Sierpinski Carpetの自己相似構造

$C$に関しては,

\[
C= \sigma_1(\{3,4,5\}^\mathbb{N} \cup \{5,6,7\}^\mathbb{N}) \cup \sigma_2(\{3,4,5\}^\mathbb{N} \cup \{5,6,7\}^\mathbb{N}) \cup \sigma_3(\{7,8,1\}^\mathbb{N} \cup \{5,6,7\}^\mathbb{N}) \cup \sigma_4(\{1,2,3\}^\mathbb{N} \cup \{5,6,7\}^\mathbb{N}) \cup \sigma_5(\{7,8,1\}^\mathbb{N} \cup \{1,2,3\}^\mathbb{N}) \cup \sigma_6(\{3,4,5\}^\mathbb{N} \cup \{7,8,1\}^\mathbb{N}) \cup \sigma_7(\{3,4,5\}^\mathbb{N} \cup \{1,2,3\}^\mathbb{N}) \cup \sigma_8(\{1,2,3\}^\mathbb{N} \cup \{5,6,7\}^\mathbb{N})
\]

\[
\mathcal{P} = \bigcup_{n=1}^{infty} \sigma^n(C_L)  =\{3,4,5\}^\mathbb{N} \cup \{5,6,7\}^\mathbb{N} \cup \{7,8,1\}^\mathbb{N} \cup \{1,2,3\}^\mathbb{N}
\] の各項に対応して眺めると
\[
V_0 = (\{1\} \times [0,1] ) \cup ([0,1] \times \{1\} )\cup ([0,1] \times \{0\} ) \cup  (\{1\} \times [0,1] )
\] がわかる。

$\forall x\in C_K$, $S=\{1,2,\ldots,8\}$に対して
ある$\{i,j\}\in \{ \{1,2\},\{2,3\},\{3,4\},\{4,5\},\{5,6\},\{6,7\},\{7,8\} ,\{8,1\} \}$
により
\[
\{x\in S \mid x \in K_k\}=\{i,j\}
\] これを利用すると,
結果として
\[\pi^{-1}(x) \subset (\sigma_i (\pi^{-1} (F_i^{-1}(x)) )) \cup (\sigma_j (\pi^{-1} (F_j^{-1}(x)) ))  \] がわかって, $y= (F_i^{-1}(x))$とおいて$\pi^{-1}(x)$を計算すると, $\# \pi^{-1}(x) =\# \pi^{-1}(F_i^{-1}(x)) \leq 2$. 同様に$\# \pi^{-1}(F_j^{-1}(x)) \leq 2$.

このことから結局
\[
\# \pi^{-1}(x) \leq 4
\]

  • 参考:
    講義ノートpdfファイル (2.4MB)(2014年2月23日更新:2.3節の内容を一部修正)
    応用解析学特論I(京都大学大学院情報学研究科 2013年度集中講義)フラクタル上の解析学入門

 

局所中心極限定理

 

\[
\varphi(\theta)
:= \frac{1}{d}\sum_{k=1}^d \cos \theta_k,
\qquad \theta = (\theta_1,\dots,\theta_d)\in \mathbb{R}^d.
\]

一次微分(勾配)
各成分について
\[
\partial_{\theta_j}\varphi(\theta)
= \partial_{\theta_j}\left(\frac{1}{d}\sum_{k=1}^d \cos\theta_k\right)
= -\frac{1}{d}\sin\theta_j.
\]

したがって勾配の二乗ノルムは
\[
|\nabla \varphi(\theta)|^2
= \sum_{j=1}^d \left(-\frac{1}{d}\sin\theta_j\right)^2
= \frac{1}{d^2}\sum_{j=1}^d \sin^2\theta_j.
\]

二次微分とラプラシアン
\[
\partial_{\theta_j}^2 \varphi(\theta)
= \partial_{\theta_j}\left(-\frac{1}{d}\sin\theta_j\right)
= -\frac{1}{d}\cos\theta_j.
\]

よってラプラシアンは
\[
\Delta \varphi(\theta)
= \sum_{j=1}^d \partial_{\theta_j}^2 \varphi(\theta)
= -\frac{1}{d}\sum_{j=1}^d \cos\theta_j
= -\varphi(\theta).
\]

合成関数の公式
\[
\Delta(f^n)
= n(n-1)f^{\,n-2}|\nabla f|^2
+ n f^{\,n-1}\Delta f
\] を \(f=\varphi\) に適用すると
\[
\Delta \varphi^n(\theta)
= n(n-1)\varphi^{n-2}(\theta)\,
\frac{1}{d^2}\sum_{j=1}^d \sin^2\theta_j
+ n\varphi^{n-1}(\theta)\,(-\varphi(\theta)).
\]

整理して
\[
\boxed{
\Delta \varphi^n(\theta)
= n(n-1)\varphi^{n-2}(\theta)
\left(\frac{1}{d^2}\sum_{j=1}^d \sin^2\theta_j\right)
– n\varphi^n(\theta)
}
\]

