Кіріспе

Біркелкі кеңістікті толтыру қозғалысының қасиеттері Математикада ергодизм қозғалатын жүйенің бір нүктесі, я динамикалық жүйе, я стохастикалық процесс, ақыр соңында жүйе қозғалатын кеңістіктің барлық бөліктеріне біркелкі және кездейсоқ түрде барады деген идеяны білдіреді. Бұл жүйенің орташа мінез-құлқы "типі" нүктесінің траекториясынан шығаруға болады дегенді білдіреді. Сонымен қатар, процестен алынған кездейсоқ үлгілердің жеткілікті үлкен жиынтығы бүкіл процестің орташа статистикалық қасиеттерін білдіре алады. Эргодикалық жүйе - жүйенің қасиеттері; ол жүйені кішірейтуге немесе кішірек компоненттерге бөлуге болмайтындығын білдіреді. Эргодикалық теория - ергодикалық қасиетке ие жүйелерді зерттеу. Эргодикалық жүйелер физика мен геометрияның көптеген жүйелерінде кездеседі. Бұл жалпы құбылысқа байланысты деп ұғынуға болады: бөлшектердің қозғалысы, яғни гиперболалық көптүрліліктегі геодезиялар әртүрлі болады; бұл көптүрлілік компактты болған кезде, яғни шекті мөлшерде, бұл орбиталар бірдей жалпы аумаққа оралады, ақырында бүкіл кеңістікті толтырады. Эргодикалық жүйелер күнделікті кәдімгі, кездейсоқтық туралы түсінікті қамтиды, мысалы, түтін толған бөлмені толығымен толтыруы мүмкін, немесе металл блогы бір уақытта бірдей температураға ие болуы мүмкін, немесе әділ монетаның аудармалары жартысын шығарады. Ергодизмнен күшті ұғым - бұл араластыру, оның мақсаты - сусындарды араластыру немесе тамақ пісіру ингредиенттерін араластыру сияқты араластырудың жалпы ұғымдарын математикалық сипаттау. Эргодикалықты дұрыс математикалық тұжырымдау өлшем теориясы мен динамикалық жүйелердің ресми анықтамасы негізінде құрылған, және әсіресе динамикалық жүйені сақтайтын өлшем туралы түсінікке негізделген. Эргодикалық теорияның бастауы статистикалық физикада жатыр, онда Людвиг Болцман эргодикалық гипотезаны тұжырымдады.

Бейресми түсіндірме

Эргодизм физика мен математиканың кең ауқымында кездеседі. Бұл параметрлердің барлығы ортақ математикалық сипаттамамен біріктірілген, яғни динамикалық жүйені сақтайтын өлшем. Сонымен қатар, ергодиктік процестерді стохастикалық процестер тұрғысынан түсінуге болады. Олар бір-біріне ұқсайды, бірақ таңбалау мен тілдің айырмашылығы зор.

