научная статья по теме ЦЕНТРАЛЬНАЯ ПРЕДЕЛЬНАЯ ТЕОРЕМА ДЛЯ СЛУЧАЙНЫХ РАЗБИЕНИЙ ОТНОСИТЕЛЬНО МЕРЫ ПЛАНШЕРЕЛЯ Математика

Текст научной статьи на тему «ЦЕНТРАЛЬНАЯ ПРЕДЕЛЬНАЯ ТЕОРЕМА ДЛЯ СЛУЧАЙНЫХ РАЗБИЕНИЙ ОТНОСИТЕЛЬНО МЕРЫ ПЛАНШЕРЕЛЯ»

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2007, том 414, № 3, с. 295-298

= МАТЕМАТИКА

УДК 519.21

ЦЕНТРАЛЬНАЯ ПРЕДЕЛЬНАЯ ТЕОРЕМА ДЛЯ СЛУЧАЙНЫХ РАЗБИЕНИЙ ОТНОСИТЕЛЬНО МЕРЫ ПЛАНШЕРЕЛЯ

© 2007 г. Л. В. Богачев, Ч. Г. Су

Представлено академиком Я.Г. Синаем 09.08.2006 г. Поступило 09.01.2007 г.

В работе получена центральная предельная теорема для ансамбля случайных разбиений с мерой Планшереля. Основной результат состоит в том, что при надлежащей нормировке локальные флуктуации диаграмм Юнга относительно их предельной формы слабо сходятся к нормальному закону. Вблизи краев спектра центральная предельная теорема продолжает действовать в переходной зоне, асимптотически примыкающей к области экстремальных порядковых статистик. Результаты работы дают ответ на вопрос Логана и Шеппа (1977) и существенно дополняют известную теорему Керова (1993) о сходимости интегральных флуктуаций к обобщенному гауссовскому процессу.

1. ВВЕДЕНИЕ

Разбиением натурального числа п называется любая последовательность целых чисел X = = {Х1, Х2, ...}, такая, что Х1 > Х2 > ... > 0 и Х1 + + Х2 + ... = п (обозначение: X Ь п). Всякое разбиение X Ь п можно представить геометрически с помощью так называемой диаграммы Юнга, составленной из п единичных квадратов (клеток) в последовательных столбцах, содержащих соответственно Х1, Х2, ... клеток.

На множестве := {X Ь п} всех разбиений данного числа п рассмотрим меру Планшереля

Рп(X) := п-, Хе

где - количество стандартных таблиц данной формы X, т.е. всевозможных размещений чисел 1, 2, ..., п в клетках диаграммы Юнга X, та-

Department of Statistics, University of Leeds, United Kingdom

Department of Mathematics, Zhejiang University, Hangzhou, PR. China

ких, что числа возрастают в каждом ряду (слева направо) и каждом столбце (снизу вверх).

Заметим, что Рп является вероятностной мерой

в силу тождества Бернсайда ^ с1 X = п! [5, 6]. Ме-

X е

ра Планшереля естественным образом связана с теорией представлений симметрической группы [6], но возникает также в ряде комбинаторных и вероятностных задач (см. [5]). Например, распределение максимального члена X1 = тах^ е X Ь п] относительно меры Рп совпадает с распределением длины максимальной возрастающей подпоследовательности в случайной (равномерно распределенной) перестановке порядка п (см. [3, 5]).

Верхнюю границу диаграммы Юнга, соответствующей разбиению X е <&п, можно рассматривать как график кусочно-постоянной (непрерывной слева) функции

X(X) :=

ГХЬ X = 0,

М,

X > 0,

(1)

где Гх! := min{m е Z: m > x} - верхняя целая часть числа х. Логан и Шепп [10] и независимо Вершик и Керов [1] обнаружили, что при n ^ ^ типичная диаграмма Юнга при надлежащей нормировке имеет предельную форму, задаваемую некоторой функцией y = ю(х). Это означает, что для подавляющего большинства разбиений X е (относительно меры Планшереля Pn) граница их нормированных диаграмм Юнга содержится в произвольно малой окрестности графика y = w(x). Более точно, рассмотрим функцию y = ю(х), х > 0, заданную при х е [0, 2] параметрическими уравнениями

2

х = -(sin0 - 0cos0), y = х + 2cos0,

я (2)

0<0<л,

и доопределенную нулем при х > 2. Тогда случайный процесс

An(х) := Х(ТПх) - 4Пю(х), х > 0, (3)

2

удовлетворяет закону больших чисел [1]

Ve> 0 limpJ-L sup |(x)|>el = 0.

n ^га [V П x > 0 J

В частности, при x = 0 отсюда следует закон больших чисел для максимального слагаемого Х1

Ve > 0 lim Pn

7-2

л/П

> e ^ = 0.

