科学网

 找回密码
  注册
科学网 标签 布朗运动 相关日志

tag 标签: 布朗运动

相关日志

维纳过程样本轨道特性
gaohong5250 2020-2-27 21:44
《数学学习与研究》, 2019 年第 24 期 【摘要】维纳过程( Wiener process )是一种具有连续时间参数和连续状态空间的随机过程,是刻画动态随机现象的基本数学工具。维纳过程的定义及性质是从随机过程的状态空间给出的,不能直接用来描述随机现象随时间演变的过程,在实际应用中会出现概念性错误。本文从随机过程样本函数角度重新定义了维纳过程,推导出了维纳过程样本函数的自相关函数、位移公式和幅频特性,可直接用于描述自然科学、工程技术和社会科学中的动态随机现象、特性及运动规律。 一、引言 维纳过程( Wiener process )作为一种具有连续时间参数和连续状态空间的基本随机过程,其理论不仅在概率论与随机过程学科中占有相当重要的地位,而且是刻画金融资产价格随时间演变过程的重要数学工具,在金融领域有着广泛的应用。 1827 年,英国植物学家 Brown 利用显微镜观察液体中的花粉微粒时,发现微粒在不停地做无规则运动,这种现象后来就被称为布朗运动。 Einstein 在 1905 年首先使用统计方法对布朗运动进行了定量研究,通过可测量物理量来研究布朗运动的宏观统计特性,建立了布朗运动的物理模型。 1923 年, 美国数学家 Wiener 将 Einstein 的布朗运动物理模型抽象为一个纯粹的随机过程数学模型,因此,布朗运动也被称为维纳过程。 Wiener 是从随机过程状态空间的角度对布朗运动进行定义的,没有给出样本函数模型和样本轨道性质,在实际应用中十分不便。本文从随机过程样本函数的角度重新定义了维纳过程,并给出了维纳过程样本函数模型和样本轨道特性。 维纳过程样本轨道特性_高宏.pdf
3567 次阅读|0 个评论
公理化方法重建布朗运动理论
gaohong5250 2020-2-25 09:39
【 摘要 】 布朗运动是物理学中的一个著名现象,是指悬浮在液体中的花粉微粒因受液体分子碰撞而产生的位置随机性变化,这种动态随机现象广泛存在于自然界、工程技术和人类社会中,因而布朗运动也成为概率论中的一种具有连续时间参数和连续状态空间的基本随机过程。本文指出了爱因斯坦布朗运动理论和维纳过程只能在状态空间描述大量布朗粒子统计特性,而不能从时间维度描述单个布朗粒子位置变化规律的理论缺陷。本文首先提出了“布朗粒子瞬时速度等于白噪声”的运动定律,然后依据这一定律分别推导出了描述大量布朗粒子位移统计特性的数学期望和方差,以及描述单个布朗粒子运动规律的位移公式、自相关函数和频域特性,从空间和时间两个维度重建了布朗运动理论,可全面系统地阐明布朗运动的所有现象、特征及规律,为自然科学、工程技术和社会科学全面认识和利用动态随机现象提供理论、方法及工具。 0 引言 1827 年,英国植物学家布朗使用显微镜观察悬 浮在液体中的花粉微粒时,发现微粒总是在做无规则的运动。后来人们发现,这是一种广泛存在于自然界、工程技术和人类社会中的动态随机现象,如空气污染扩散、陀螺随机游走和股票价格波动等。1905 年,爱因斯坦首先使用概率分析方法对布朗运动进行了定量研究,为统计热力学和随机过程基础理论的发展奠定了基础。维纳在 1923 年将爱因斯坦的 布朗运动物理模型抽象为数学模型,为其它学科研究动态随机现象提供了重要数学工具,因此布朗运动也被称为维纳过程。 由于宏观气体或液体的物理性质只与大量微观粒子的统计规律有关,因此爱因斯坦并 没有关注和研究单个布朗粒子的运动规律,导致现有布朗运动理论缺少样本轨道性质的描 述。此外,维纳过程是根据爱因斯坦的布朗运动物理模型归纳总结出的数学定义,而不是 依据概念、判断和推理形成的系统化知识体系。本文使用公理化方法从空间和时间两个维度重建了布朗运动理论,可全面、系统描述并揭示布朗运动随机变量和样本轨道的现象、特征及规律。 高宏. 公理化方法重建布朗运动理论 . 北京:中国科技论文在线 . 公理化方法重建布朗运动理论(高宏).pdf
