模擬 もぎ 的 てき 大 だい 顆粒 かりゅう 塵埃 じんあい 粒子 りゅうし 碰撞到更 さら 小 しょう 的 てき 粒子 りゅうし ,而其以不同 ふどう 的 てき 速度 そくど 在 ざい 不同 ふどう 方向 ほうこう 移動 いどう 的 てき 布 ぬの 朗 ろう 運動 うんどう 。
粒子 りゅうし 的 てき 立體 りったい 空間 くうかん 進行 しんこう 布 ぬの 朗 ろう 運動 うんどう 的 てき 示 しめせ 意圖 いと 。
布 ぬの 朗 ろう 运动 (英語 えいご :Brownian motion )是 ぜ 微小 びしょう 粒子 りゅうし 或 ある 者 もの 颗粒在 ざい 流体 りゅうたい 中 ちゅう 做的无规则运动。布 ぬの 朗 ろう 运动过程是 ぜ 一 いち 种正 せい 态分布 ぶんぷ 的 てき 独立 どくりつ 增量 ぞうりょう 连续随 ずい 机 つくえ 过程 。它是随 ずい 机 つくえ 分析 ぶんせき 中 ちゅう 基本 きほん 概念 がいねん 之 の 一 いち 。其基本性 ほんしょう 质为:布 ぬの 朗 ろう 运动W(t)是 ぜ 期 き 望 もち 为0、方 かた 差 さ 为t(时间)的 てき 正 せい 态随机 つくえ 变量。对于任意 にんい 的 てき r小 しょう 于等于s,W(t)-W(s)独立 どくりつ 于的W(r),且是期 き 望 もち 为0、方 かた 差 さ 为t-s的 てき 正 せい 态随机 つくえ 变量。可 か 以证明 あかり 布 ぬの 朗 ろう 运动是 ぜ 马尔可 か 夫 おっと 过程 、鞅过程 ほど 和 わ 伊藤 いとう 过程 。
它是在 ざい 西元 にしもと 1827年 ねん [1] 英國 えいこく 植物 しょくぶつ 學 がく 家 か 罗伯特 とく ·布 ぬの 朗 ろう 利用 りよう 一般 いっぱん 的 てき 顯微鏡 けんびきょう 觀察 かんさつ 懸 かか 浮於水中 すいちゅう 由 ゆかり 花粉 かふん 所 ところ 迸 ほとばし 裂 きれ 出 で 之 の 微粒 びりゅう 時 じ ,發現 はつげん 微粒 びりゅう 會 かい 呈 てい 現 げん 不規則 ふきそく 狀 じょう 的 てき 運動 うんどう ,因 いん 而稱它布朗 ろう 運動 うんどう 。布 ぬの 朗 ろう 運動 うんどう 也能測量 そくりょう 原子 げんし 的 てき 大小 だいしょう ,因 いん 為 ため 就是由 ゆかり 水 みず 中 なか 的 てき 水分 すいぶん 子 こ 對 たい 微粒 びりゅう 的 てき 碰撞產 さん 生 せい 的 てき ,而不規則 きそく 的 てき 碰撞越 こし 明 あきら 顯 あきら ,就是原子 げんし 愈 いよいよ 小 しょう ,因 いん 此根據 こんきょ 布 ぬの 朗 ろう 運動 うんどう ,定義 ていぎ 原子 げんし 的 てき 直徑 ちょっけい 為 ため 10-8 厘 りん 米 まい 。
定義 ていぎ [ 编辑 ]
自 じ 1860年 ねん 以來 いらい ,許多 きょた 科學 かがく 家 か 都 と 在 ざい 研究 けんきゅう 此種現象 げんしょう ,後來 こうらい 發現 はつげん 布 ぬの 朗 ろう 運動 うんどう 有 ゆう 下 か 列 れつ 的 てき 主要 しゅよう 特性 とくせい :[2]
粒子 りゅうし 的 てき 運動 うんどう 由 よし 平 ひら 移 うつり 及轉移 てんい 所 ところ 構成 こうせい ,顯 あらわ 得 どく 非常 ひじょう 沒 ぼつ 規則 きそく 而且其軌跡 あと 幾 いく 乎是處處 しょしょ 沒 ぼつ 有 ゆう 切線 せっせん 。
粒子 りゅうし 之 の 移動 いどう 顯然 けんぜん 互不相關 そうかん ,甚至於當粒子 りゅうし 互相接近 せっきん 至 いたり 比 ひ 其直徑 ちょっけい 小 しょう 的 てき 距離 きょり 時 じ 也是如此。
粒子 りゅうし 越 えつ 小 しょう 或 ある 液體 えきたい 粘性 ねんせい 越 こし 低 てい 或 ある 溫度 おんど 越 えつ 高 だか 時 じ ,粒子 りゅうし 的 てき 運動 うんどう 越 えつ 活 かつ 潑。
粒子 りゅうし 的 てき 成分 せいぶん 及密度 みつど 對 たい 其運動 うんどう 沒 ぼつ 有 ゆう 影響 えいきょう 。
粒子 りゅうし 的 てき 運動 うんどう 永 なが 不 ふ 停止 ていし 。
愛 あい 因 いん 斯坦的 てき 理論 りろん [ 编辑 ]
在 ざい 1905年 ねん ,爱因斯坦 提出 ていしゅつ 了 りょう 相 しょう 关理论。他 た 的 てき 理論 りろん 有 ゆう 兩個 りゃんこ 部分 ぶぶん :第 だい 一部分定義布朗粒子擴散方程式,其中的 てき 擴散 かくさん 係數 けいすう 與 あずか 布 ぬの 朗 ろう 粒子 りゅうし 平均 へいきん 平方 へいほう 位 い 移 うつり 相關 そうかん ,而第二部分連結擴散係數與可測量的物理量。以此方式 ほうしき ,愛 あい 因 いん 斯坦的 てき 理論 りろん 可 か 決定 けってい 原子 げんし 的 てき 大小 だいしょう ,一 いち 莫耳 有 ゆう 多少 たしょう 原子 げんし ,或 ある 氣體 きたい 的 てき 克 かつ 分子 ぶんし 量 りょう 。根據 こんきょ 阿 おもね 伏 ふく 伽 とぎ 德 とく 罗定律 ていりつ ,所有 しょゆう 理想 りそう 氣體 きたい 在 ざい 標準 ひょうじゅん 溫度 おんど 和 わ 壓力 あつりょく 下 か 體積 たいせき 為 ため 22.414升 しょう ,其中包含 ほうがん 的 てき 原子 げんし 的 てき 數 すう 目 もく 被 ひ 稱 しょう 為 ため 「阿 おもね 伏 ふく 伽 とぎ 德 とく 罗常数 すう 」。由 よし 氣體 きたい 的 てき 莫耳質量 しつりょう 除 じょ 以阿伏 ふく 伽 とぎ 德 とく 罗常数等 すうとう 同 どう 原子 げんし 量 りょう 。
爱因斯坦论证的 てき 第 だい 一 いち 部分 ぶぶん 是 ぜ ,确定布 ぬの 朗 ろう 粒子 りゅうし 在 ざい 一定的时间内运动的距离。[3] [來 らい 源 みなもと 請求 せいきゅう ] 经典力学 りきがく 无法确定这个距离,因 いん 为布朗 ろう 粒子 りゅうし 将 しょう 会 かい 受到大量 たいりょう 的 てき 撞击,每秒 まいびょう 大 だい 约发生 せい 1014 次 じ 撞击。[4] 因 いん 此,爱因斯坦将之 まさゆき 简化,即 そく 讨论一个布朗粒子团的运动[來 らい 源 みなもと 請求 せいきゅう ] 。
他 た 把 わ 粒子 りゅうし 在 ざい 一个的空间中,把 わ 布 ぬの 朗 ろう 粒子 りゅうし 在 ざい 一维方向上的运动增量 (x) 视作一个随机值(
Δ でるた
{\displaystyle \Delta }
或 ある 者 もの x, 并对其坐标进行 ぎょう 变换,让原点 てん 成 なり 为粒子 りゅうし 运动的 てき 初 はつ 始 はじめ 位置 いち )并给出 で 概 がい 率 りつ 密度 みつど 函数 かんすう
φ ふぁい
(
Δ でるた
)
{\displaystyle \varphi (\Delta )}
。另外,他 た 假 かり 设粒子 りゅうし 的 てき 数量 すうりょう 有限 ゆうげん ,并扩大 だい 了 りょう 密度 みつど (单位体 たい 积内粒子 りゅうし 数量 すうりょう ),展 てん 开成泰 たい 勒级数 すう 。
ρ ろー
(
x
,
t
)
+
τ たう
∂
ρ ろー
(
x
)
∂
t
+
⋯
=
ρ ろー
(
x
,
t
+
τ たう
)
=
∫
−
∞
+
∞
ρ ろー
(
x
+
Δ でるた
,
t
)
⋅
φ ふぁい
(
Δ でるた
)
d
Δ でるた
=
ρ ろー
(
x
,
t
)
⋅
∫
−
∞
+
∞
φ ふぁい
(
Δ でるた
)
d
Δ でるた
+
∂
ρ ろー
∂
x
⋅
∫
−
∞
+
∞
Δ でるた
⋅
φ ふぁい
(
Δ でるた
)
d
Δ でるた
+
∂
2
ρ ろー
∂
x
2
⋅
∫
−
∞
+
∞
Δ でるた
2
2
⋅
φ ふぁい
(
Δ でるた
)
d
Δ でるた
+
⋯
=
ρ ろー
(
x
,
t
)
⋅
1
+
0
+
∂
2
ρ ろー
∂
x
2
⋅
∫
−
∞
+
∞
Δ でるた
2
2
⋅
φ ふぁい
(
Δ でるた
)
d
Δ でるた
+
⋯
{\displaystyle {\begin{aligned}\rho (x,t)+\tau {\frac {\partial \rho (x)}{\partial t}}+\cdots =\rho (x,t+\tau )={}&\int _{-\infty }^{+\infty }\rho (x+\Delta ,t)\cdot \varphi (\Delta )\,\mathrm {d} \Delta \\={}&\rho (x,t)\cdot \int _{-\infty }^{+\infty }\varphi (\Delta )\,d\Delta +{\frac {\partial \rho }{\partial x}}\cdot \int _{-\infty }^{+\infty }\Delta \cdot \varphi (\Delta )\,\mathrm {d} \Delta \\&{}+{\frac {\partial ^{2}\rho }{\partial x^{2}}}\cdot \int _{-\infty }^{+\infty }{\frac {\Delta ^{2}}{2}}\cdot \varphi (\Delta )\,\mathrm {d} \Delta +\cdots \\={}&\rho (x,t)\cdot 1+0+{\frac {\partial ^{2}\rho }{\partial x^{2}}}\cdot \int _{-\infty }^{+\infty }{\frac {\Delta ^{2}}{2}}\cdot \varphi (\Delta )\,\mathrm {d} \Delta +\cdots \end{aligned}}}
第 だい 一行中的第二个等式是被
φ ふぁい
{\displaystyle \varphi }
这个函数 かんすう 定 てい 义的。第 だい 一项中的积分等于一个由概率定义函数,第 だい 二项和其他偶数项(即 そく 第 だい 一项和其他奇数项)由 ゆかり 于空间对称 しょう 性 せい 而消失 しょうしつ 。化 か 简可以得到 いた 以下 いか 关系关系:
∂
ρ ろー
∂
t
=
∂
2
ρ ろー
∂
x
2
⋅
∫
−
∞
+
∞
Δ でるた
2
2
τ たう
⋅
φ ふぁい
(
Δ でるた
)
d
Δ でるた
+
(更 さら 高 だか 阶 的 てき 项 )
{\displaystyle {\frac {\partial \rho }{\partial t}}={\frac {\partial ^{2}\rho }{\partial x^{2}}}\cdot \int _{-\infty }^{+\infty }{\frac {\Delta ^{2}}{2\,\tau }}\cdot \varphi (\Delta )\,\mathrm {d} \Delta +{\text{(更 さら 高 だか 阶 的 てき 项 )}}}
拉 ひしげ 普 ひろし 拉 ひしげ 斯算子 こ 之 の 前 まえ 的 てき 系 けい 数 すう ,是 ぜ 下 か 一刻的随机位移量
Δ でるた
{\displaystyle \Delta }
,让 D 为质量 りょう 扩散系 けい 数 すう :
D
=
∫
−
∞
+
∞
Δ でるた
2
2
τ たう
⋅
φ ふぁい
(
Δ でるた
)
d
Δ でるた
{\displaystyle D=\int _{-\infty }^{+\infty }{\frac {\Delta ^{2}}{2\,\tau }}\cdot \varphi (\Delta )\,\mathrm {d} \Delta }
那 な 么在 t 时刻 x 处的布 ぬの 朗 ろう 粒子 りゅうし 密度 みつど ρ ろー 满足扩散方 かた 程 ほど :
∂
ρ ろー
∂
t
=
D
⋅
∂
2
ρ ろー
∂
x
2
,
{\displaystyle {\frac {\partial \rho }{\partial t}}=D\cdot {\frac {\partial ^{2}\rho }{\partial x^{2}}},}
假設 かせつ 在 ざい 初 はつ 始 はじめ 時刻 じこく t = 0時 じ ,所有 しょゆう 的 てき 粒子 りゅうし 從 したがえ 原點 げんてん 開始 かいし 運動 うんどう ,擴散 かくさん 方 かた 程 ほど 的 てき 解 かい
ρ ろー
(
x
,
t
)
=
ρ ろー
0
4
π ぱい
D
t
e
−
x
2
4
D
t
.
{\displaystyle \rho (x,t)={\frac {\rho _{0}}{\sqrt {4\pi Dt}}}e^{-{\frac {x^{2}}{4Dt}}}.}
数学 すうがく 模型 もけい [ 编辑 ]
定 てい 义[ 编辑 ]
满足下 か 列 れつ 条件 じょうけん 的 てき 鞅 我 わが 们称之 の 为布朗 ろう 运动
这个鞅是关于时间连续的 てき 。
他 た 的 てき 平方 へいほう 减去时间项也是 ぜ 一 いち 个鞅。
(
M
t
)
{\displaystyle (M_{t})}
是 ぜ 一个布朗运动当且仅当
(
M
t
)
{\displaystyle (M_{t})}
为鞅,且
(
M
t
2
−
t
)
{\displaystyle (M_{t}^{2}-t)}
也为鞅.
其他定 てい 义 [ 编辑 ]
3000步 ほ 的 てき 2维布朗 ろう 运动的 てき 模 も 拟。
1000步 ほ 的 てき 3维布朗 ろう 运动模 も 拟。
一维的定义
一维布朗运动
(
B
t
)
t
≥
0
{\displaystyle \scriptstyle (B_{t})_{t\geq 0}}
是 ぜ 关于时间t 的 てき 一个随机过程,他 た 满足 :
(独立 どくりつ 增量 ぞうりょう )设时间t 和 わ s 满足t > s ,增量 ぞうりょう
B
t
−
B
s
{\displaystyle \scriptstyle B_{t}-B_{s}}
独立 どくりつ 于时间s 前 まえ 的 てき 过程
(
B
u
)
0
≤
u
≤
s
{\displaystyle \scriptstyle (B_{u})_{0\leq u\leq s}}
。
(稳定增量 ぞうりょう 和正 かずまさ 态性)设时间t 和 わ s 满足t > s ,增量 ぞうりょう
B
t
−
B
s
{\displaystyle \scriptstyle B_{t}-B_{s}}
服 ふく 从均值为0方 ぽう 差 さ 为t −s 的 てき 正 せい 态分布 ぶんぷ 。
(
B
t
)
t
≥
0
{\displaystyle \scriptstyle (B_{t})_{t\geq 0}}
几乎处处连续, 也就是 ぜ 说在任 ざいにん 何 なん 可能 かのう 性 せい 下 か , 函数 かんすう
t
↦
B
t
(
ω おめが
)
{\displaystyle \scriptstyle t\mapsto B_{t}(\omega )}
是 ぜ 连续的 てき .
通常 つうじょう 假 かり 设
B
0
=
0
{\displaystyle \scriptstyle B_{0}=0}
。这种布 ぬの 朗 ろう 运动我 わが 们称它为标准的 てき 。
等 とう 价定义
一维布朗运动
(
B
t
)
t
≥
0
{\displaystyle \scriptstyle (B_{t})_{t\geq 0}}
是 ぜ 关于时间t 的 てき 一个随机过程,他 た 满足 :
(
B
t
)
t
≥
0
{\displaystyle \scriptstyle (B_{t})_{t\geq 0}}
是 ぜ 一 いち 个高 こう 斯过程 ほど ,也就是 ぜ 说对于所有 しょゆう 的 てき 时间列 れつ :
t
1
≤
t
2
≤
.
.
.
≤
t
n
{\displaystyle \scriptstyle t_{1}\leq t_{2}\leq ...\leq t_{n}}
,随 ずい 机 つくえ 向 むこう 量 りょう :
(
B
t
1
,
B
t
2
,
.
.
.
,
B
t
n
)
{\displaystyle \scriptstyle (B_{t_{1}},B_{t_{2}},...,B_{t_{n}})}
服 ふく 从高维高斯分布 ぶんぷ (正 せい 态分布 ぶんぷ )。
(
B
t
)
t
≥
0
{\displaystyle \scriptstyle (B_{t})_{t\geq 0}}
几乎处处连续。
对于所有 しょゆう s 和 わ t ,均 ひとし 值
E
[
B
t
]
=
0
{\displaystyle \scriptstyle \mathbb {E} [B_{t}]=0}
,协方差 さ
E
[
B
s
B
t
]
=
m
i
n
(
s
,
t
)
{\displaystyle \scriptstyle E[B_{s}B_{t}]=min(s,t)}
.
高 こう 维定义
(
B
t
)
t
≥
0
:=
(
B
t
1
,
B
t
2
,
.
.
.
,
B
t
d
)
t
≥
0
{\displaystyle \scriptstyle (B_{t})_{t\geq 0}:=\left(B_{t}^{1},B_{t}^{2},...,B_{t}^{d}\right)_{t\geq 0}}
是 これ d 维布朗 ろう 运动,只 ただ 需满足 あし
B
1
,
B
2
,
.
.
.
,
B
d
{\displaystyle \scriptstyle B^{1},B^{2},...,B^{d}}
为独立 どくりつ 的 てき 布 ぬの 朗 ろう 运动。
换句话说,d 维布朗 ろう 运动 取 と 值于
R
d
{\displaystyle \scriptstyle \mathbb {R} ^{d}}
,而它在 ざい
R
,
R
2
,
.
.
.
,
R
d
−
1
{\displaystyle \scriptstyle \mathbb {R} ,\mathbb {R} ^{2},...,\mathbb {R} ^{d-1}}
空 そら 间上的 てき 投影 とうえい 均 ひとし 为布朗 ろう 运动。
Wiener测度的 てき 定 てい 义
设
C
(
R
+
,
R
)
{\displaystyle \scriptstyle {\mathcal {C}}(\mathbb {R} ^{+},\mathbb {R} )}
为从
R
+
{\displaystyle \scriptstyle \mathbb {R} ^{+}}
到 いた
R
{\displaystyle \scriptstyle \mathbb {R} }
的 てき 连续函数 かんすう 空 そら 间,
(
Ω おめが
,
T
,
P
)
{\displaystyle \scriptstyle (\Omega ,{\mathcal {T}},\mathbb {P} )}
为概率 りつ 空 そら 间。布 ぬの 朗 ろう 运动为映射 しゃ
B
:
Ω おめが
⟶
C
(
R
+
,
R
)
{\displaystyle B:\Omega \longrightarrow C(\mathbb {R} ^{+},\mathbb {R} )}
ω おめが
↦
(
t
↦
B
t
(
ω おめが
)
)
{\displaystyle \omega \mapsto \left(t\mapsto B_{t}(\omega )\right)}
.
Wiener测度 (或 ある 称 しょう 为布朗 ろう 运动的 てき 分布 ぶんぷ )设为
W
(
d
ω おめが
)
{\displaystyle \scriptstyle W(d\omega )}
,是 ぜ 映 うつ 射 い B 关于
P
(
d
ω おめが
)
{\displaystyle \scriptstyle \mathbb {P} (d\omega )}
的 てき 图测度 ど 。
换句话说, W 是 これ
C
(
R
+
,
R
)
{\displaystyle \scriptstyle {\mathcal {C}}(\mathbb {R} ^{+},\mathbb {R} )}
上 うえ 的 てき 一 いち 个概率 りつ 测度,满足对于任 にん 何 なに
A
⊂
C
(
R
+
,
R
)
{\displaystyle \scriptstyle A\subset {\mathcal {C}}(\mathbb {R} ^{+},\mathbb {R} )}
,有 ゆう
W
(
A
)
=
P
(
(
B
t
)
t
≥
0
∈
A
)
{\displaystyle W(A)=\mathbb {P} ((B_{t})_{t\geq 0}\in A)}
。
备忘
布 ぬの 朗 ろう 运动是 ぜ 一种增量服从正态分布的萊維過程 かてい 。
这个定 てい 义可以帮助 すけ 我 わが 们证明 あかり 布 ぬの 朗 ろう 运动的 てき 很多特性 とくせい ,比 ひ 如几乎处处连续,轨迹几乎处处不可 ふか 微 ほろ 等 とう 等 とう 。
我 わが 们可以利用 りよう 二次变差的期望为时间来等价定义布朗运动。这个定 てい 义由Levy定理 ていり 演 えんじ 化 か 而来, 即 そく : 轨迹连续且二 に 次 じ 变差为
t
{\displaystyle t}
的 てき 随 ずい 机 つくえ 过程为布朗 ろう 运动。
性 せい 质[ 编辑 ]
布 ぬの 朗 ろう 运动的 てき 轨道几乎处处不可 ふか 微 ほろ :对于任 にん 何 なに
ω おめが
∈
Ω おめが
{\displaystyle \scriptstyle \omega \in \Omega }
,轨道
t
↦
B
t
(
ω おめが
)
{\displaystyle \scriptstyle t\mapsto B_{t}(\omega )}
为一个连续但是零可微的函数。
协方差 さ
E
[
B
s
B
t
]
=
m
i
n
(
s
,
t
)
{\displaystyle \scriptstyle \mathbb {E} [B_{s}B_{t}]=min(s,t)}
。
布 ぬの 朗 ろう 运动具有 ぐゆう 强 つよ 马氏性 せい : 对于停 とま 时T ,取 と 条件 じょうけん
[
T
<
∞
]
{\displaystyle \scriptstyle [T<\infty ]}
,过程
(
B
t
T
)
t
≥
0
:=
(
B
T
+
t
−
B
T
)
t
≥
0
{\displaystyle \scriptstyle (B_{t}^{T})_{t\geq 0}:=(B_{T+t}-B_{T})_{t\geq 0}}
为一个独立 どくりつ 于
(
B
s
)
0
≤
s
<
T
{\displaystyle \scriptstyle (B_{s})_{0\leq s<T}}
的 てき 布 ぬの 朗 ろう 运动。
它的Fourier变换 或 ある 特 とく 征 せい 函数 かんすう 为
E
[
e
i
u
B
t
]
=
e
−
t
u
2
2
{\displaystyle \scriptstyle \mathbb {E} \left[e^{iuB_{t}}\right]=e^{-{\frac {tu^{2}}{2}}}}
。可 か 见,布 ぬの 朗 ろう 运动是 ぜ 一 いち 个无偏 へん ,无跳跃,二项系数为1/2的 てき Levy过程。
布 ぬの 朗 ろう 运动关于时间是 ぜ 齐次的 てき : 对于s > 0,
(
B
t
+
s
−
B
s
)
t
≥
0
{\displaystyle \scriptstyle (B_{t+s}-B_{s})_{t\geq 0}}
是 ぜ 一 いち 个独立 どくりつ 于
(
B
u
)
0
≤
u
≤
s
{\displaystyle \scriptstyle (B_{u})_{0\leq u\leq s}}
的 てき 布 ぬの 朗 ろう 运动。
-B 是 ぜ 一个布朗运动。
(稳定性 せい ) 对于c > 0,
(
c
B
t
c
2
)
t
≥
0
{\displaystyle \scriptstyle \left(cB_{\frac {t}{c^{2}}}\right)_{t\geq 0}}
是 ぜ 布 ぬの 朗 ろう 运动。
(时间可逆 かぎゃく 性 せい )
(
t
B
1
t
)
t
>
0
{\displaystyle \scriptstyle \left(tB_{\frac {1}{t}}\right)_{t>0}}
在 ざい t =0之 これ 外 がい 是 ぜ 布 ぬの 朗 ろう 运动。
(常 つね 返 かえし 性 せい )只 ただ 有 ゆう 1维和2维布朗 ろう 运动是 ぜ 常 つね 返 かえし 的 てき :
如果
d
∈
{
1
,
2
}
{\displaystyle \scriptstyle d\in \{1,2\}}
,集合 しゅうごう
{
t
≥
0
,
B
t
=
x
}
{\displaystyle \scriptstyle \{t\geq 0,B_{t}=x\}}
不 ふ 是 ぜ 有界 ゆうかい 的 てき ,对于任 にん 何 なに
x
∈
R
d
{\displaystyle \scriptstyle x\in \mathbb {R} ^{d}}
,
如果
d
≥
3
,
lim
t
→
∞
|
|
B
t
|
|
=
+
∞
{\displaystyle \scriptstyle d\geq 3,\,\,\,\lim _{t\rightarrow \infty }||B_{t}||=+\infty }
(几乎处处)。
P
[
sup
0
≤
s
≤
t
B
s
≥
a
]
=
2
P
[
B
t
≥
a
]
=
P
[
|
B
t
|
≥
a
]
.
{\displaystyle \mathbb {P} [\sup _{0\leq s\leq t}B_{s}\geq a]=2\mathbb {P} [B_{t}\geq a]=\mathbb {P} [|B_{t}|\geq a].}
布 ぬの 朗 ろう 运动的 てき 数学 すうがく 构造[ 编辑 ]
利用 りよう Kolmogorov一致 いっち 性 せい 定理 ていり [ 编辑 ]
设
(
f
t
)
t
∈
R
+
{\displaystyle (f_{t})_{t\in {\mathbb {R} }_{+}}}
为
L
2
(
R
+
)
{\displaystyle L^{2}({\mathbb {R} }_{+})}
空 そら 间中一 いち 列 れつ 实值函数 かんすう 。设:
∀
(
u
,
v
)
∈
R
+
,
s
(
u
,
v
)
=
⟨
f
u
,
f
v
⟩
L
2
(
R
+
)
=
∫
R
+
f
u
(
x
)
f
v
(
x
)
d
x
{\displaystyle \forall (u,v)\in {\mathbb {R} }_{+}{\text{, }}s(u,v)={\langle f_{u},f_{v}\rangle }_{L^{2}({\mathbb {R} }_{+})}=\int _{\mathbb {R} _{+}}f_{u}(x)f_{v}(x)dx}
这列函数 かんすう 满足:
∀
k
∈
N
∗
{\displaystyle \forall k\in \mathbb {N} ^{*}}
,任意 にんい 的 てき
t
1
,
.
.
.
,
t
k
∈
R
+
{\displaystyle t_{1},...,t_{k}\in \mathbb {R} _{+}}
,矩 のり 阵
(
s
(
t
i
,
t
j
)
)
1
≤
i
,
j
≤
k
{\displaystyle \left(s(t_{i},t_{j})\right)_{1\leq i,j\leq k}}
为对称 たたえ 半 はん 正 せい 定 じょう 的 てき 。
利用 りよう Kolmogorov一致 いっち 性 せい 定理 ていり ,我 わが 们可以构造 づくり 高 だか 斯过程 ほど
{
Y
t
}
t
∈
R
+
{\displaystyle \{Y_{t}\}_{t\in \mathbb {R} _{+}}}
,它的均 ひとし 值
m
{\displaystyle m}
任意 にんい , 协方差 さ 为上面 めん 定 てい 义的
s
{\displaystyle s}
。
当 とう
(
f
t
)
t
∈
R
+
=
(
c
.1
1
[
0
,
t
]
)
t
∈
R
+
{\displaystyle (f_{t})_{t\in {\mathbb {R} }_{+}}=\left({\sqrt {c}}.1\!\!1_{[0,t]}\right)_{t\in \mathbb {R} _{+}}}
,
c
>
0
{\displaystyle c>0}
为不依 よ 赖于t的 てき 常数 じょうすう ,
1
1
[
0
,
t
]
{\displaystyle 1\!\!1_{[0,t]}}
为
[
0
,
t
]
{\displaystyle [0,t]}
上 うえ 的 てき 示 しめせ 性 せい 函数 かんすう 。则:
s
(
u
,
v
)
=
c
∫
R
1
1
[
0
,
u
]
(
s
)
1
1
[
0
,
v
]
(
s
)
d
s
=
c.min
(
u
,
v
)
{\displaystyle s(u,v)=c\int \limits _{\mathbb {R} }1\!\!1_{[0,u]}(s)1\!\!1_{[0,v]}(s)ds={\text{c.min}}(u,v)}
在 ざい 这个情 じょう 况下,矩 のり 阵
(
s
(
t
i
,
t
j
)
)
1
≤
i
,
j
≤
k
{\displaystyle \left(s(t_{i},t_{j})\right)_{1\leq i,j\leq k}}
是 ぜ 对称且正定 じょう 的 てき 。
我 わが 们称一个高斯过程为 布 ぬの 朗 ろう 运动当 とう 且仅当 とう 均 ひとし 值为0,协方差 さ 为s。
c
=
V
a
r
(
B
1
)
{\displaystyle c=Var(B_{1})}
,当 とう
c
=
1
{\displaystyle c=1}
时, 称 しょう 之 の 为 标准的 てき 布 ぬの 朗 ろう 运动 .
利用 りよう 随 ずい 机 つくえ 过程[ 编辑 ]
Donsker定理 ていり (1951)证明了 りょう 逐渐归一化的随机游走弱收敛于布朗运动。
(
1
σ しぐま
n
(
∑
k
=
1
[
n
t
]
U
k
+
(
n
t
−
[
n
t
]
)
U
[
n
t
]
+
1
)
)
0
≤
t
≤
1
⟹
n
→
∞
(
B
t
)
0
≤
t
≤
1
{\displaystyle \left({\frac {1}{\sigma {\sqrt {n}}}}\left(\sum _{k=1}^{[nt]}U_{k}+(nt-[nt])U_{[nt]+1}\right)\right)_{0\leq t\leq 1}{\underset {n\rightarrow \infty }{\Longrightarrow }}(B_{t})_{0\leq t\leq 1}}
其中(U n , n ≥ 1) 独立 どくりつ 同 どう 分布 ぶんぷ , 均 ひとし 值为0,方 かた 差 さ 为σ しぐま 的 てき 随 ずい 机 つくえ 变量序列 じょれつ 。
利用 りよう 傅 でん 立 たて 叶 かのう 级数[ 编辑 ]
设2列 れつ 独立 どくりつ 的 てき 正 せい 态
N
(
0
,
1
)
{\displaystyle \scriptstyle {\mathcal {N}}(0,1)}
随 ずい 机 つくえ 变量序列 じょれつ
(
N
k
,
k
∈
N
)
{\displaystyle \scriptstyle (N_{k},k\in \mathbb {N} )}
和 わ
(
N
k
′
,
k
∈
N
)
{\displaystyle \scriptstyle (N'_{k},k\in \mathbb {N} )}
。定 てい 义
(
B
t
)
t
≥
0
{\displaystyle \scriptstyle (B_{t})_{t\geq 0}}
:
B
t
:=
t
N
0
+
∑
k
=
1
+
∞
2
2
π ぱい
k
(
N
k
cos
(
2
π ぱい
k
t
−
1
)
+
N
k
′
sin
(
2
π ぱい
k
t
)
)
{\displaystyle B_{t}:=tN_{0}+\sum _{k=1}^{+\infty }{\frac {\sqrt {2}}{2\pi k}}\left(N_{k}\cos(2\pi kt-1)+N_{k}'\sin(2\pi kt)\right)}
为布朗 ろう 运动。
争 そう 议[ 编辑 ]
對 たい 於布朗 ろう 運動 うんどう 之 の 誤解 ごかい [ 编辑 ]
值得注意 ちゅうい 的 てき 是 ぜ ,布 ぬの 朗 ろう 运动指 ゆび 的 てき 是 ぜ 花粉 かふん 迸出 へいしゅつ 的 てき 微粒 びりゅう 的 てき 随 ずい 机 つくえ 运动,而不是 ぜ 分子 ぶんし 的 てき 随 ずい 机 つくえ 运动。但 ただし 是 ぜ 通 どおり 过布朗 ろう 运动的 てき 现象可 か 以间接 せっ 证明分子 ぶんし 的 てき 无规则运动。 [來 らい 源 みなもと 請求 せいきゅう ]
一般 いっぱん 而言,花粉 かふん 之 これ 直徑 ちょっけい 分布 ぶんぷ 於30~50μ みゅー m 、最小 さいしょう 亦 また 有 ゆう 10μ みゅー m之 の 譜 ふ ,相 そう 較之下 か ,水分 すいぶん 子 こ 直徑 ちょっけい 約 やく 0.3nm (非 ひ 球形 きゅうけい ,故 こ 依 よ 部位 ぶい 而有些許差異 さい 。),略 りゃく 為 ため 花粉 かふん 的 てき 十 じゅう 萬 まん 分 ふん 之 の 一 いち 。因 よし 此,花粉 かふん 難 なん 以產生 せい 不規則 ふきそく 振動 しんどう ,事實 じじつ 上 じょう 花粉 かふん 幾 いく 乎不受布朗 ろう 運動 うんどう 之 の 影響 えいきょう 。在 ざい 罗伯特 とく ·布 ぬの 朗 ろう 的 まと 手 しゅ 稿 こう 中 ちゅう ,「tiny particles from the pollen grains of flowers」意味 いみ 著 ちょ 「自 じ 花粉 かふん 粒 つぶ 中 ちゅう 迸出 へいしゅつ 之 の 微粒子 びりゅうし 」,而非指 ゆび 花粉 かふん 本身 ほんみ 。然 しか 而在翻譯 ほんやく 為 ため 諸國 しょこく 語 ご 言 げん 時 じ ,時 じ 常 つね 受到誤解 ごかい ,以為是 ぜ 「水中 すいちゅう 的 てき 花粉 かふん 受布朗 ろう 運動 うんどう 而呈現 げん 不規則 ふきそく 運動 うんどう 」。積 せき 非 ひ 成 なり 是 ぜ 之 の 下 した ,在 ざい 大 だい 眾一般 いっぱん 觀念 かんねん 中 ちゅう ,此誤會 かい 已然 いぜん 根深 ねぶか 蒂固。[來 らい 源 みなもと 請求 せいきゅう ]
花粉 かふん 具備 ぐび 足 あし 夠大小 しょう ,幾 いく 乎無法 ほう 觀測 かんそく 到 いた 布 ぬの 朗 ろう 運動 うんどう 。
在 ざい 日本 にっぽん ,以鶴田 つるた 憲次 けんじ 『物理 ぶつり 学 がく 叢 くさむら 話 ばなし 』為 ため 濫觴 らんしょう ,岩波書店 いわなみしょてん 『岩波 いわなみ 理科 りか 辞典 じてん 』[5] 、花輪 はなわ 重雄 しげお 『物理 ぶつり 学 がく 読本 とくほん 』、湯川 ゆかわ 秀樹 ひでき 『素粒子 そりゅうし 』、坂田 さかた 昌一 しょういち 『物理 ぶつり 学原 がくばら 論 ろん (上 うえ )』、平凡社 へいぼんしゃ 『理科 りか 辞典 じてん 』、福岡 ふくおか 伸一 しんいち 著 ちょ 『生物 せいぶつ 與 あずか 無 む 生物 せいぶつ 之 の 間 あいだ 』,甚至日本 にっぽん 的 てき 理科 りか 課 か 本 ほん 等 とう 等 とう ,皆 みな 呈 てい 現 げん 錯誤 さくご 之 の 敘述。[來 らい 源 みなもと 請求 せいきゅう ]
直 ちょく 到 いた 1973年 ねん 横浜市立大学 よこはましりつだいがく 名誉 めいよ 教授 きょうじゅ 植物 しょくぶつ 学 がく 者 もの 岩波 いわなみ 洋造 ようぞう 在 ざい 著書 ちょしょ 『植物 しょくぶつ 之 の SEX‐不為 ふため 人 じん 知的 ちてき 性 せい 之 の 世界 せかい 』中 ちゅう ,點 てん 出 で 此誤謬 ごびゅう 之 の 前 まえ ,鮮少 せんしょう 有人 ゆうじん 注意 ちゅうい 。国立 こくりつ 教育 きょういく 研究所 けんきゅうじょ 物理 ぶつり 研究 けんきゅう 室長 しつちょう 板倉 いたくら 聖 きよし 宣 せん 在 ざい 參與 さんよ 製作 せいさく 岩波 いわなみ 電 でん 影 かげ 『迴動粒子 りゅうし 』(1970年 ねん )時 じ ,實際 じっさい 攝 と 影 かげ 漂浮在 ざい 水中 すいちゅう 之 の 花粉 かふん ,卻發現 はつげん 花粉 かふん 完全 かんぜん 沒 ぼつ 有 ゆう 布 ぬの 朗 ろう 運動 うんどう 。遂 とげ 於1975年 ねん 3月 がつ ,以「外 そと 行人 こうじん 與 あずか 專 せん 家 か 之 の 間 あいだ 」為 ため 題 だい ,解說 かいせつ 有 ゆう 關 せき 布 ぬの 朗 ろう 運動 うんどう 之 の 誤 あやま 會 かい 。[來 らい 源 みなもと 請求 せいきゅう ]
参 まいり 见[ 编辑 ]
^ 部分 ぶぶん 紀 き 錄 ろく 為 ため 1828年 ねん 。
^ 李 り 育 いく 嘉 よしみ . 漫談 まんだん 布 ぬの 朗 ろう 運動 うんどう . [2012-12-14 ] . (原始 げんし 内容 ないよう 存 そん 档 于2019-07-18).
^ BROWNIAN MOTION. : 5.
^ Feynman, R. The Brownian Movement . The Feynman Lectures of Physics, Volume I. 1964: 41-1 [2018-02-05 ] . (原始 げんし 内容 ないよう 存 そん 档 于2021-02-14).
^ 該辭典 じてん 已 やめ 於1987年 ねん 所 しょ 發行 はっこう 之 の 第 だい 四 よん 版 はん 中 ちゅう 修正 しゅうせい 。
外部 がいぶ 連結 れんけつ [ 编辑 ]