布朗运动一个>过程
最重要的<一个href="//www.rctutku.com/science/stochastic-process" class="md-crosslink autoxref" data-show-preview="true">随机过程一个>布朗运动或吗<年代pan id="ref407454">维纳过程一个>。这是第一次讨论<年代pan id="ref407455">路易Bachelier(1900),建模感兴趣的金融市场价格的波动,以及<年代pan id="ref407456">阿尔伯特·爱因斯坦一个>(1905),给了谁<一个href="//www.rctutku.com/science/mathematical-model" class="md-crosslink autoxref" data-show-preview="true">数学模型一个>不规则的运动<年代pan id="ref407457">胶体一个>粒子由苏格兰植物学家首次发现<一个href="//www.rctutku.com/biography/Robert-Brown-Scottish-botanist" class="md-crosslink" data-show-preview="true">罗伯特•布朗一个>在1827年。第一个数学上严格的对待这个模型是由维纳(1923)。爱因斯坦的结果导致早期,大量物质的分子理论的确认法国物理学家<年代pan id="ref407458">琼佩兰一个>的实验来确定<一个href="//www.rctutku.com/science/Avogadros-law" class="md-crosslink" data-show-preview="true">阿伏伽德罗常数一个>,佩兰被授予<一个href="//www.rctutku.com/topic/Nobel-Prize" class="md-crosslink autoxref" data-show-preview="true">诺贝尔奖一个>在1926年。今天有些不同模型对物理布朗运动被认为是更多的<一个class="md-dictionary-link md-dictionary-tt-off eb" data-term="appropriate" href="//www.rctutku.com/dictionary/appropriate" data-type="EB">适当的一个>比爱因斯坦,但原始数学模型继续发挥核心作用的随机过程的理论和应用。
让B (t )表示位移(在一个<一个href="//www.rctutku.com/science/dimension-geometry" class="md-crosslink autoxref" data-show-preview="true">维一个>为简单起见)的胶体悬浮粒子,由众多的冲击更小分子介质的暂停。这个位移将获得的限制<一个href="//www.rctutku.com/science/random-walk" class="md-crosslink" data-show-preview="true">随机漫步一个>发生在离散时间步骤变得无限大的数量和每个步骤无限小的大小。假设有时k δ,k = 1,2,…,胶体粒子是流离失所的距离h Xk,在那里X 1年代ub>,X 2年代ub>,…+ 1或−1照扔一个公平的结果<一个href="//www.rctutku.com/topic/coin" class="md-crosslink autoxref" data-show-preview="true">硬币一个>是正面还是反面。按时间t 粒子了米 步骤,米 是最大的整数≤t /δ,它<一个class="md-dictionary-link md-dictionary-tt-off eb" data-term="displacement" href="//www.rctutku.com/dictionary/displacement" data-type="EB">位移一个>从原来的位置B 米(t )=h (X 1年代ub>+⋯+X 米)。的<一个href="//www.rctutku.com/topic/expected-value" class="md-crosslink autoxref" data-show-preview="true">期望值一个>的B 米(t )= 0,和它的<一个href="//www.rctutku.com/topic/variance" class="md-crosslink autoxref" data-show-preview="true">方差一个>是h 2年代up>米,或者约h 2年代up>t/δ。现在假设δ→0,在同一时间h →0这样的方差B 米(1)收敛于一些积极的<一个href="//www.rctutku.com/topic/constant" class="md-crosslink autoxref" data-show-preview="true">常数一个>,σ<年代up>2年代up>。这意味着米 变得无限大,h 大约是σ(t /米 )<年代up>1/2年代up>。它遵循的<一个href="//www.rctutku.com/science/central-limit-theorem" class="md-crosslink autoxref" data-show-preview="true">中心极限定理一个>(方程<一个href="#ref-14392">12一个>),林P {B 米(t )≤x }=G (x /σt 1/2年代up>),G (x )是标准正态<一个href="//www.rctutku.com/science/distribution-function" class="md-crosslink autoxref" data-show-preview="true">累积分布函数一个>定义下面<一个href="//www.rctutku.com/science/equation" class="md-crosslink autoxref" data-show-preview="true">方程一个>(12)。布朗运动过程B (t )可以被定义为限制在一定技术意义上的B 米(t ),δ→0h →0和h 2年代up>/δ→σ<年代up>2年代up>。
这个过程B (t )有许多其他属性,原则上都是继承了近似随机游走B 米(t )。例如,如果(年代 1年代ub>,t 1年代ub>)和(年代 2年代ub>,t 2年代ub>)不相交的间隔,增量B (t 1年代ub>)−B (年代 1年代ub>),B (t 2年代ub>)−B (年代 2年代ub>)是正态分布的独立随机变量的期望0和方差σ<年代up>2年代up>(t 1年代ub>−年代 1年代ub>)和σ<年代up>2年代up>(t 2年代ub>−年代 2年代ub>),分别。
爱因斯坦采取了不同的方法和推导过程的各种属性B (t 通过显示<一个href="//www.rctutku.com/science/density-function" class="md-crosslink autoxref" data-show-preview="true">概率密度函数一个>,g (x ,t ),满足<一个class="md-dictionary-link md-dictionary-tt-off mw" data-term="diffusion" href="https://www.merriam-webster.com/dictionary/diffusion" data-type="MW">扩散一个>方程∂g /∂t =D ∂<年代up>2年代up>g/∂x 2年代up>,在那里D =σ<年代up>2年代up>/ 2。重要的<一个class="md-dictionary-link md-dictionary-tt-off mw" data-term="implication" href="https://www.merriam-webster.com/dictionary/implication" data-type="MW">含义一个>为后续实验研究爱因斯坦的理论是,他确定了扩散常数D 的某些测量粒子的属性(半径)和介质(它的粘度和温度),它允许一个做出预测,因此确认或拒绝的假设存在看不见的分子认为是不规则的布朗运动的原因。因为美丽的混合的数学和物理推理,继任者爱因斯坦模型的简要总结如下所示。
与泊松过程不同,是不可能“画”的照片粒子的路径进行数学布朗运动。<年代pan id="ref407459">维纳一个>(1923)表明,功能B (t )<一个class="md-dictionary-link md-dictionary-tt-off eb" data-term="continuous" href="//www.rctutku.com/dictionary/continuous" data-type="EB">连续一个>作为一个希望,但无处可微。因此,粒子经历数学布朗运动并没有一个明确的速度,和曲线y =B (t )没有一个定义良好的切线的任何值t 。明白为什么会这样,记得<一个href="//www.rctutku.com/science/derivative-mathematics" class="md-crosslink autoxref" data-show-preview="true">导数一个>的B (t ),如果它存在,是极限h →0的<一个href="//www.rctutku.com/science/ratio" class="md-crosslink autoxref" data-show-preview="true">比一个>(B (t +h )−B (t )/h 。自B (t +h )−B (t )是正态分布均值为0,<一个href="//www.rctutku.com/topic/standard-deviation" class="md-crosslink autoxref" data-show-preview="true">标准偏差一个>h1/2年代up>σ,在非常粗糙B (t +h )−B (t )可以将等于(正面或负面)的倍数h 1/2年代up>。但当h →0时,h 1/2年代up>/h = 1 /h 1/2年代up>是<一个class="md-dictionary-link md-dictionary-tt-off mw" data-term="infinite" href="https://www.merriam-webster.com/dictionary/infinite" data-type="MW">无限一个>。一个相关的事实说明了极端的不规则性B (t ),在每一个区间的时候,无论多小,粒子经历数学布朗运动传播无限的距离。尽管这些属性与常识的功能,明确写下来确实是很困难的一个例子连续,nowhere-differentiable函数是典型的大型一类随机过程,调用<年代pan id="ref407460">布朗运动的扩散过程中,最突出的成员。尤其值得注意的贡献的数学理论是由布朗运动和扩散过程<一个href="//www.rctutku.com/biography/Paul-Levy" class="md-crosslink" data-show-preview="true">保罗利维一个>在1930年- 60和威廉樵夫。