2261 次阅读|0 个评论
热扩散 布朗运动 涨落耗散定理 博客记事 2019年7月3日
热度 1 等离子体科学 2019-7-4 09:00
热扩散 布朗运动 涨落耗散定理 博客记事 2019年7月3日北京 晴 热 无霾 这个班的学生回答问题不错,直指核心。比如问题: 北大东门到海淀黄庄有多远? 答:两站地。 这正是我们需要的答案——一个物理量,要用最简单的尺去量!这里用米,用千米都不合适,即使给你个精确答案:比如1543米——这是多远呀?你有感觉吗? 昨天说线性响应,意犹未尽,接着昨天的说: 3. 热扩散过程 考虑能量守恒,即单位体积中内能3nT/2随时间的变化率等于单位时间进入该体积的热流: (3n/2)dT/dt+dq i /dx i =0 (3) 将昨天的(2)代入(3),在简单的一维表示下得到: dT/dt=Dd 2 T/dx 2 (三维表示用拉普拉斯算符代换d2/dx2) (4) 即著名的热扩散方程。D=2K/3n为热扩散系数。 4. 涨落耗散定理 热扩散方程(式(4)是最简单的表示)描述的是一个非常普遍的过程,几乎所有的发展过程都可以用这类方程描述(决定我国前三十年人口政策的人口发展方程就是其一,我回国后教过的所有学生都受到这一方程的影响)。 热扩散过程中最重要的一个关系,也是非平衡态统计物理的一块基石,就是涨落耗散定理。 这一定理是爱因斯坦在研究布朗运动时得到的,笔者曾有博客介绍( 也说几句布朗运动 )。 今年的夏令营,笔试环节就出了一道布朗运动的题。有爱因斯坦方法的基础和郎之万方程。后者非常简洁。是统计物理的经典。
个人分类: 学海无涯|3064 次阅读|3 个评论
brownian motion
richor 2018-4-17 20:55
布朗运动: 1827 年英国植物学家 R. 布朗在花粉颗粒的水溶液中观察到花粉不停顿的无规则运动。在布朗运动发现后的 50 年内 , 人们一直不了解这种运动的原因。 1877 年 J. 德耳索提出 , 这是由于微小颗粒受到其周围媒质分子不平衡碰撞所致。 直到 1905 年 A. 爱因斯坦发表了关于布朗运动理论的论文 , 这个理论不仅在实验上可以检验 , 而且把布朗运动作为确定原子观点的一个例子 , 成为分子运动论和统计力学发展的重要转折点。随后 ,M.von 斯莫卢霍夫斯基 (1906) 和 P. 朗之万 (1908) 等学者发表了他们的理论 , 以及 J.B. 佩兰完成了他系统的实验 (1908) 以后 , 才对布朗运动这一典型的随机过程有了清晰的解释。 解释的大意是 : 微粒(直径约 10 -7 ~ 10 -5 m )受到其周围流体大数分子热运动的不规则频繁碰撞(液体分子对其碰撞每秒约 10 19 次 , 气体分子对其碰撞每秒约 10 15 次) , 若某一瞬间在某一方面碰撞数大大超过其他方面的碰撞数 , 微粒就会产生一明显位移 . 这种不平衡碰撞产生的力是一种涨落不定的净作用力 , 它驱动着布朗粒子作无规则的运动。 这是少有的一个现象被发现,但长期得不到解释,最终随着科学的发展,被圆满解释的科学例子。现象的发现就处于科学大繁荣的时代,并不是文艺复兴以前。