$d$ 次元変数 $\theta \in \mathbb{R}^d$ に対して、

\[
G_n(\theta) = \exp\left(- \frac{n}{2d} |\theta|^2 \right), \quad |\theta|^2 = \sum_{j=1}^d \theta_j^2
\]

を考える。

任意の滑らかな関数 $f:\mathbb{R}^d \to \mathbb{R}$ に対して、

\[
\Delta e^f = (\lvert \nabla f \rvert^2 + \Delta f) e^f
\]

が成り立つ。ここで

\[
\nabla f = \left( \frac{\partial f}{\partial \theta_1}, \dots, \frac{\partial f}{\partial \theta_d} \right), \quad
\Delta f = \sum_{j=1}^d \frac{\partial^2 f}{\partial \theta_j^2}.
\]

$f(\theta) = – \frac{n}{2d} |\theta|^2$ とすると、

\[
\frac{\partial f}{\partial \theta_j} = – \frac{n}{d} \theta_j \quad \Rightarrow \quad
|\nabla f|^2 = \sum_{j=1}^d \left( -\frac{n}{d} \theta_j \right)^2 = \frac{n^2}{d^2} |\theta|^2,
\]

\[
\frac{\partial^2 f}{\partial \theta_j^2} = – \frac{n}{d} \quad \Rightarrow \quad
\Delta f = \sum_{j=1}^d \frac{\partial^2 f}{\partial \theta_j^2} = -n.
\]

上記の式を用いると、

\[
\Delta G_n(\theta) = (\lvert \nabla f \rvert^2 + \Delta f) e^f
= \left( \frac{n^2}{d^2} |\theta|^2 – n \right) \exp\left(- \frac{n}{2d} |\theta|^2 \right)
= \left( \frac{n^2}{d^2} |\theta|^2 – n \right) G_n(\theta).
\]

\[
\text{スケーリング: } \theta = \frac{\alpha}{n}
\]

${\Delta \varphi}_n$ の展開:
\[
\varphi\Big(\frac{\alpha}{n}\Big) = 1 – \frac{|\alpha|^2}{2dn} + O(n^{-2})
\] \[
\varphi^{\,n-2}\Big(\frac{\alpha}{n}\Big) \approx e^{-|\alpha|^2 / 2d}
\] \[
\sum_{j=1}^d \sin^2\Big(\frac{\alpha_j}{n}\Big) = \sum_{j=1}^d \left(\frac{\alpha_j^2}{n^2} + O(n^{-4})\right) = \frac{|\alpha|^2}{n} + O(n^{-2})
\]

 

\begin{align}
\phi\!\left(\frac{\alpha}{n}\right)
&= 1 – \frac{|\alpha|^2}{2d n} + O(n^{-2}), \\
\phi^n\!\left(\frac{\alpha}{n}\right)
&= \left( 1 – \frac{|\alpha|^2}{2d n} + O(n^{-2}) \right)^n
\approx e^{- \frac{|\alpha|^2}{2d}} \left( 1 + O(n^{-1}) \right).
\end{align}

これらを $\Delta {\varphi}_n$ に代入すると:
\[
\Delta \varphi_n\Big(\frac{\alpha}{n}\Big)
\approx n(n-1) \cdot e^{-|\alpha|^2 / 2d} \cdot \frac{d}{2} \cdot \frac{|\alpha|^2}{n} – n \, e^{-|\alpha|^2 / 2d}
\] \[
= \left(n \frac{d}{2} |\alpha|^2 – n\right) e^{-|\alpha|^2 / 2d} + O(1)
\]

${\Delta G}_n$ の展開:
\[
\Delta G_n\Big(\frac{\alpha}{n}\Big) = \left(\frac{d}{2} n^2 \frac{|\alpha|^2}{n} – n\right) e^{-|\alpha|^2 / 2d} = \left(n \frac{d}{2} |\alpha|^2 – n\right) e^{-|\alpha|^2 / 2d}
\]

差のオーダーは:
\[
\Delta \varphi_n\Big(\frac{\alpha}{n}\Big) – \Delta G_n\Big(\frac{\alpha}{n}\Big) = O(1)
\] である。
主要な  $O(n) $項はキャンセルされ、残るのは $O(1) $項のみである。

結果、

\[
\begin{aligned}
|x|^2E(n,x)
&=  (2\pi)^{-d}
\int_{[-\pi,\pi]^d}
e^{-i x \cdot \theta} \,
\Biggl[
-\Delta_\theta
\Bigl( \varphi_n(\theta) – G_n(\theta) \Bigr)
\Biggr] \, d\theta \\
&\quad \overset{\theta = \alpha / \sqrt{n}}{=}
(2\pi)^{-d}
\int_{[-\pi \sqrt{n}, \pi \sqrt{n}]^d}
e^{-i x \cdot (\alpha / \sqrt{n})} \,
\Biggl[
-\Delta_\alpha
\Bigl( \varphi_n(\alpha / \sqrt{n}) – G_n(\alpha / \sqrt{n}) \Bigr)
\Biggr] \, n^{-d/2} \, d\alpha
= O(n^{-d/2})
\end{aligned}
\]

参考:

Intersections of Random Walks (Modern Birkhäuser Classics) (English Edition)