Замечание 1. В силу инвариантности меры Планшереля относительно транспонирования диаграмм Юнга X ^ X (когда столбцы диаграммы X становятся строками транспонированной диаграммы X и наоборот) такой же закон больших чисел

выполняется для XI, т.е. для числа членов в разбиении X.

2. ФЛУКТУАЦИИ ДИАГРАММ ЮНГА

Логан и Шепп [10] поставили естественный вопрос о предельном распределении величины Дп(х). Керов [9] дал частичный ответ, установив асимптотическую нормальность интегральных флуктуа-ций относительно подходящего класса пробных функций (т.е. в смысле обобщенной сходимости). Более точно, в координатах и = х - у, V = х + у граница диаграммы Юнга задается соответствующей

кусочно-линейной (непрерывной) функцией X (и), а предельная кривая принимает вид (см. [1])

Щ( u) :=

22 |u arcsinu + л/4 - u21,

Л 2 N У

\u\ < 2,

\u\ > 2.

Тогда, согласно [9], случайный процесс

Дп(и) := X(4пи) - 4пО.(и), и е К,

сходится по распределению (без дополнительной нормировки!) к обобщенному гауссовскому процессу Д(и), и е [-2, 2], задаваемому с помощью формального ряда

9) 2v Xk sin (к 9) 9 ]

Д(2cos9) = - У ---, 9e [0, п],

п

к = 2

"спектра"1 разбиения, т.е. для Xi е X Н п при -Гц ~

4п

~ х е (0, 2); с другой стороны, упо мянутый выш е результат Керова об обобщенной сходимости ставил под сомнение наличие обычной сходимости. Цель нашей работы - получить такую теорему (см. раздел 3).

Отметим, что асимптотическое поведение флуктуаций на верхней границе предельного спектра (отвечающей значению х = 0) отличается от гауссовского. Как было показано в [3] для X! и в [4, 8, 11] для любого Xk с фиксированным номером к е

lim P

\Хк -24П

1/6

< z \ = Fk (z), z e

(4)

где ^к(0 - функция распределения к-й порядковой статистики в ансамбле Эйри, открытом ранее в связи с предельным распределением старших собственных значений случайных матриц из гауссовского унитарного ансамбля (ГУА) (см. [13]). В частности, функция ^1(0 задает распределение Трейси - Уидома (Tracy-Widom).

С точки зрения предельной теоремы Керова крайние значения XX, X2, ... могли бы представлять опасность, поскольку, согласно формуле (4), флуктуации процесса Дп(х) в зоне размера 0(п- 1/2) около точки х = 0 весьма велики (порядка п1/6). На самом деле, как показывает эта теорема, край спектра не дает сколько-нибудь существенного вклада в интегральные флуктуации. Подчеркнем, однако, что ситуация внутри спектра (т.е. для 0 < < х < 2) оставалась неясной.

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Заметим, что значение параметра 0 в уравнениях (2), отвечающее координатам х и у = ю(х), имеет вид

9( x) = arccos

ю( x)-x

Напомним, что Дп(х) определено формулой (3). Следующая теорема составляет главный результат работы.

Теорема 1. Пусть хп е (0, 2), причем

где {Хк} - независимые случайные величины со стандартным нормальным распределением N(0, 1).

Однако локализованная версия центральной предельной теоремы (т.е. для флуктуаций в данной точке) до сих пор не была известна. С одной стороны, ее справедливость могла казаться естественной, по крайней мере в глубине предельного

lim пsin 9(xn) = га.

(5)

1 Мы используем термин "спектр" в неформальном смысле, имея в виду набор членов разбиения {X, е X} (ср. с книгой [2], где этот термин употребляется в широком контексте комбинаторных структур, характеризуемых своими компонентами).