而且其解释进一步推动了相关随机过程数学理论的发展!对科学的先后非常有启发意义。 法国的 Jean Baptiste Perrin (让·巴蒂斯特·佩兰)在 1908 年实验上验证了爱因斯坦的理论,因此获得 1926 年诺贝尔物理学奖。(我感觉有点不够格,爱因斯坦也没因这个理论再拿一次诺奖。) 扩散方程(一维情况): 第二项可以写成三维,则是拉普拉斯算符。 扩散方程,取初始条件: 则解为: 把 t 当成一个参数,则该解为一个高斯分布(正则分布)。其平均值为 0 ,方差为 2Dt 。方差的开根号也就是平均位移,可以考虑方差的表达式。 于是有: ,该关系是爱因斯坦预言的,之前实验上并没有明显总结出来,佩兰后来的实验重点测了这个关系。 另外还可以从微观上郎之万方程的角度推导: https://wenku.baidu.com/view/bdc4ee315a8102d276a22fa1.html 布朗运动的意义也彰显了出来,理论上第一个随机动力学的 prototype. 此外,还有一些反常的扩散现象,表现为: 这里的 α=1 为标准扩散, α1 为 super-diffusion , α1 为 sub-diffusion 。 【高斯散度定理】 非常精妙,考虑向量场 A ( x,y,z ),相比标量场每个位置都是一个矢量,对于该体系,首先关心的量,肯定就是圈定一个范围, 静流进流出 的数值。而这个数值只跟表面有关系,跟内部没有关系,高斯散度定理从数学上说明了该直觉的严格成立。数学形式进一步启发了对 向量场 这种对象更深的认识。 凡标量场,都可以通过取梯度得到矢量场,矢量场的散度就代表了该点的有源性。从这个角度,扩散公式也就理解了。 但所有的标量场,通过取梯度得到的矢量场,都是无旋的,散度代表了该点的有源性。旋度呢? 从而拉普拉斯方程: 的解为没有静电荷的电场(向量场)的通解。 所有的磁场也都满足该方程。 【旋度】 如何理解?梯度场,相当于只考虑了垂直于包裹面方向上的数值,如果关心的是切向的数值,那么得到的就是旋度。不同于散度,得到的是个数值,旋度得到的还是矢量场,相当于取每点的切向方向, 典型例子:导线周围的磁场。 旋度是包裹区域内是否有 涡旋 的量度。矢量的大小方向,代表了涡旋的大小方向。在一个流体力学场中,应该是守恒量。 一屁解三疑: https://www.zhihu.com/question/24074028 【亥姆霍兹定理】 空间的一个矢量场由其散度、旋度和定解条件唯一确定。 https://zhuanlan.zhihu.com/p/27099823 任意一个向量场记为(P,Q,R),P,Q,R是三个分量,都是空间位置的函数,如果把向量场中的P,Q,R当做未知量的话,散度是标量能确定一个唯一的方程,旋度是矢量能确定三个方程,但实际上旋度中三个只有两个是独立的,因为三个方程的和为零,这样散度和旋度确定的话就能给出关于P,Q,R的三个方程,这样向量场也就确定了。
个人分类: 物理|2 次阅读|0 个评论
[转载]基于非线性生灭过程的股票价格一般扩散模型
pchen87 2018-3-17 23:27
改用生灭过程而非布朗运动,用于期权定价的一个重要成果,是解决期权定价的一个难题:“波动率微笑”。 曾伟的异质交易者模型的一个重要成果,是建立多种期权定价模型的统一理论,生灭过程的不同参数选择,可以过度到已知的多种期权定价的特殊模型。这是非常有意义的结果。见: 曾伟,陈平,“波动率微笑、相对偏差和交易策略——基于非线性生灭过程的股票价格一般扩散模型”,《经济学(季刊)》 , 第7卷,第4期,2008年7月,1415-1436页.
