Wykład 2. Przykład zastosowania teorii prawdopodobieństwa: procesy stochastyczne (Markova)

Podobne dokumenty
Fizyka statystyczna Procesy stochastyczne. P. F. Góra

TERMODYNAMIKA I FIZYKA STATYSTYCZNA

Fizyka statystyczna Równanie Fokkera-Plancka

Fizyka statystyczna Równanie Fokkera-Plancka. P. F. Góra

TERMODYNAMIKA I FIZYKA STATYSTYCZNA

Równania różniczkowe liniowe rzędu pierwszego

O procesie Wienera. O procesie Wienera. Procesy stochastyczne Wykład XV, 15 czerwca 2015 r. Proces Wienera. Ruch Browna. Ułamkowe ruchy Browna

PROCESY STOCHASTYCZNE. PEWNE KLASY PROCESÓW STOCHASTYCZNYCH Definicja. Procesem stochastycznym nazywamy rodzinę zmiennych losowych X(t) = X(t, ω)

Prognozowanie i Symulacje. Wykład I. Matematyczne metody prognozowania

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 2

Wykład 3 Równania rózniczkowe cd

Układy statystyczne. Jacek Jurkowski, Fizyka Statystyczna. Instytut Fizyki

Twierdzenia graniczne fluktuacji procesów przebywania dla układów gałazkowych

1.1 Przegląd wybranych równań i modeli fizycznych. , u x1 x 2

27. RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE CZĄSTKOWE

- prędkość masy wynikająca z innych procesów, np. adwekcji, naprężeń itd.

II. Równania autonomiczne. 1. Podstawowe pojęcia.

Prawa ruchu: dynamika

Janusz Adamowski METODY OBLICZENIOWE FIZYKI Kwantowa wariacyjna metoda Monte Carlo. Problem własny dla stanu podstawowego układu N cząstek

Superdyfuzja. Maria Knorps. Wydział Fizyki Technicznej i Matematyki stosowanej, Politechnika Gdańska

Mechatronika i inteligentne systemy produkcyjne. Modelowanie systemów mechatronicznych Platformy przetwarzania danych

Metody Lagrange a i Hamiltona w Mechanice

IX. MECHANIKA (FIZYKA) KWANTOWA

Równania różniczkowe liniowe II rzędu

Równanie przewodnictwa cieplnego (I)

Podstawy Automatyki. wykład 1 ( ) mgr inż. Łukasz Dworzak. Politechnika Wrocławska. Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji (I-24)

VII. Elementy teorii stabilności. Funkcja Lapunowa. 1. Stabilność w sensie Lapunowa.

Wstęp do równań różniczkowych

Zaawansowane metody numeryczne Komputerowa analiza zagadnień różniczkowych 4. Równania różniczkowe zwyczajne podstawy teoretyczne

Co ma piekarz do matematyki?

Wykład 8 i 9. Hipoteza ergodyczna, rozkład mikrokanoniczny, wzór Boltzmanna

Stochastyczne równania różniczkowe, model Blacka-Scholesa

Procesy stochastyczne WYKŁAD 2-3. Łańcuchy Markowa. Łańcuchy Markowa to procesy "bez pamięci" w których czas i stany są zbiorami dyskretnymi.

Definicje i przykłady

Wstęp do równań różniczkowych

Podstawy Automatyki. Wykład 2 - podstawy matematyczne. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

Podstawy Automatyki. Wykład 2 - modelowanie matematyczne układów dynamicznych. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

Metoda Różnic Skończonych (MRS)

KARTA PRZEDMIOTU. Forma prowadzenia zajęć. Odniesienie do efektów dla kierunku studiów K1A_W02

Podstawy Automatyki. Wykład 2 - modelowanie matematyczne układów dynamicznych. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

WYDZIAŁ ELEKTRONIKI MIKROSYSTEMÓW I FOTONIKI

Matematyka 2. Równania różniczkowe zwyczajne rzędu drugiego

INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA NR 7

TEORIA OBWODÓW I SYGNAŁÓW LABORATORIUM

KARTA PRZEDMIOTU. 12. Przynależność do grupy przedmiotów: Prawdopodobieństwo i statystyka

Termodynamika. Część 12. Procesy transportu. Janusz Brzychczyk, Instytut Fizyki UJ

Proces Poissona. Proces {N(t), t 0} nazywamy procesem zliczającym jeśli N(t) oznacza całkowitą liczbę badanych zdarzeń zaobserwowanych do chwili t.

Prawdopodobieństwo i statystyka

Procesy stochastyczne 2.

