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Natural density

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2917: 2689: 3361: 2694: 2466: 1581: 1236: 1307: 843: 701: 2461: 1973: 1372: 1055: 93:. Nevertheless if one goes through the natural numbers, the squares become increasingly scarce. The notion of natural density makes this intuition precise for many, but not all, subsets of the naturals (see 3140: 81:, since every perfect square is already positive, and many other positive integers exist besides. However, the set of positive integers is not in fact larger than the set of perfect squares: both sets are 954: 3254: 2981: 1161: 1450: 2028: 1765: 469: 344: 2151: 2088: 2317: 1445: 2266: 2198: 1696: 747: 605: 3071: 372: 2912:{\displaystyle {\underline {d}}(A)=\lim _{m\to \infty }{\frac {1+2^{2}+\cdots +2^{2m}}{2^{2m+2}-1}}=\lim _{m\to \infty }{\frac {2^{2m+2}-1}{3(2^{2m+2}-1)}}={\frac {1}{3}}.} 2463:
of numbers whose binary expansion contains an odd number of digits is an example of a set which does not have an asymptotic density, since the upper density of this set is
1166: 2684:{\displaystyle {\overline {d}}(A)=\lim _{m\to \infty }{\frac {1+2^{2}+\cdots +2^{2m}}{2^{2m+1}-1}}=\lim _{m\to \infty }{\frac {2^{2m+2}-1}{3(2^{2m+1}-1)}}={\frac {2}{3}},} 1722: 1649: 1100: 117: 1240: 772: 523: 3182: 1851: 1816: 630: 2365: 2346: 1414: 983: 896: 401: 3387: 3617: 3202: 1078: 867: 767: 625: 563: 543: 295: 3013: 1856: 1312: 991: 3076: 3224: 3553: 3445: 3593: 1105: 3657: 2359:
has non-zero density. Marc Deléglise showed in 1998 that the density of the set of abundant numbers is between 0.2474 and 0.2480.
3370: 3356:{\displaystyle \mathbf {\delta } (A)=\lim _{x\rightarrow \infty }{\frac {1}{\log x}}\sum _{n\in A,n\leq x}{\frac {1}{n}}\ .} 901: 2938: 2925:
begins with the digit 1 similarly has no natural density: the lower density is 1/9 and the upper density is 5/9. (See
147: 3687: 3437: 1980: 1727: 406: 300: 2101: 3212: 2044: 2933: 2279: 1419: 2232: 3540:, Cambridge Tracts in Mathematics, vol. 118, Cambridge University Press, Cambridge, Theorem 0.2, p. 5, 1626: 2156: 1673: 3730: 3725: 3482: 3220: 194: 63: 716: 3240:
Other density functions on subsets of the natural numbers may be defined analogously. For example, the
2349: 574: 3018: 1576:{\displaystyle d^{*}(A)=\limsup _{N-M\rightarrow \infty }{\frac {|A\cap \{M,M+1,\ldots ,N\}|}{N-M+1}}.} 349: 2211: 94: 3487: 3429: 2226: 131: 1701: 1632: 1083: 100: 3709: 474: 3145: 1821: 1774: 2322: 122:
If an integer is randomly selected from the interval , then the probability that it belongs to
3589: 3549: 3500: 3441: 3382: 2922: 1383: 51: 3691: 3644: 3626: 3599: 3541: 3535: 3516: 3492: 3451: 2926: 74: 3640: 3563: 3512: 142:. This notion can be understood as a kind of probability of choosing a number from the set 3695: 3648: 3636: 3603: 3585: 3559: 3520: 3508: 3455: 2356: 959: 872: 377: 146:. Indeed, the asymptotic density (as well as some other types of densities) is studied in 3664: 3187: 1063: 852: 846: 752: 704: 610: 548: 528: 280: 171: 55: 3373:
states that the natural density, when it exists, is equal to the logarithmic density.