个人分类: 复杂科学|3098 次阅读|0 个评论
[转载]观察市场稳定的相对偏差,否定期权理论基础的布朗运动模型
pchen87 2018-3-17 23:18
我们把薛定谔的大数原理,从静态随机过程推广到有增长趋势的动态生灭过程,发现一个有趣的推论,即常用的三种随机过程:如果观察它们的相对偏差的时间演化,则随机游走是收敛的,布朗运动是发散的,只有生灭过程趋于常识,经验数据观察到的宏观与金融指数的相对偏差,都在一定范围内浮动,既不收敛到零,也不发散到无穷。 所以,我们2005年在剑桥大学出版社出的文集中,首次在金融危机之前预言,盲目迷信期权定价的 Blak-Scholes 模型,在操作中如果不随时调节模型参数,市场行为可能发散到动荡的程度。 见: Chen, P. “Evolutionary Economic Dynamics: Persistent Business Cycles, Disruptive Technology, and the Trade-Off between Stability and Complexity ,” in Kurt Dopfer ed., The Evolutionary Foundations of Economics, Chapter 15, pp.472-505, Cambridge University Press, Cambridge ( 2005 ). In Chen, Ping. Economic Complexity and Equilibrium Illusion: Essays on Market Instability and Macro Vitality , Chapter 3, London: Routledge (2010). 陈平的硕士生曾伟和博士生唐毅南,还分别用生灭过程建立异质性和同质性交易的期权定价模型: 曾伟,陈平,“波动率微笑、相对偏差和交易策略——基于非线性生灭过程的股票价格一般扩散模型”,《经济学(季刊)》 , 第7卷,第4期,2008年7月,1415-1436页. 唐毅南,陈平,”趋势与波动相关下的期权定价模型”,《金融评论》,2010年,第2期,1-11页。
个人分类: 复杂科学|2384 次阅读|0 个评论
[转载]经济周期理论的弗里希模型之谜
pchen87 2018-3-13 21:41
\0 经济周期理论的弗里希模型之谜: 均衡经济学和永动机模型 \0
个人分类: 复杂科学|1808 次阅读|0 个评论
球面上的布朗运动2--更简单的模拟方法
热度 1 zhongwei2284 2017-5-14 17:38
之前博文介绍过一种通过切平面模拟球面上的布朗运动的办法( 球面上的布朗运动 http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=739225do=blogid=1052159 ) , 除了这种方法之外,还有其他可以在球面上产生随机运动的方法吗?当然,其中有一种方法饶有趣味 ,我们都直到一维的圆可以通过一点与某固定点(圆心)组成的直线旋转 360 度得到,而二维球面可以利用某个圆旋转 180 度得到,那么球面也将是三维球体的赤道(三维的球到底会长成啥样??),赤道周围环绕着薄带(宽度为 E ),因而可以通过在三维球面上产生布朗粒子(已经有比较有效的办法),让产生的布朗粒子与薄带上的点对应起来,当取极限 E--0, 则得到了二维球面上的布朗运动情况了。当然,这里需要介绍的并不是这个先跑到三维球面再跑回二维球面的办法。 Fig.1 球坐标系示意图 我们都知道,二维的球面可以用球坐标系建立其角度与球面上的点的关系,即: x=rsinθcosφ y=rsinθsinφ z=rcosθ 对于单位球,半径为 1, 此时,只需要选择角度 theta 和 fai 随机变化,利用随机数,让 theta 和 fai 和平面上的 x , y 一样。当考虑二维平面的随机行走时,粒子有四种选择,分别是向上( 0,1 ),向下( -0,-1 ),向左( -1,0 ),向右( 1,0 。此时的 theta 和 fai 同样可以有类似的组合,即考虑粒子的下一步是向东走一步,或者向西,或者向北,或向南。 每次的结果位置做为新的起点位置重复此上面的操作。最终可以得到球面上的布朗运动的轨迹如 Fig.2 所示: Fig.2 球面上的布朗运动。图中, 1 为 t=4000 此的结果, 2 为 t=40000 此的结果, 3 为 t=200000 此的结果, t 为布朗粒子运动的步数(或称之为时间) 对于二维平面上的布朗运动,我们都知道在无其他干扰的情况下,是属于正常扩散的,即布朗粒子的均方位移( meansquare displacement )随着时间 t 的关系为 r^2~ t 1 其中 是求平均。 通过计算,可以得到此时的球面上布朗粒子的运动的均方位移与时间的关系见 Fig.3, Fig.3 球面上的布朗粒子的均方位移与时间的关系 啊哈,看来球面上的布朗粒子依然是正常扩散! 那么问题来了,如果球面上的布朗运动可以通过这种方法产生,那切平面的办法还有必要吗?当然,切平面的方法可以对任意的曲面都适用呢!一般情况,曲面上的点总是可以得到切平面的,如果要考虑凹凸不平的曲面上的布朗粒子的运动,我们只能用类似于切平面方法的方法了。 注1:本文只是对上篇博文(球面上的布朗运动 http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=739225do=blogid=1052159) ) 的一个补充。 注2:Fig. 1 来自网络 Reference: T. Carlsson, T. Ekholm, and C. Elvingson, “Algorithm for generating a Brownian motion on a sphere,” J. Phys. A: Math. Theor. 43 , 505001-1–10 (2010).
个人分类: 那些贝壳们|8964 次阅读|1 个评论

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2024-5-31 03:10

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部