 | 严格含义 |
|---|---|---|
| 平均距离 | ||
| 样本 MSD | 对 | |
| 样本 MSD 的平方根 | 样本均方根尺度 | |
| 理论值 | 仅适用于理想模型的总体 RMS | |
| 实测 | 二阶尺度的诊断比值,不是随机性的证明 |
由均方—算术平均不等式,。虚线圆只是总体 RMS 的参考尺度,不是粒子应当聚集的边界。
固定 时,增加
并不保证“实测
理论”收敛到 1。随机路径的归一化距离仍有非退化波动;增加相互独立的粒子数或重复实验,才会使样本 MSD 更稳定。由于开平方是非线性变换,有限
下
也并非总体 RMS 的无偏估计。
4数字偏好与相关性怎样改变扩散
独立数字也可能偏爱某些转角,此时各步朝向随历史改变,不能使用“固定平均步向量”的漂移公式。令转角 (弧度);若数字独立同分布,概率为
,定义:
它来自相隔 步的方向相关性。均匀数字对应
,恢复
;不均匀数字可能产生回绕、方向持续性或其他扩散尺度,而不必沿固定方向漂移。若数字本身相关,就不能把相关项直接写成
,应回到一般交叉项展开。
5有理数为何能画出闭合花纹
有理数的小数最终循环。设循环节长 ,总转角为
(弧度),首个周期的复数净位移为
。后续周期会旋转,经过
个周期的位移是:
每步转角都是 的整数倍。若周期净转角不是整圈,总能在至多 20 个周期后恢复朝向,上式为零,路径闭合;若净转角为整圈,只有
才闭合,否则漂移。有限小数的零尾部形成正方形,有非循环前缀时保留连接线,闭合回到周期起点。
、
、
的预设分别在 20、90、59,940 步闭合并停止。有理数模式保留完整轨迹;由于这些是确定性周期路径,不显示随机模型的理论圆与比值。自定义分数分析前 10,000 位;未找到循环节时不作闭合保证,持续绘图上限为 200,000 步。
6三种序列与多个粒子怎样比较
纯随机模式把不同粒子当作独立重复实验。无理数模式的粒子依次消费全局数字流的不同片段;粒子数与每帧步数会改变片段分配。有理数模式的粒子读取相同数字流,初始朝向均匀分布,因此是同一图案的旋转副本,不能作为独立样本。
无理数、给定分数的数字都是确定的。无理性只意味着不终止且不最终循环,不推出等频、独立或正规。用相同转角规则作比较,可以探索序列结构;有限图形或 MSD 接近随机对照不能证明随机性。
7怎样使用这项实验
- 比较基本形状先设为单粒子,固定步长与观察步数。无理数模式还应固定速度,确保取数分配一致。
- 研究随机统计时增加独立随机粒子;比值在 1 附近波动,不要求随步数趋近 1。有理数旋转副本只用于展示。
- 有理数视图按全部轨迹的实际边界自动缩放;屏幕上的大小不等于原始位移大小,应结合统计数值比较。
- 改变步长或粒子数会重置。拖尾、缩放、视角不参与位移计算;有理数模式保留全部已绘轨迹。
- 内置无理数每组含 1,000,000 位(含个位),耗尽后循环;重复读取不再提供新的数字证据。
8越走越远,为什么还会回来?
二维邻域常返:在数字独立、0–9 等概率、步长固定且无限运行的理想随机模型下,对任意固定半径 ,轨迹以概率 1 无穷多次进入原点附近。
为什么当前转向规则适用?以 为单位记朝向,它的奇偶性每步交替;给定任意历史,下一朝向均匀取遍对应奇偶性的十个方向,其分布不依赖具体历史。因此步向量相互独立,奇数步与偶数步的分布交替。把相邻两步合为一组,得到独立同分布、均值为零、有限且非退化协方差的二维增量,可以应用二维零均值有限方差随机游走的邻域常返定理。偶数时刻已无穷多次接近原点,故全部时刻也如此。
扩散与常返不矛盾:平方根定律描述固定时刻许多路径的整体尺度,常返描述一条无限路径的长期访问。它不表示路径有界,也不保证在指定步数内返回。仅有 MSD 线性增长不能推出常返。
页面如何计数:仅随机模式可开启观察,固定跟踪第 1 号粒子。金色圆盘半径为 ;每步端点距离小于此半径算在内,等于或大于算在外(连线穿过圆盘而端点未进入,不计)。只在从外到内时增加返回次数;从起点出发不计一次返回。首次返回用时为首次进入步数减去首次离开步数;在外时显示当前步数减去本次离开步数。
开关只改变显示,统计自本次重置起持续记录;切换模式、改变粒子数或步长、点击重置都会清零。暂停不增加步数,缩放和平移不改变判定。多个粒子的均值不能代替第 1 号粒子的返回记录。
结论边界:这是回到任意小邻域,不是直接套用方格游走“精确回到原点”的结论。有理数闭合是确定性周期几何,无理性不保证常返。网页采用伪随机数与浮点坐标,有限模拟只能演示,不能证明无限时间的定理。
定理依据:N. H. Bingham,Random Walk and Fluctuation Theory,Part I §6(Chung–Fuchs 定理);上述两步分组是针对本页面规则的推导。