13 Równanie struny drgającej. Równanie przewodnictwa ciepła.

Mechanika Kwantowa. Maciej J. Mrowiński. 24 grudnia Funkcja falowa opisująca stan pewnej cząstki ma następującą postać: 2 x 2 )

Laboratorium Mechaniki Technicznej

Ruchy Browna. Wykład XIII Mechanika statystyczna 1. Podejście Einsteina

Podstawy Automatyki. Wykład 2 - matematyczne modelowanie układów dynamicznych. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

Fizyka statystyczna, elementy termodynamiki nierównowagowej Cele, zakres zagadnień

Układy stochastyczne

2. Wykaż, że moment pierwszego skoku w procesie Poissona. S 1 := inf{t : N t > 0} jest zmienną losową o rozkładzie wykładniczym z parametrem λ.

Wykład 1 i 2. Termodynamika klasyczna, gaz doskonały

Opis systemów dynamicznych w przestrzeni stanu. Wojciech Kurek , Gdańsk

2. Wykaż, że moment pierwszego skoku w procesie Poissona. S 1 := inf{t : N t > 0} jest zmienną losową o rozkładzie wykładniczym z parametrem λ.

Analiza matematyczna dla informatyków 3 Zajęcia 14

Stochastyczna dynamika z opóźnieniem czasowym w grach ewolucyjnych oraz modelach ekspresji i regulacji genów

Kinematyka: opis ruchu

= = Budowa materii. Stany skupienia materii. Ilość materii (substancji) n - ilość moli, N liczba molekuł (atomów, cząstek), N A

Wstęp do rachunku prawdopodobieństwa. Cz. 1 / William Feller. wyd. 6, dodr. 4. Warszawa, Spis treści

PODSTAWOWE ROZKŁADY PRAWDOPODOBIEŃSTWA. Piotr Wiącek

Systemy. Krzysztof Patan

Prawdopodobieństwo i statystyka

Termodynamika. Część 4. Procesy izoparametryczne Entropia Druga zasada termodynamiki. Janusz Brzychczyk, Instytut Fizyki UJ

Spacery losowe generowanie realizacji procesu losowego

Tadeusz Lesiak. Dynamika punktu materialnego: Praca i energia; zasada zachowania energii

Równania dla potencjałów zależnych od czasu

Postulaty interpretacyjne mechaniki kwantowej Wykład 6

MODELE MATEMATYCZNE W UBEZPIECZENIACH

Weryfikacja hipotez statystycznych

Procesy stochastyczne

Zagdanienia do egzaminu z Inżynierskich Metod Numerycznych - semestr 1

Teoria ze Wstępu do analizy stochastycznej

Wykład 4. II Zasada Termodynamiki

Liczba godzin Punkty ECTS Sposób zaliczenia. ćwiczenia 30 zaliczenie z oceną

Stabilność II Metody Lapunowa badania stabilności

12. Przynależność do grupy przedmiotów: Blok przedmiotów matematycznych

Tematy prac magisterskich i doktorskich

Fizyka na usługach inżynierii finansowej 1

Wykład 3. Entropia i potencjały termodynamiczne

19 marzec, Łańcuchy Markowa z czasem dyskretnym. Procesy Stochastyczne, wykład 6, T. Byczkowski, Procesy Stochastyczne, PPT, Matematyka MAP1136

Matematyka II. Bezpieczeństwo jądrowe i ochrona radiologiczna Semestr letni 2018/2019 wykład 13 (27 maja)

Pojęcie szeregu nieskończonego:zastosowania do rachunku prawdopodobieństwa wykład 1

Procesy stochastyczne WYKŁAD 2-3. Łańcuchy Markowa. Łańcuchy Markowa to procesy "bez pamięci" w których czas i stany są zbiorami dyskretnymi.

studia stacjonarne w/ćw zajęcia zorganizowane: 30/15 3,0 praca własna studenta: 55 Godziny kontaktowe z nauczycielem akademickim: udział w wykładach

Z-0099z. Fizyka II. Zarządzanie i Inżynieria Produkcji I stopień Ogólnoakademicki. Stacjonarne Wszystkie Katedra Fizyki Prof. Dr hab.

1 Równania różniczkowe zwyczajne o rozdzielonych zmiennych

Metody Lagrange a i Hamiltona w Mechanice

Biostatystyka, # 3 /Weterynaria I/

Literatura. Leitner R., Zacharski J., Zarys matematyki wyŝszej dla studentów, cz. III.

