28
Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowania •błądzenie przypadkowe, ruch Browna •równanie dyfuzji •stochastyczne równania różniczkowe Błądzenie przypadkowe w jednym wymiarze: cząstka wykonuje ruch w prawo z prawdopodobieństwem p i w lewo z prawdopodobieństwem q

Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowaniath.if.uj.edu.pl/~gudowska/dydaktyka/wyklad2.pdf · Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowania •błądzenieprzypadkowe,

  • Upload
    others

  • View
    10

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowaniath.if.uj.edu.pl/~gudowska/dydaktyka/wyklad2.pdf · Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowania •błądzenieprzypadkowe,

Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowania

•błądzenie przypadkowe, ruch Browna

•równanie dyfuzji

•stochastyczne równania różniczkowe

Błądzenie przypadkowe w jednym wymiarze: cząstka wykonuje ruch w prawo z prawdopodobieństwem p i w lewo z prawdopodobieństwem q

Page 2: Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowaniath.if.uj.edu.pl/~gudowska/dydaktyka/wyklad2.pdf · Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowania •błądzenieprzypadkowe,

2ln21ln

2

ln222

)1(2

ln21

2

)1(2

ln21

2ln)2/1(),(ln

qmN

pmNmNmNNmNmN

NmNmNNNNNmp

)(2ln21ln)

21(!ln 1 NONNNN

By using Stirling’s formula

22

,22

2

mNqlmN

mNprmNmNNpmmm

NqmmNq

NpmmNpNpq

NqmNqmNq

NpmNpmNp

qmNqpmNp

NNNmp

21ln

21

2

21ln

21

2)2ln(

21

)2

1(ln21

2

)2

1(ln21

2

ln2

ln2

2ln21ln

21),(ln

In total N steps the position m on a 1-dim lattice is achieved with the probabilityp(m,N): l steps have been performed to the left (with probability q) and r steps to the right (with probability p)! r=m+l, m+2l=N

Page 3: Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowaniath.if.uj.edu.pl/~gudowska/dydaktyka/wyklad2.pdf · Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowania •błądzenieprzypadkowe,

Expanding the logarithm,

Npqpqm

NpqmNpqNmp

yields

xOxxx

4)(

4)(

21)2ln(

21),(ln

)(21)1ln(

2

32

))((4

)()()(

4

2/1

22

2

NpONpq

pqmOmNpq

We want to approximate thedistribution in its center and up to fluctuations around the mean value,

so we can neglect the last term in theabove equation for

Npqm

NpqNmp

4)(

21exp

422),(

2

Page 4: Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowaniath.if.uj.edu.pl/~gudowska/dydaktyka/wyklad2.pdf · Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowania •błądzenieprzypadkowe,

Continuum limit...

Probability of findinga random walker in aninterval of width 2

around a position x attime t.

We require now:

x

constDtxpq

tx

2)(2

0,0

dxDtxx

Dtdxtxp

2)(

21exp

221),(

2

txpqD

tNtxmxxmx

2)(2

,

Dtxx

DtxtNxmp

2)(

21exp

222),(

2

constvtxptx

ttxpxNpmxtx

)21(2,0,0

)21(2)

21(2)(

Dtvtx

Dtxtxp

2)(

21exp

222),(

2

Page 5: Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowaniath.if.uj.edu.pl/~gudowska/dydaktyka/wyklad2.pdf · Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowania •błądzenieprzypadkowe,

With starting condition

and boundary condition),(),(),(

0),()()0,(

2

2

txpx

Dtxpx

vtxpt

txpxxp

x

txxvpDp

txxvqDq

txqxvq

txpxpv

txp

txpp

txpqD

NmqpNmppNmp

2

2

22

222

)()(

)()(

)()()1()1(

)()1()()1)(12()(2

),1(),1()1,(

A master equation for thediscrete random walker

Fokker-Planck-Smoluchowskiequation

),(1)(

2

)(),1(),(2),1(

),1(),1(),()1,(

2

2

Nmptx

D

xNmpNmpNmpD

NmpxvqNmp

xvp

tNmpNmp

Page 6: Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowaniath.if.uj.edu.pl/~gudowska/dydaktyka/wyklad2.pdf · Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowania •błądzenieprzypadkowe,

),(1)(

2)(

),1(),(2),1(

),(),1(

),1(),(),()1,(

),(1)(

2)(

),1(),(2),1(

),1(),1(),()1,(

2

2

2

2

Nmpxvq

xvp

txD

xNmpNmpNmpD

xNmpNmpvq

xNmpNmpvp

tNmpNmp

Nmptx

Dx

NmpNmpNmpD

NmpxvqNmp

xvp

tNmpNmp

Reinsert v and D

into the lastterm of eq.

Taking the continuum limit and keeping v and D constant, we arrive again at the Fick-diffusionequation!

Page 7: Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowaniath.if.uj.edu.pl/~gudowska/dydaktyka/wyklad2.pdf · Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowania •błądzenieprzypadkowe,
Page 8: Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowaniath.if.uj.edu.pl/~gudowska/dydaktyka/wyklad2.pdf · Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowania •błądzenieprzypadkowe,

Błądzenie przypadkowe z symetrycznym prawdopodobieństwemp=q=1/2 (…nieco inne rozwiązanie)

Page 9: Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowaniath.if.uj.edu.pl/~gudowska/dydaktyka/wyklad2.pdf · Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowania •błądzenieprzypadkowe,
Page 10: Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowaniath.if.uj.edu.pl/~gudowska/dydaktyka/wyklad2.pdf · Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowania •błądzenieprzypadkowe,
Page 11: Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowaniath.if.uj.edu.pl/~gudowska/dydaktyka/wyklad2.pdf · Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowania •błądzenieprzypadkowe,
Page 12: Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowaniath.if.uj.edu.pl/~gudowska/dydaktyka/wyklad2.pdf · Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowania •błądzenieprzypadkowe,
Page 13: Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowaniath.if.uj.edu.pl/~gudowska/dydaktyka/wyklad2.pdf · Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowania •błądzenieprzypadkowe,
Page 14: Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowaniath.if.uj.edu.pl/~gudowska/dydaktyka/wyklad2.pdf · Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowania •błądzenieprzypadkowe,
Page 15: Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowaniath.if.uj.edu.pl/~gudowska/dydaktyka/wyklad2.pdf · Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowania •błądzenieprzypadkowe,
Page 16: Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowaniath.if.uj.edu.pl/~gudowska/dydaktyka/wyklad2.pdf · Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowania •błądzenieprzypadkowe,
Page 17: Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowaniath.if.uj.edu.pl/~gudowska/dydaktyka/wyklad2.pdf · Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowania •błądzenieprzypadkowe,
Page 18: Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowaniath.if.uj.edu.pl/~gudowska/dydaktyka/wyklad2.pdf · Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowania •błądzenieprzypadkowe,
Page 19: Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowaniath.if.uj.edu.pl/~gudowska/dydaktyka/wyklad2.pdf · Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowania •błądzenieprzypadkowe,
Page 20: Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowaniath.if.uj.edu.pl/~gudowska/dydaktyka/wyklad2.pdf · Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowania •błądzenieprzypadkowe,
Page 21: Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowaniath.if.uj.edu.pl/~gudowska/dydaktyka/wyklad2.pdf · Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowania •błądzenieprzypadkowe,
Page 22: Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowaniath.if.uj.edu.pl/~gudowska/dydaktyka/wyklad2.pdf · Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowania •błądzenieprzypadkowe,

Simple polymer models... Random walk revisited.

Page 23: Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowaniath.if.uj.edu.pl/~gudowska/dydaktyka/wyklad2.pdf · Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowania •błądzenieprzypadkowe,
Page 24: Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowaniath.if.uj.edu.pl/~gudowska/dydaktyka/wyklad2.pdf · Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowania •błądzenieprzypadkowe,
Page 25: Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowaniath.if.uj.edu.pl/~gudowska/dydaktyka/wyklad2.pdf · Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowania •błądzenieprzypadkowe,
Page 26: Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowaniath.if.uj.edu.pl/~gudowska/dydaktyka/wyklad2.pdf · Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowania •błądzenieprzypadkowe,
Page 27: Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowaniath.if.uj.edu.pl/~gudowska/dydaktyka/wyklad2.pdf · Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowania •błądzenieprzypadkowe,

Thermodynamics....

Page 28: Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowaniath.if.uj.edu.pl/~gudowska/dydaktyka/wyklad2.pdf · Procesy stochastyczne, proste modele i zastosowania •błądzenieprzypadkowe,

F