2986: 1231:{\displaystyle {\underline {d}}(A)=\liminf _{n\rightarrow \infty }{\frac {n}{a_{n}}},} 3719: 1060:
These definitions may equivalently be expressed in the following way. Given a subset
78: 31: 3631: 1302:{\displaystyle {\overline {d}}(A)=\limsup _{n\rightarrow \infty }{\frac {n}{a_{n}}}} 838:{\displaystyle {\underline {d}}(A)=\liminf _{n\rightarrow \infty }{\frac {a(n)}{n}}} 3496: 2207: 696:{\displaystyle {\overline {d}}(A)=\limsup _{n\rightarrow \infty }{\frac {a(n)}{n}}} 82: 17: 3612: 2456:{\displaystyle A=\bigcup _{n=0}^{\infty }\left\{2^{2n},\ldots ,2^{2n+1}-1\right\}} 3470: 59: 138:
tends to infinity, then this limit is referred to as the asymptotic density of
3705: 1592: 3545: 3504: 90: 86: 130:
in to the total number of elements in . If this probability tends to some
1968:{\displaystyle \max\{d(A),d(B)\}\leq d(A\cup B)\leq \min\{d(A)+d(B),1\}.} 3366:
Upper and lower logarithmic densities are defined analogously as well.
62:
of encountering members of the desired subset when combing through the
1102:, write it as an increasing sequence indexed by the natural numbers: 97:, which is similar to natural density but defined for all subsets of 47: 1367:{\displaystyle d(A)=\lim _{n\rightarrow \infty }{\frac {n}{a_{n}}}} 1050:{\displaystyle d(A)=\lim _{n\rightarrow \infty }{\frac {a(n)}{n}}} 3704:
This article incorporates material from Asymptotic density on
3135:{\displaystyle A_{x}:=\{n\in \mathbb {N} :\alpha _{n}<x\}.} 3436:. Cambridge Tracts in Mathematics. Vol. 90. Cambridge: 3686:. Cambridge Studies in Advanced Mathematics. Vol. 46. 3684:
Introduction to analytic and probabilistic number theory
189:
More explicitly, if one defines for any natural number
2284: 2237: 2176: 988:
This definition can be restated in the following way:
949:{\displaystyle {\underline {d}}(A)={\overline {d}}(A)} 3369:
For the set of multiples of an integer sequence, the
3257: 3190: 3148: 3079: 3021: 2989: 2941: 2697: 2469: 2368: 2325: 2282: 2235: 2159: 2104: 2098:) = 0.5. Similarly, for any arithmetical progression 2047: 1983: 1859: 1824: 1777: 1730: 1704: 1676: 1635: 1453: 1422: 1386: 1315: 1243: 1169: 1108: 1086: 1066: 994: 962: 904: 875: 855: 775: 755: 719: 633: 613: 577: 551: 531: 477: 409: 380: 352: 303: 283: 103: 2976:{\displaystyle \{\alpha _{n}\}_{n\in \mathbb {N} }} 3355: 3196: 3176: 3134: 3065: 3007: 2975: 2911: 2683: 2455: 2340: 2311: 2260: 2192: 2145: 2082: 2022: 1967: 1845: 1810: 1759: 1716: 1690: 1643: 1575: 1439: 1408: 1366: 1301: 1230: 1155: 1094: 1072: 1049: 977: 948: 890: 861: 837: 761: 741: 695: 619: 599: 557: 537: 517: 463: 395: 366: 338: 289: 111: 3710:Creative Commons Attribution/Share-Alike License 3584:. Graduate Texts in Mathematics. Vol. 195. 3276: 2811: 2721: 2583: 2493: 1920: 1860: 1477: 1332: 1267: 1193: 1156:{\displaystyle A=\{a_{1}<a_{2}<\ldots \}.} 1011: 799: 657: 73:Intuitively, it is thought that there are more 3618:Bulletin of the American Mathematical Society 3471:"Bounds for the density of abundant integers" 2023:{\displaystyle A=\{n^{2}:n\in \mathbb {N} \}} 1760:{\displaystyle d(\mathbb {N} \setminus F)=1.} 464:{\displaystyle A(n)=\{1,2,\ldots ,n\}\cap A,} 339:{\displaystyle \mathbb {N} =\{1,2,\ldots \}.