п ^

п ^ га

u

п ^ га

ЦЕНТРАЛЬНАЯ ПРЕДЕЛЬНАЯ ТЕОРЕМА

297

Тогда распределение случайной величины Ли(хи) относительно меры Планшереля Pn асимптотически нормально, а именно

29 jx^Kjx,,) ^ ^(о, !) (n . (6) л/ln(n sin 9(xn))

Теорема 1 охватывает несколько частных случаев, отвечающих положению точек xn в глубине спектра либо вблизи его краев.

Следствие 1. Пусть xn ^ x е (0, 2) при n ^ тогда

29(x)Л n (xn) d

Vln n

Л( 0, 1).

Если xn — 0, nxn — го при n —^ го, то

1/3

(12 nXn) An (Xn) d

Я( 0, 1).

(7)

(8)

Jln (nX2n)

Наконец, если Xn — 2, n(2 - Xn)3 — го при n — го, то

2nAn( Xn)

N (0, 1).

(9)

В самом деле, если хп ^ х е (0, 2), то 0(хи) ^ ^ 0(х) е (0, п) и условие (5) выполняется автоматически. Далее из уравнений (2) следует, что 0(хи) ~

'3 п хл1/3

при хп ^ 0, поэтому соотношение (6)

P \ т

Xe

Xe ^

' n!

n = 0 Xe

n = 0

y p'(x) = ^y ^ y -X = y L = 1.

n! n! n!

Мы доказываем сначала пуассонизированную версию теоремы 1, которая получается при замене меры Рп на Р' и параметра п на '.

Теорема 2. Пусть х( е (0, 2), причем t$т60(хг) ^ го при t ^ го. Тогда относительно меры Р'

20(xt)At(xt) Л 1Г

^ ' У ' - Л (0, 1) (' .

/ln(tsin 9(xt))

Теорема 1 выводится из теоремы 2 с помощью депуассонизации (см., например, [3]). Согласно (10), Pt можно рассматривать как математическое ожидание случайной меры PN, где N - пуассонов-ская случайная величина с параметром t:

P(A) = E (PN(A)) = y t-Pk(A).

(11)

k=0

принимает вид (8). Аналогично при хп ^ 2 в силу

(2) имеем п - 0(хи) ~ (2 - хп)1/2 и (9) следует из (6). Замечание 2. Результаты, аналогичные

следствию 1, были получены в работе [7] для собственных значений случайных матриц из ГУА.

4. ПУАССОНИЗАЦИЯ

Доказательство теоремы 1 основано на стандартной технике пуассонизации (см., например,

[3]). Пусть ^ := ^ - множество разбиений

п = 0

всех натуральных чисел (формально содержит лишь "пустое" разбиение нуля). Для любого X е ^

положим 1X1 := У X; и определим меру Р' (' > 0)

Xi е X

следующим образом:

(10)

Формула (10) задает вероятностную меру на множестве поскольку для X е мы имеем 1X1 = п и, таким образом,

Поскольку N имеет среднее t и стандартное уклонение J~t, в силу (11) можно ожидать, что асимптотику вероятности Pn(A) при n — го можно восстановить по асимптотике P'(A) при t ~ n — го. Точнее, можно доказать, что Pn(A) ~ P'(A) при t ~ ~ n — го, если вариации вероятности Pk(A) малы в

зоне k - n = O(Jn). Для случайных разбиений такой результат был получен в [3].

5. НАБРОСОК ДОКАЗАТЕЛЬСТВА ТЕОРЕМЫ 2

В силу (2) утверждение теоремы 2 эквивалентно тому, что при любом z e IR

limP{Xe X(/tXt)JtXt] <az(t)} = Ф(z), t— го (12) где

az(t) := 2/1 cos0(Xt) + 2,J Jы(tsin60(xJ), 2 0( Xt)

а Ф() - функция распределения стандартного нормального закона N(0, 1). Пусть #Iz(t) - количество

точек случайного множества S(X) := ^ (X¡ - i)

i = 1

(X e попадающих в интервал Iz(t) = [az(t), го). Вспоминая определение (1) функции X(-) и учитывая, что последовательность {Xi - i} строго убывает, соотношение (12) можно переписать в виде

limPt{Xe Iz(t)<[JtXt]} = Ф(z). (13)

t—го

Ключевой факт состоит в том, что корреляционные функции случайного точечного процесса {Xi - i}, определяемые равенствами

pk(X1, X2, ..., Xk) := Pt{Xe X1, X2, ..., Xk e S(X)},

Xi e Z, Xi Ф X■,

n

имеют детерминантную структуру [4, 8]

p

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком