愛因斯坦、隨機遊走和Fokker-Planck方程

2021-01-10 騰訊網

布朗運動(Brownian Motion),又被稱為維納過程(Wiener Process)。

維納過程是一個連續隨機過程,基本上,我們可以視為隨機遊走(random walk)是離散版本的維納過程。

英國植物學家布朗發現懸浮在液體或氣體中的微粒所做的永不停息的無規則運動,這種「神奇」的運動被後人稱為「布朗運動」,以紀念發現該現象的科學家布朗。因為布朗不是數學家,他僅觀察到了現象,卻無法用嚴格的數學語言來描述,這一工作最終是由天才數學家維納完成的。值得一提的是,維納還是現代統計通信之父、人工智慧之父(之一)、系統控制論之父。

Robert Beown羅伯特·布朗(1773-1858)英國生物學家

Norbert Wiener諾伯特·維納(1894-1964)美國數學家(以及哲學家)

我們前面講過標準維納過程的概念,也講過Fokker-Planck方程。

如果是Wt是一個標準維納過程,那麼它的概率密度函數滿足一個最簡單的Fokker-Planck方程,即:

其中D=1/2。

這個結果,愛因斯坦也曾經推導出完全一樣的結果,但是他建模的思想頗為不同。

以上知識點這是第二次作業的內容。

我們先複習一下Fokker-Planck方程。

Fokker-Planck方程的思想其實也和愛因斯坦有關。這個方程能和愛因斯坦扯上關係。我們今天就利用愛因斯坦的當年的思想推導一下Fokker-Planck方程

Fokker於1914年開始研究布朗運動,而Planck是在1917年開始研究。數學上給出嚴格定義的是Andrey Kolmogorov(柯爾莫哥洛夫)。Kolmogorov定義的方程更為廣泛一些,他是基於馬爾可夫特性展開的推導,所以可以討論隨機過程的前向和後向問題。

眾所周知,Fokker-Planck方程是前向方程,則Feynman-Kac方程是後向方程。

說起Fokker-Planck方程,就必須說說Fokker和Planck。

Fokker的發音,我們需要明確一下,它的發音真的不是福克,而是罵人的髒話的那個f*cker的發音,只是罵人的那個單詞發的是短音,而Fokker的那個單詞的發音,你可以髮長一點。注意一下,這個人除了是個物理學家外,還是個音樂家。

Adriaan Fokker阿德裡安·福克(1887-1972)丹麥物理學家(以及音樂家)

下面說說Planck,也就是大名鼎鼎的Max Planck。我們以前(2015年)介紹過他。

Max Planck馬克斯·普朗克(1858-1947)德國物理學家、量子力學的創始人之一。網上流傳得最多的幾張Planck的照片,「一搞學術毀顏值」的經典案例。

Andrey Kolmogorov安德雷·柯爾莫哥洛夫(1903-1987)前蘇聯數學家、抽象概率論的創始人。對,他就是那個讓無數地球凡人看《概率論》專著的第一頁(比如:σ-代數的定義、群、環、半群..)就放棄的偉大的男人。

至於愛因斯坦,我們就不介紹了。

此外,除了愛因斯坦之外,另外一個物理學家郎之萬也推到出來過類似的答案(即:Fokker-Planck方程)。當然這是完全另外一個故事(涉及白噪聲....)。

為了避免讀者以為郎之萬是個中國人,我們還是介紹一下著名物理學家郎之萬。

保羅·朗之萬(PaulLangevin,1872年1月23日-1946年12月19日)

法國著名物理學家。

主要貢獻有朗之萬動力學,最著名的是他的朗之萬方程Langevin在民國時期的資料中常譯為郎之萬 ,但現今臺灣也有直接譯為「朗」的。

郎之萬法共黨員。他強烈反對納粹,因而在維希政府時期聲望大受影響,但法國光復後聲望得到恢復。1931年來過中國考察,對中國抗戰抱支持態度。

下面開始硬核的介紹了。

Fokker-Planck方程能和愛因斯坦扯上關係,下面介紹一下愛因斯坦如何得到Fokker-Planck方程。

相關焦點

  • 股票市場價格的隨機遊走
    --正文分割線---  許多年以來,經濟學者、統計學者和金融學的教授者們,對發展並測試股票價格的行為模型,顯示出濃厚的興趣。這些研究當中,一個重要的模型就是「隨機遊走理論」。此理論對許多聲稱可以描述並預測股價的理論——那些在學術圈以外大行其道的理論,表示深刻的懷疑。
  • 慣導秘籍之隨機遊走,大俠請笑納!
    慣導參數指標中亦有這樣的神功——隨機遊走,萬望各位大俠看客的學以致用。陀螺角隨機遊走(Angular Random Walk,ARW),是指由白噪聲產生的隨時間累積的陀螺儀輸出的誤差係數,單位為(°)/h1/2。表徵陀螺儀角速度輸出白噪聲大小的一項技術指標,它反映的是陀螺儀輸出的角速度積分(角度)隨時間積累的不確定性(角度隨機誤差)。
  • Python學習第129課——醉漢隨機遊走代碼改進
    上節我們在Python中用代碼實現了醉漢隨機遊走的邏輯和過程,這節我們把上節的代碼改進一下。現在我們的小例子代碼是非常少的,實際開發中,有些項目代碼量會非常大,為了代碼在執行時有更快的速度,那麼就需要對代碼進行改進優化。
  • Python學習第128課——在Python中實現醉漢隨機遊走
    這節我們在2D平面內實現隨機遊走。我們先把原理搞清楚,用代碼實現這個原理。原理分析:我們想像在2D平面內有一個x軸和y軸組成的坐標系,有一個人他是個醉漢,他以(0,0)為原點,隨機遊走,以x和y表示遊走後的坐標值,剛開始x=0,y=0。
  • 強關聯糾纏體系的量子隨機遊走研究獲進展
    中國科學技術大學潘建偉、朱曉波和彭承志等組成的超導量子實驗團隊,聯合中國科學院物理研究所範桁等理論小組,開創性地將超導量子比特應用到量子隨機行走的研究中。該工作將對未來多體物理現象的模擬以及利用量子隨機行走進行通用量子計算研究產生重要影響。這一研究成果於5月2日在線發表在國際學術期刊《科學》上。
  • 在股市混要懂有效市場與隨機遊走理論
    經濟專家和金融專家們對於投機性市場(比如股票市場)或買賣穀物之類的商品(期貨)市場的價格進行了長期研究。他們的發現引發來極大的爭議,甚至惹惱了許多金融分析家。儘管如此,這一領域中的理論還是比大量的事實所驗證。
  • 數學家解決了一個數學中著名的長期未解決的隨機遊走問題
    在數學世界中,隨機遊走實際上比這還要更隨機與任意,這就如通過擲硬幣來決定每一漫步的方向。隨機遊走(英語:Random Walk,縮寫為 RW),是一種數學統計模型,它是一連串的軌跡所組成,其中每一次都是隨機的。它能用來表示不規則的變動形式,如同一個人酒後亂步所形成的隨機過程記錄。1905年,由卡爾·皮爾遜首次提出。隨機遊走理論的思想和原理已在許多學科領域中運用。
  • Python學習第130課——蒙特卡洛模擬隨機遊走
    之前我們用代碼實現了醉漢隨機遊走的過程。現在我們用蒙特卡洛模擬計算一下,醉漢在不同的條件下打車回家的概率。我們先定義幾個參數。how_many_steps,表示醉漢走多少步數算完成一次隨機遊走。foot_limit,表示醉漢超過出發的原點多少米就不走了,要打車回家。
  • 數學方程顯示有序如何陷入混沌
    聖路易斯華盛頓大學的一組工程研究人員提出了一種方程式,能夠用於描述發生在各種各樣現象中的一個普遍過程,從納米粒子散射和細菌遷移到氣體擴散。該研究主導者Rajan Chakrabarty表示,他們展現了一個研究隨機性的新起點。用方程式可以看到混亂的預兆,這樣人們也許就有能力進行幹預並扭轉趨勢。隨機運動的經典例子是微小粒子的行為,比如懸浮在水中的花粉粒。
  • 物理學家揭開數學中的虛幻模式,隨機遊走?
    在一項新的研究中,兩位物理學家利用物理學中的隨機遊動(隨機漫步)概念來研究這些積分。通常來說,解決這類積分通常需要付出大量的計算和獨創性,但物理學家證明,新的方法可以很直觀地找到解,有時甚至不需要用到顯式計算。在近一期的《物理評論快報》上,物理學家Satya N. Majumdar和Emmanuel Trizac發表了一篇描述如何利用隨機遊動來求解積分的論文。
  • 愛因斯坦引力方程的推導——從簡單的論證中得到愛因斯坦方程
    ——保羅·狄拉克偉大的蘇聯物理學家列夫·蘭道和葉夫根尼·李夫希茨在他們的書《場的經典理論》中寫道:建立在相對論基礎上的引力場理論被稱為廣義相對論。它是由愛因斯坦建立的,代表了現存所有物理理論中最美麗的理論。
  • 愛因斯坦的「黑洞方程」的證明
    愛因斯坦解釋說,我們並不是居住在一個絕對的幾何空間和時間中,實際上,我們棲息在一個被命名為「時空」的四維現實裡,它隨著物質能量的變化而發生著波動。 愛因斯坦將他的神奇創見展示在幾個構成他廣義相對論理論核心的方程中,即愛因斯坦場方程。自二十世紀以來,這個理論已被多個實驗所證實。
  • 隨機過程筆記(續篇)
    態空間的分布函數,又可稱作場。由此,場的物理學可以徐徐入場。 之前說的馬爾科夫過程的關鍵-聯繫此刻與下一刻的條件概率,在這裡以躍遷矩陣A表示。剛才講到牛頓力學和馬爾科夫過程有著內在的聯繫,Master equation就是隨機過程裡的牛頓第二定律。
  • 愛因斯坦的引力場方程如何理解?
    愛因斯坦場方程就是引力場方程,是用來計算時空曲率與能量動量的對應關係。愛因斯坦的引力場方程Rμv是代表曲率的裡奇張量,它是由四階的黎曼張量壓縮得到的一個二階張量。它本身只是一個矢量,相當於一個一階張量,這是沒法與曲率張量形成對應關係的,前面說了,愛因斯坦通過插值把它弄成二階張量了。在一開始,廣義相對論除了有引力場方程,其實還有一個運動方程。所以有一句總結相對論的話:物質告訴時空怎樣彎曲,時空告訴物質怎樣運動。
  • 牛頓和愛因斯坦為什麼提出了方程,卻沒有發現「黑洞」
    而牛頓和愛因斯坦都曾有機會發現黑洞,但是卻最終遺憾錯過。1687年出版的《自然哲學的數學原理》一書提出了萬有引力定律,任何物體之間都有相互吸引力,這個力的大小與各個物體的質量成正比例,而與它們之間的距離的平方成反比。如果用m1、m2表示兩個物體的質量,r表示它們間的距離,則物體間相互吸引力為F=(Gm1m2)/r,G稱為萬有引力常數也可簡稱為引力常數。
  • 量子力學的隨機性被推翻了?
    諸如「耶魯大學實驗推翻量子力學隨機性」「愛因斯坦又蒙對了」等等標題黨紛紛出現,仿佛戰無不勝的量子力學一夜之間陰溝翻船一樣,很多文青紛紛哀嘆宿命論又回來了。然而,事實真的如此?還是報導偏差歪曲了論文本意?
  • 量子力學描述的「隨機」是宇宙中唯一真正的「隨機」嗎?
    1927年,在薛丁格發展了他的非相對論波動方程一年之後,海森堡發展了矩陣力學。薛丁格受到啟發,根據德布羅意博士論文中的物質波理論發展了波動方程。  在某些條件下,不確定性是一個可能的事件。然而,量子力學應該以自然界的離散性為基礎。  真正的隨機性還是更高的定律有可能支配量子力學?
  • 科普:廣義相對論中愛因斯坦場方程的導出
    廣義相對論是愛因斯坦最偉大的成就,當然也是近代大尺度物理學/宇宙學最偉大的成就。而愛因斯坦場方程則是廣義相對論的最凝練的核心數學表達式,愛因斯坦場方程對很對人來說是非常神聖和神秘的。今天,我們準備寫一篇簡單的科普文章介紹一下愛因斯坦場方程是如何推導出來的。
  • 謠言:量子力學隨機性被推翻了
    諸如「耶魯大學實驗推翻量子力學隨機性」「愛因斯坦又蒙對了」等等標題黨紛紛出現,仿佛戰無不勝的量子力學一夜之間陰溝翻船一樣,很多文青紛紛哀嘆宿命論又回來了。然而,事實真的如此?還是報導偏差歪曲了論文本意?
  • 謠言:量子力學隨機性被推翻了
    根據數理雙修的大師馮諾依曼的總結,量子力學有兩個基本的過程,一個是按照薛丁格方程確定性地演化,另一個是因為測量導致的量子疊加態隨機塌縮。薛丁格方程是量子力學核心方程,它是確定性的,跟隨機性無關。那麼量子力學的隨機性只來自於後者,也就是來自於測量。