12. Przynależność do grupy przedmiotów: Blok przedmiotów matematycznych

VI. Równania różniczkowe liniowe wyższych rzędów

I. KARTA PRZEDMIOTU CEL PRZEDMIOTU

Prawdopodobieństwo i statystyka

Wykład FIZYKA I. 10. Ruch drgający tłumiony i wymuszony. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Transkrypt:

Wykład 2 Przykład zastosowania teorii prawdopodobieństwa: procesy stochastyczne (Markova) 1. Procesy Markova: definicja 2. Równanie Chapmana-Kołmogorowa-Smoluchowskiego 3. Przykład dyfuzji w kapilarze 4. Równanie Master 5. Samodzielne studia: Równania Master dla procesów Markova jednorodnych w czasie i przestrzeni w granicy małych czasów. Lech Longa Termodynamika i Fizyka Statystyczna 1

Demonstracje: dyfuzja gazu po usunięciu ścianek Dyfuzja Rozkład ρ(x) N(x)/N Jednowymiarowa analiza 2

(kropla atramentu wstrzyknięta do płaskiego naczynia z wodą) 3

Twierdzenie Zastosowanie Bayesa twierdzenia Bayesa B A 1 A 6 A 5 A 4 A 2 A 3 Twierdzenie Bayesa ma bezpośrednie zastosowanie przy analizie procesów stochastycznych; Równanie Master o którym dzisiaj powiemy jest szczególnym przypadkiem tego twierdzenia Lech Longa Termodynamika i Fizyka Statystyczna 4

Wzór Bayesa dla ciągów zmiennych losowych: gęstości i prawdopodobieństwa warunkowe dla wielowymiarowych zmiennych losowych P x 1,x 2,.,x k /x k 1,, x n ) P x 1, x 2,.,x k,x k 1,, x n ) P x k 1,, x n ) (obszerna dyskusja znajduje się w: A. Papoulis Prawdopodobieństwo, zmienne losowe i procesy stochastyczne Str. 249 5

Zastosowanie teorii prawdopodobieństwa: Procesy stochastyczne (proces stochastyczny: zastąpienie skomplikowanej dynamiki układu makroskopowego (o liczbie stopni swobody rzędu liczby Avogadro) poprzez opis probabilistyczny dynamiki jedynie kilku interesujących nas stopni swobody; wpływ nieuwzględnionych stopni swobody redukujemy do praw statystycznych). Okazuje się, że w wielu interesujących przypadkach jest to możliwe. Poznamy ważną klasę takich procesów, które w literaturze nazywają się procesami Markova. x(0) Przestrzeń zdarzeń Z każdym zdarzeniem ( zmienną stochastyczną x) zwiążemy inne zdarzenie x(t), gdzie t (tutaj czas) będzie dodatkową zmienną opisującą (indeksującą) ten związek. x(t) - zmienna losowa, bądź - w naszym przypadku proces stochastyczny x(t) x(t) Ω Ω Ω Ω Ω x(t) Równania Langevina (cząstka Browna, 1907): t 0 t 1 t n-1 t n m d dt x t γ v t F t k=1 n 6

Procesy stochastyczne Dwa stany do obsadzenia w dowolnej chwili: dyskretny czas t 1 < t 2 < t k < t k+1 < t k+m? 7

pamięć Terminologia: P m/k ( / ) - prawdopodobieństwo warunkowe znalezienia układu w stanach x k+1 w chwili t k+1,.. w stanie x k+m w chwili t k+m pod warunkiem, że wcześniej był w stanach x 1 w chwili t 1.., x k w chwili t k ; symbol m/k w P m/k informuje, że mamy prawdopodobieństwo warunkowe z k stanami przed t k i m stanami po t k (zakładamy chronologię czasów jak na rysunku) 8

k 9

(proces zależy od jednej chwili czasowej wstecz) k 10

Proces Markova (z krótką pamięcią) krótka pamięć prawdopodobieństwo przejścia Wszystkie funkcje rozkładu można odtworzyć ze znajomości dwóch funkcji P1 /1 oraz P1 11

( t t t 12

13

Proces Markova (podsumowanie) Indeksy można zmieniać t 1 t 2 Przykład równania Master 14

Przykłady prawdopodobieństw warunkowych spełniających r. Chapmana- Kołmogorowa-Smoluchowskiego (ćwiczenia): +1 (losowy telegrafista) -1 t (dwustanowy proces Markova: losowy ciąg impulsów) 15

Przykłady prawdopodobieństw warunkowych spełniających r. Chapmana- Kołmogorowa-Smoluchowskiego: Jest to matematyczny model ruchów Browna w jednym wymiarze przestrzennym (późniejszy przykład dyfuzji w kapilarze). Funkcja rozkładu P 1 jest gęstością położenia (y) cząstki podlegającej jednowymiarowej dyfuzji. (później przykład z dyfuzją w kapilarze) Przy założeniu P 1 (y 1,0) = δ(y 1 ) otrzymujemy Gaussowski rozkład położeń w chwilach późniejszych. 16