更复杂的物理布朗运动的描述可以建立在一个简单的应用程序<年代pan id="ref407461">牛顿第二定律一个>:F =米 一个。让V (t )表示质量胶体粒子的速度米 。假设<年代pan class="md-formula">
的数量f 阻碍粒子的运动是由于<一个href="//www.rctutku.com/science/friction" class="md-crosslink autoxref" data-show-preview="true">摩擦一个>造成周围的介质。这个词d 一个(t )的贡献是非常频繁的碰撞的粒子与看不见的分子介质。假设f 由经典吗<一个href="//www.rctutku.com/science/fluid-mechanics" class="md-crosslink autoxref" data-show-preview="true">流体力学一个>,在周围介质中分子编造很多所以中可以被认为是光滑的和小的<一个class="md-dictionary-link md-dictionary-tt-off mw" data-term="homogeneous" href="https://www.merriam-webster.com/dictionary/homogeneous" data-type="MW">均匀一个>。然后<年代pan id="ref407462">斯托克斯定律一个>球形颗粒的气体,f = 6π一个 η,一个 是粒子的半径和η介质的粘度系数。<一个class="md-dictionary-link md-dictionary-tt-off mw" data-term="Hypotheses" href="https://www.merriam-webster.com/dictionary/Hypotheses" data-type="MW">假设一个>有关一个 (t )不太具体,因为分子周围的介质不能直接观测到。例如,假设t ≠年代 ,<一个href="//www.rctutku.com/science/infinitesimal" class="md-crosslink autoxref" data-show-preview="true">无穷小一个>随机增量d 一个(t )=一个 (t +d t)−一个 (t ),一个 (年代 +d 年代)−一个 (年代 )碰撞引起的粒子与周围介质的分子是独立随机变量分布均值为0,方差σ不明<年代up>2年代up>dt和σ<年代up>2年代up>d年代这d 一个(t )是独立的d V(年代 )年代 <t 。
的<一个href="//www.rctutku.com/science/differential-equation" class="md-crosslink autoxref" data-show-preview="true">微分方程一个>(<一个href="#ref-14388">18一个>)解决方案<年代pan class="md-formula">β=f /米 。从这个方程和假设的属性一个 (t ),它遵循E (V 2年代up>(t )→σ<年代up>2年代up>/ (2米 f),t →∞。现在,假设按照的原则<一个href="//www.rctutku.com/science/equipartition-of-energy" class="md-crosslink autoxref" data-show-preview="true">能量均分一个>稳态平均<一个href="//www.rctutku.com/science/kinetic-energy" class="md-crosslink autoxref" data-show-preview="true">动能一个>的粒子,米 lim<年代ub>t→∞年代ub>E(V 2年代up>(t )/ 2,等于平均水平<一个class="md-dictionary-link md-dictionary-tt-off eb" data-term="kinetic" href="//www.rctutku.com/dictionary/kinetic" data-type="EB">动能一个>分子的能量的媒介。根据<年代pan id="ref407463">理想气体分子运动论一个>,这是R T/ 2N ,在那里R 是<一个href="//www.rctutku.com/science/ideal-gas" class="md-crosslink autoxref" data-show-preview="true">理想气体一个>常数,T 在开尔文气体的温度,然后呢N 是<一个href="//www.rctutku.com/science/Avogadros-number" class="md-crosslink autoxref" data-show-preview="true">阿伏伽德罗常数一个>,分子的数目<一个href="//www.rctutku.com/science/mole-chemistry" class="md-crosslink autoxref" data-show-preview="true">克分子量一个>的气体。由此可见,未知的σ的价值<年代up>2年代up>可以确定:σ<年代up>2年代up>= 2R Tf/N 。