} 253:It follows from the definition that if a set 8: 3126: 3093: 3036: 3022: 2956: 2942: 2146:{\displaystyle A=\{an+b:n\in \mathbb {N} \}} 2140: 2111: 2077: 2054: 2017: 1990: 1959: 1923: 1893: 1863: 1542: 1512: 1147: 1115: 449: 425: 330: 312: 3388:Erdős conjecture on arithmetic progressions 1377:A somewhat weaker notion of density is the 2083:{\displaystyle A=\{2n:n\in \mathbb {N} \}} 297:be a subset of the set of natural numbers 126:is the ratio of the number of elements of 3630: 3486: 3337: 3313: 3291: 3279: 3258: 3256: 3189: 3159: 3147: 3114: 3103: 3102: 3084: 3078: 3039: 3029: 3020: 2988: 2967: 2966: 2959: 2949: 2940: 2896: 2866: 2833: 2826: 2814: 2783: 2768: 2749: 2736: 2724: 2698: 2696: 2668: 2638: 2605: 2598: 2586: 2555: 2540: 2521: 2508: 2496: 2470: 2468: 2427: 2405: 2390: 2379: 2367: 2324: 2283: 2281: 2246: 2236: 2234: 2175: 2158: 2136: 2135: 2103: 2073: 2072: 2046: 2013: 2012: 1997: 1982: 1858: 1823: 1776: 1738: 1737: 1729: 1703: 1684: 1683: 1675: 1637: 1636: 1634: 1545: 1501: 1498: 1480: 1458: 1452: 1430: 1429: 1421: 1391: 1385: 1356: 1347: 1335: 1314: 1291: 1282: 1270: 1244: 1242: 1217: 1208: 1196: 1170: 1168: 1135: 1122: 1107: 1088: 1087: 1085: 1065: 1026: 1014: 993: 961: 927: 905: 903: 874: 854: 814: 802: 776: 774: 754: 720: 718: 672: 660: 634: 632: 612: 578: 576: 550: 530: 510: 493: 476: 408: 379: 360: 359: 351: 305: 304: 302: 282: 162:of positive integers has natural density 105: 104: 102: 46:, is one method to measure how "large" a 3405: 3403: 3211:is a set of positive upper density then 2312:{\displaystyle {\tfrac {1}{\zeta (n)}},} 1440:{\displaystyle A\subseteq \mathbb {N} .} 3399: 3248:is defined as the limit (if it exists) 2261:{\displaystyle {\tfrac {6}{\pi ^{2}}}.} 1742: 3613:"The asymptotic density of sequences" 2193:{\displaystyle d(A)={\tfrac {1}{a}}.} 2090:is the set of all even numbers, then 1691:{\displaystyle F\subset \mathbb {N} } 769:(also called the "lower density") by 627:(also called the "upper density") by 7: 2272:-power-free numbers for any natural 3582:Elementary Methods in Number Theory 742:{\displaystyle {\underline {d}}(A)} 3286: 3219:contains arbitrarily large finite 2821: 2731: 2593: 2503: 2391: 1711: 1493: 1342: 1277: 1203: 1021: 809: 667: 600:{\displaystyle {\overline {d}}(A)} 273:Upper and lower asymptotic density 25: 3066:{\displaystyle \{A_{x}\}_{x\in }} 367:{\displaystyle n\in \mathbb {N} } 166:if the proportion of elements of 3227:states that some two members of 2030:is the set of all squares, then 3632:10.1090/s0002-9904-1951-09543-9 2268:More generally, the set of all 985:is equal to this common value. 3708:, which is licensed under the 3497:10.1080/10586458.1998.10504363 3283: 3269: 3263: 3165: 3152: 3058: 3046: 3002: 2990: 2887: 2859: 2818: 2728: 2714: 2708: 2659: 2631: 2590: 2500: 2486: 2480: 2335: 2329: 2299: 2293: 2169: 2163: 1950: 1944: 1935: 1929: 1914: 1902: 1890: 1884: 1875: 1869: 1840: 1828: 1802: 1796: 1787: 1781: 1748: 1734: 1698:is finite (including the case 1546: 1502: 1490: 1470: 1464: 1403: 1397: 1339: 1325: 1319: 1274: 1260: 1254: 1200: 1186: 1180: 1038: 1032: 1018: 1004: 998: 972: 966: 943: 937: 921: 915: 885: 879: 826: 820: 806: 792: 786: 736: 730: 684: 678: 664: 650: 644: 594: 588: 511: 507: 501: 494: 487: 481: 419: 413: 390: 384: 215:, then the natural density of 1: 3658:"Probabilistic number theory" 3580:Nathanson, Melvyn B. (2000). 