챔퍼나운 상수란 무엇인가?

C₁₀ = 0.1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12…
0.12345678910111213141516… 초월수(말러, 1937). 10진법에서 정상수(챔퍼나운, 1933).

소수점 아래에 모든 양의 정수를 차례대로 써 보자. 0.1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15… 이렇게 얻어지는 수가 챔퍼나운 상수다. 이 수의 10진 전개에는 모든 유한한 숫자열이 어딘가에 등장하며, 길이 k인 모든 숫자 블록은 정확히 1/10ᵏ의 빈도로 나타난다.

숫자를 하나씩 이어 붙여 챔퍼나운 상수를 만드는 과정
88.517710%661771771487777776767670123456789

처음 1000자리에서는 1이 1-9, 10-19 등의 영향으로 가장 많이 나타난다. 하지만 n이 커질수록 분포는 정상수의 모습으로 정규화된다.

D. G. 챔퍼나운은 1933년 케임브리지 학부생 시절, 10진법에서 정상수의 첫 명시적 예를 만들기 위해 이 수를 구성했다. 정상수란 길이 k인 모든 숫자 블록이 빈도 1/10ᵏ로 나타나는 수다. 챔퍼나운은 자신의 상수가 정상수임을 증명했는데, π나 e 같은 자연스럽게 등장하는 상수들에 대해서는 아직도 이런 증명을 하지 못하고 있다.

챔퍼나운 상수의 숫자 빈도(처음 100자리)
71410%81411101010101010100123456789

처음 100자리에서는 숫자 1이 14번 나타난다. 더 많은 자릿수를 포함하면 이런 불균형은 사라진다.

쿠르트 말러는 1937년에 C₁₀이 초월수임을 증명했다. 0.1234567891011… 은 원하는 정밀도까지 아주 쉽게 계산할 수 있는 드문 상수이면서, 동시에 그 소수 전개 어딘가에는 모든 가능한 유한한 텍스트, 모든 수, 지금까지 기록된 모든 정보가 들어 있다고 볼 수 있다.

두 자리 수열의 빈도 ≈ 각각 1% (정상성이 드러나기 시작함)
0.521.041%1.030.970.991.010.981.020.9910.971.0400112233445566778899

챔퍼나운 상수의 처음 10,000자리에서 선택한 두 자리 조합들의 빈도. 각 조합은 대략 1% 정도로 나타난다. 완전한 정상성은 훨씬 더 큰 규모에서 드러난다.

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