如果一个还假定函数V (t )是连续的,这当然是合理的从物理因素,它遵循数学<一个href="//www.rctutku.com/science/analysis-mathematics" class="md-crosslink autoxref" data-show-preview="true">分析一个>那一个 (t )是一个布朗运动过程如上定义。这一结论提出了质疑的意思初始方程(<一个href="#ref-14388">18一个>),因为数学布朗运动d 一个(t )不存在通常意义上的导数。一些额外的数学分析表明,随机微分方程(<一个href="#ref-14388">18一个>)及其解决方案方程(<一个href="#ref-14387">19一个>)有一个精确的数学解释。这个过程V (t )称为<年代pan id="ref407464">Ornstein-Uhlenbeck过程,在物理学家伦纳德·所罗门奥恩斯坦和之后<一个href="//www.rctutku.com/biography/George-Eugene-Uhlenbeck" class="md-crosslink" data-show-preview="true">乔治·尤金·乌伦贝克一个>。这些尝试的逻辑结果<一个class="md-dictionary-link md-dictionary-tt-off mw" data-term="differentiate" href="https://www.merriam-webster.com/dictionary/differentiate" data-type="MW">区分一个>和<一个class="md-dictionary-link md-dictionary-tt-off mw" data-term="integrate" href="https://www.merriam-webster.com/dictionary/integrate" data-type="MW">集成一个>对布朗运动过程<年代pan id="ref407465">伊藤(以日本数学家ItōKiyosi)随机<一个href="//www.rctutku.com/science/calculus-mathematics" class="md-crosslink autoxref" data-show-preview="true">微积分一个>,它扮演着一个重要的角色在现代随机过程的理论。
位移时t 粒子的速度是由方程(<一个href="#ref-14387">19一个>)是<年代pan class="md-formula">
为t 大与β相比,第一和第三项与第二个表达式相比非常小。因此,X (t )−X (0)约等于一个 (t )/f 平均平方位移,E {(X (t )−X (0))<年代up>2年代up>},大约是σ<年代up>2年代up>/f 2年代up>=R T/(3π一个 ηN )。这些最终结论符合爱因斯坦的模型,虽然他们在这里出现作为一个近似模型得到方程(<一个href="#ref-14387">19一个>)。因为它主要是观测结果的结论,基本上是没有新的实验<一个class="md-dictionary-link md-dictionary-tt-off mw" data-term="implications" href="https://www.merriam-webster.com/dictionary/implications" data-type="MW">影响一个>。然而,分析直接从牛顿第二定律,收益率过程有一个明确的速度在每一个点,似乎更令人满意的理论比爱因斯坦的原始模型。
让 这个过程 爱因斯坦采取了不同的方法和推导过程的各种属性 与泊松过程不同,是不可能“画”的照片粒子的路径进行数学布朗运动。<年代pan id="ref407459">维纳一个>(1923)表明,功能 更复杂的物理布朗运动的描述可以建立在一个简单的应用程序<年代pan id="ref407461">牛顿第二定律一个>: 的数量 的<一个href="//www.rctutku.com/science/differential-equation" class="md-crosslink autoxref" data-show-preview="true">微分方程一个>(<一个href="#ref-14388">18一个>)解决方案<年代pan class="md-formula">β= 如果一个还假定函数 位移时 为
随机过程
随机过程是一个随机变量的家庭 随机过程的数学理论试图定义类的流程可以开发一个统一的理论。最重要的类是固定流程和马尔可夫过程。一个随机过程是平稳,如果呼吁所有 一个了不起的泛化的强劲<一个href="//www.rctutku.com/science/law-of-large-numbers" class="md-crosslink autoxref" data-show-preview="true">大数定律一个>是<年代pan id="ref407467">遍历性定理一个>:如果固定的流程