3015:and define a monotone family 2691:whereas its lower density is 525:be the number of elements of 207:as the number of elements of 58:is. It relies chiefly on the 2475: 1717:{\displaystyle F=\emptyset } 1644:{\displaystyle \mathbb {N} } 1249: 1095:{\displaystyle \mathbb {N} } 932: 639: 583: 112:{\displaystyle \mathbb {N} } 89:and can therefore be put in 3418:Nathanson (2000) pp.256–257 3225:Furstenberg–Sárközy theorem 518:{\displaystyle a(n)=|A(n)|} 148:probabilistic number theory 3747: 3688:Cambridge University Press 3682:Tenenbaum, Gérald (1995). 3438:Cambridge University Press 3231:differ by a square number. 3177:{\displaystyle d(A_{x})=x} 1846:{\displaystyle d(A\cup B)} 1811:{\displaystyle d(A),d(B),} 3534:Hall, Richard R. (1996), 2921:The set of numbers whose 2341:{\displaystyle \zeta (n)} 91:one-to-one correspondence 3546:10.1017/CBO9780511566011 3475:Experimental Mathematics 3469:Deléglise, Marc (1998). 2934:equidistributed sequence 1409:{\displaystyle d^{*}(A)} 712:lower asymptotic density 570:upper asymptotic density 27:Concept in number theory 3656:Steuding, Jörn (2002). 3371:Davenport–Erdős theorem 3236:Other density functions 3221:arithmetic progressions 1586:Properties and examples 869:has asymptotic density 403:to be the intersection 3409:Tenenbaum (1995) p.261 3357: 3198: 3178: 3136: 3067: 3009: 2977: 2913: 2685: 2457: 2395: 2342: 2313: 2262: 2194: 2147: 2084: 2024: 1969: 1847: 1812: 1761: 1718: 1692: 1645: 1617:) exists for some set 1598:of positive integers, 1577: 1441: 1410: 1368: 1303: 1232: 1157: 1096: 1074: 1057:if this limit exists. 1051: 979: 950: 892: 863: 839: 763: 743: 710:Similarly, define the 697: 621: 601: 559: 545:less than or equal to 539: 519: 465: 397: 368: 340: 291: 211:less than or equal to 113: 38:, also referred to as 3358: 3199: 3179: 3142:Then, by definition, 3137: 3068: 3010: 2978: 2914: 2686: 2458: 2375: 2350:Riemann zeta function 2343: 2314: 2263: 2195: 2148: 2085: 2025: 1970: 1848: 1813: 1762: 1719: 1693: 1646: 1578: 1442: 1411: 1374:if the limit exists. 1369: 1304: 1233: 1158: 1097: 1075: 1052: 980: 951: 893: 864: 845:where lim inf is the 840: 764: 744: 703:where lim sup is the 698: 622: 602: 560: 540: 520: 466: 398: 369: 341: 292: 114: 3670:on December 22, 2011 3611:Niven, Ivan (1951). 3255: 3188: 3146: 3077: 3019: 2987: 2939: 2695: 2467: 2366: 2323: 2280: 2233: 2227:square-free integers 2212:prime number theorem 2157: 2102: 2045: 1981: 1857: 1822: 1775: 1728: 1702: 1674: 1633: 1451: 1420: 1384: 1379:upper Banach density 1313: 1241: 1167: 1106: 1084: 1064: 992: 978:{\displaystyle d(A)} 960: 902: 891:{\displaystyle d(A)} 873: 853: 773: 753: 717: 631: 611: 575: 549: 529: 475: 407: 396:{\displaystyle A(n)} 378: 350: 301: 281: 257:has natural density 101: 95:Schnirelmann density 3242:logarithmic density 3213:Szemerédi's theorem 1447:This is defined as 223:exactly means that 186:tends to infinity. 