Przykłady prawdopodobieństw warunkowych spełniających r. Chapmana- Kołmogorowa-Smoluchowskiego: Tutaj zmienna `y` pełni rolę prędkości cząstki ( w jednym wymiarze) 17

Przykłady prawdopodobieństw warunkowych spełniających r. Chapmana- Kołmogorowa-Smoluchowskiego: Proces Poissona zlicza zdarzenia jakie zaszły do danej chwili; 1/λ jest średnim czasem oczekiwania na kolejne zdarzenie. Z warunku początkowego: P 1 (n 1,0) = δ, możemy wyznaczyć P 1 w dowolnej innej chwili czasowej: (funkcje P 1/1 oraz P 1 definiują proces Markova) 18

P 1 P 0 Stany stacjonarne: P * =W P * 19

Przykład 1 Pijak błądzi po nieskończonej prostej od latarni do latarni (pełne rozwiązanie-ćwiczenia): (P 1 =P) numery kolejnych latarni n+1 n n-1 0 t-1 t (czas) 20

Przykład 2 : dyfuzja Brownowska w kapilarze 21 Dyfuzja w nieskończonej jednowymiarowej kapilarze Proces jednorodny przestrzennie i czasowo: 0 t 3 - t 1 = t t 2 - t 1 = t - t 0 t 3 - t 2 = t 0

Dyfuzja w nieskończonej jednowymiarowej kapilarze Proces jednorodny przestrzennie i czasowo: 22 0

Dyfuzja w nieskończonej jednowymiarowej kapilarze Proces jednorodny przestrzennie i czasowo: 23

24

Dyfuzja w nieskończonej jednowymiarowej kapilarze Proces jednorodny przestrzennie i czasowo: 25 D>0 (a więc otrzymaliśmy Proces Wieniera-Levy) t 0 P x, t P / x y,t P y,0 t 0

26 Można sprawdzić, że P 1/1 spełnia najprostsze równanie dyfuzji (równanie Fokkera-Plancka): UWAGA: jest to szczególny przypadek ogólnego równania dyfuzji (z dryftem)

Dyfuzja Browna: film 27

Stacjonarne procesy Markova: (opisują np. fluktuacje wokół stanu równowagi) dx δ x y : delta Diraca lub Kronneckera (w przypadku dyskretnym) Równanie Master (granica małych τ) Prawdopodobieństwo pozostania w y 1 w jednostce czasu W: prawdopodobieństwo przejścia w jednostce czasu od y 1 do y 2 28

Równanie Master (granica małych τ) (Prawdopodobieństwo przejścia z y 1 do y 2 w czasie τ) 29

prawdopodobieństwo pozostania w y 1 w jedn. czasu prawdopodobieństwo przejścia z y 1 do y 2 w jednostce czasu Wstawiamy do równania C-K-S 30

(Wstawiamy rozwinięcie) (pozostawiamy bez zmian) Zostawiam wyrazy liniowe w τ i τ ; dzielę przez τ i przechodzę z τ do zera Upraszczam notację: y y 31

Równania Master (a) dzielę przez τ i przechodzę z τ do zera Dowolny rozkład; np. jakiś początkowy rozkład prawdopodobieństwa (b) Mnożę stronami przez P 1 (y 1 ), całkuję po y 1 dzielę przez τ i przechodzę z τ do zera 32

Równania Master y (n) ( z rachunku perturbacyjnego ) Równanie Master: równanie zysków i strat dla prawdopodobieństw 33

Warunki: równowagi oraz równowagi szczegółowej (równanie Master jest równaniem na bilans prawdopodobieństw. Dla procesów jednorodnych w czasie jest to różniczkowa postać r. CKS) Warunek równowagi: w każdym stanie prawdopodobieństwa wypływające oraz wpływające `kasują się` = 0 n Warunek równowagi szczegółowej: = 0 n, n (można pokazać, że mikroskopowa odwracalność równań ruchu w czasie dla układów izolowanych implikuje spełnienie warunku równowagi szczegółowej) 34

Podsumowanie Równanie C-K-S jest nieliniowym równaniem wyrażającym markowowskość procesu, jednak nie zawiera informacji o żadnym konkretnym procesie Markova; W równaniu Master rozważamy prawdopodobieństwa przejść dla konkretnego systemu; znając je rozwiązujemy liniowe równania na prawdopodobieństwa (określające mezoskopowy stan układu) 35

(Materiał do samodzielnych studiów) 36

37

38

39

40

41

Dziękuję 42