18:Logarithmic density 3428:Hall, Richard R.; 3353: 3336: 3290: 3194: 3174: 3132: 3063: 3005: 2973: 2909: 2825: 2735: 2706: 2681: 2597: 2507: 2453: 2338: 2309: 2304: 2258: 2253: 2190: 2185: 2143: 2080: 2020: 1965: 1843: 1808: 1757: 1714: 1688: 1641: 1573: 1497: 1437: 1406: 1364: 1346: 1299: 1281: 1228: 1207: 1178: 1153: 1092: 1070: 1047: 1025: 975: 946: 913: 888: 859: 835: 813: 784: 759: 739: 728: 693: 671: 617: 597: 555: 535: 515: 461: 393: 364: 336: 287: 109: 44:arithmetic density 40:asymptotic density 3555:978-0-521-40424-2 3537:Sets of multiples 3447:978-0-521-34056-4 3430:Tenenbaum, Gérald 3383:Dirichlet density 3349: 3345: 3309: 3307: 3275: 3197:{\displaystyle x} 2923:decimal expansion 2904: 2891: 2810: 2805: 2720: 2699: 2676: 2663: 2582: 2577: 2492: 2478: 2303: 2252: 2184: 1568: 1476: 1362: 1331: 1297: 1266: 1252: 1223: 1192: 1171: 1073:{\displaystyle A} 1045: 1010: 935: 906: 862:{\displaystyle A} 833: 798: 777: 762:{\displaystyle A} 721: 691: 656: 642: 620:{\displaystyle A} 586: 558:{\displaystyle n} 538:{\displaystyle A} 290:{\displaystyle A} 75:positive integers 16:(Redirected from 3738: 3699: 3678: 3676: 3675: 3669: 3663:. Archived from 3662: 3652: 3634: 3607: 3567: 3566: 3531: 3525: 3524: 3490: 3466: 3460: 3459: 3425: 3419: 3416: 3410: 3407: 3362: 3360: 3359: 3354: 3347: 3346: 3338: 3335: 3308: 3306: 3292: 3289: 3262: 3203: 3201: 3200: 3195: 3183: 3181: 3180: 3175: 3164: 3163: 3141: 3139: 3138: 3133: 3119: 3118: 3106: 3089: 3088: 3072: 3070: 3069: 3064: 3062: 3061: 3034: 3033: 3014: 3012: 3011: 3008:{\displaystyle } 3006: 2982: 2980: 2979: 2974: 2972: 2971: 2970: 2954: 2953: 2918: 2916: 2915: 2910: 2905: 2897: 2892: 2890: 2880: 2879: 2854: 2847: 2846: 2827: 2824: 2806: 2804: 2797: 2796: 2777: 2776: 2775: 2754: 2753: 2737: 2734: 2707: 2690: 2688: 2687: 2682: 2677: 2669: 2664: 2662: 2652: 2651: 2626: 2619: 2618: 2599: 2596: 2578: 2576: 2569: 2568: 2549: 2548: 2547: 2526: 2525: 2509: 2506: 2479: 2471: 2462: 2460: 2459: 2454: 2452: 2448: 2441: 2440: 2413: 2412: 2394: 2389: 2357:abundant numbers 2347: 2345: 2344: 2339: 2318: 2316: 2315: 2310: 2305: 2302: 2285: 2267: 2265: 2264: 2259: 2254: 2251: 2250: 2238: 2210:we get from the 2199: 2197: 2196: 2191: 2186: 2177: 2152: 2150: 2149: 2144: 2139: 2089: 2087: 2086: 2081: 2076: 2029: 2027: 2026: 2021: 2016: 2002: 2001: 1974: 1972: 1971: 1966: 1852: 1850: 1849: 1844: 1817: 1815: 1814: 1809: 1766: 1764: 1763: 1758: 1741: 1723: 1721: 1720: 1715: 1697: 1695: 1694: 1689: 1687: 1650: 1648: 1647: 1642: 1640: 1629:with respect to 1582: 1580: 1579: 1574: 1569: 1567: 1550: 1549: 1505: 1499: 1496: 1463: 1462: 1446: 1444: 1443: 1438: 1433: 1415: 1413: 1412: 1407: 1396: 1395: 1373: 1371: 1370: 1365: 1363: 1361: 1360: 1348: 1345: 1308: 1306: 1305: 1300: 1298: 1296: 1295: 1283: 1280: 1253: 1245: 1237: 1235: 1234: 1229: 1224: 1222: 1221: 1209: 1206: 1179: 1162: 1160: 1159: 1154: 1140: 1139: 1127: 1126: 1101: 1099: 1098: 1093: 1091: 1079: 1077: 1076: 1071: 1056: 1054: 1053: 1048: 1046: 1041: 1027: 1024: 984: 982: 981: 976: 956:, in which case 955: 953: 952: 947: 936: 928: 914: 897: 895: 894: 889: 868: 866: 865: 860: 844: 842: 841: 836: 834: 829: 815: 812: 785: 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128:A 124:A 106:N 68:n 20:)

Index

Logarithmic density
number theory
subset
set
natural numbers
probability
interval
positive integers
perfect squares
infinite
countable
one-to-one correspondence
Schnirelmann density
limit
probabilistic number theory
natural numbers
function
limit superior
limit inferior
finite set
complement set
primes
prime number theorem
square-free integers
Riemann zeta function
abundant numbers
decimal expansion
Benford's law
equidistributed sequence
Szemerédi's theorem

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