Өлшемені сақтайтын динамикалық жүйелер

Эргодизмнің математикалық анықтамасы кездейсоқтық туралы күнделікті қарапайым ойларды тұтқындауға бағытталған. Бұған (әдетте) барлық кеңістікті толтыруға қозғалатын жүйелер туралы идеялар, мысалы диффузия және Браун қозғалысы, сондай-ақ бояуларды, сусындарды, тамақ пісіру ингредиенттерін араластыру, өнеркәсіптік процестерді араластыру, түтінге толы бөлмедегі түтін, Сатурн сақиналарындағы шаң және т.б. Математикалық негіздеме беру үшін ергодикалық жүйелерді сипаттау динамикалық жүйені сақтайтын өлшемнің анықтамасынан басталады. Бұл былай жазылады: "Керемет" деп толтырылатын жалпы кеңістік түсініледі: араластыру ыдысы, түтін толтырылған бөлме және т.б. Өлшем кеңістіктің және оның кіші кеңістіктерінің табиғи көлемін анықтайды. Қосалқы кеңістіктердің жиынтығы , ал кез келген берілген қосалқы жиынның көлемі; көлемі оның көлемі. Наивтілікпен, біреудің көтерілген күштер жиынтығы деп елестетуі мүмкін; бұл мүлдем жұмыс істемейді, өйткені кеңістіктің барлық кіші жиынтықтарының көлемі жоқ (көнекей, Банах Тарски парадокс). Сонымен, әдетте, өлшенетін кіші жиынтықтардан тұрады - бұл көлемге ие кіші жиынтықтар. Ол әрқашан Борель жиыны ретінде қабылданады - ашық жиынтықтардың қиылыстары, одақтары және жиынтық толықтырулары арқылы құралатын кіші жиынтықтардың жиынтығы; оларды әрқашан өлшенетін деп қабылдауға болады. Жүйенің уақыт эволюциясы карта арқылы сипатталады. Кейбір ішкі жиынтықтарды ескере отырып, оның картасы әдетте -дің деформацияланған нұсқасы болады. Ол қысылып немесе созылып, бүгіліп немесе бөлшектерге кесіледі. Математикалық мысалдарға нан пісіруші картасы мен ат астындағы карта жатады, екеуі де нан жасаудан шықты. Жинақтың көлемі; қысу/салу кеңістіктің көлемін өзгертпейді, тек оның үлестірілуін ғана өзгертеді. Мұндай жүйе "өлшектерді сақтау" (аумақты сақтау, көлемді сақтау) болып табылады. Нысандар көлемін картаның астында олардың көлемін сақтау қажеттілігімен үйлестіруге тырысқанда формальды қиындық туындайды. Мәселе, өйткені, жалпы алғанда, функция доменіндегі бірнеше түрлі нүктелер оның ауқымында бір нүктеге сәйкестендірілуі мүмкін; яғни, нашарлау кезінде бір нүкте өлшемі болмауы мүмкін. Бұл қиындықтарды кері картамен жұмыс істеу арқылы болдырмауға болады; ол кез келген субжиынды оны жасау үшін жиналған бөліктерге карталайды: бұл бөліктер. Әсіресе, оның маңызды қасиеттері бар, ол кез келген (өлшемені сақтайтын) картаның кейбір картаның керісі болып табылады. Көлемді сақтайтын картаның дұрыс анықтамасы - бұл барлық бөлшектерді сипаттау. Қазіргі кезде жүйелердің уақыт эволюциясын зерттеуге қызығушылық танытуда. Егер жиын ұзақ уақыт бойы барлық -ны толтыратын болса (яғни, егер барлық -ға үлкен болса), жүйе ергодикалық деп аталады. Егер әрбір жиын осылай әрекет етсе, жүйе консервативті жүйе болып табылады, ол диссипативтік жүйеге қарама-қарсы орналасады, онда кейбір кіші жиынтықтар ешқашан қайтып келмейтін жолмен кетеді. Мысал ретінде судың таудан төмен ағып кетуін алайық: бір рет төмен ағып кеткен соң, ол енді қайтып шықпайды. Алайда өзеннің түбінде пайда болатын көл жақсы араласып кетеді. Эргодикалық ыдырау теоремасы әр ергодикалық жүйені екі бөлікке бөлуге болады: консервативті бөлік және диссипативтік бөлік. Араласқан - ергодизмге қарағанда күштірек мәлімдеме. Араластыру кез келген екі жиынның арасында ғана емес, кез келген екі жиынның арасында осы ергодикалық қасиетті ұстап тұруды талап етеді. Яғни, кез келген екі жиын берілген жағдайда, жүйе (топологиялық тұрғыдан) араластырады, егер барлық және үшін бар болса, онда бар. Мұнда жиын қиылысын білдіреді және бос жиын. Араластырудың басқа ұғымдары күшті және әлсіз араластыруды қамтиды, олар аралас заттардың барлық жерде бірдей мөлшерде араласуын сипаттайды. Бұл қарапайым емес, өйткені жабысқақ, жабысқақ заттарды араластыруға тырысудың тәжірибелік тәжірибесі.

Эргодикалық процестер

Жоғарыда айтылған пікірлер физикалық көлемге қатысты. Көлем 3D кеңістіктің белгілі бір бөлігі болуы шарт емес; ол қандай да бір абстрактілік көлем болуы мүмкін. Бұл, әдетте, статистикалық жүйелерде орын алады, онда көлем (өлшем) ықтималдықпен беріледі. Жалпы көлем бірінші ықтималдылыққа сәйкес келеді. Бұл сәйкестік жұмыс істейді, өйткені ықтималдық теориясының аксиомалары өлшем теориясының аксиомаларымен бірдей; бұл Колмогоров аксиомалары. Көлемнің идеясы өте абстрактілі болуы мүмкін. Мысалы, монетаны лақтырып жіберуге болатын барлық сандардың жиынтығын қарастырайық: үсті мен артқы сандардың шексіз тізбегін. Бұл орынға 1 көлемін беру арқылы, мұндай реттіліктердің жартысы басынан басталатыны, ал жартысы құйрықтан басталатыны анық. Бұл көлемді басқаша бөлуге болады: "Менің бірінші монетаны лақтыруға мән бермеймін, бірақ олардың соңғысы "бастар" болсын деймін, содан кейін не болатыны маған маңызды емес". Бұл "қамсамаймын" және "бастар" деп жазылған жиынтық. Бұл кеңістіктің көлемі қайтадан жартысы. Жоғарыда аталғандар динамикалық жүйені тұтастай сақтау шарасын құру үшін жеткілікті. "th" орнында пайда болатын немесе пайда болатын жиынтықтарды цилиндрлік жиынтықтар деп атайды. Барлық ықтимал қиылыстар, қосылыстар мен цилиндрлер жиынтықтарының жиынтығы жоғарыда анықталған Борел жиынтығын құрайды. Формальды түрде цилиндрлер жиынтығы барлық мүмкін шексіз ұзындықтағы монеталар лақтырылу кеңістігіндегі топологияның негізін құрайды. Өлшемде адам үміттенетін барлық ақылға қонымды қасиеттер бар: цилиндрдің өлшемі 'th позициясында және 'th позициясында 1/4 және т.б. Бұл жалпыға ортақ қасиеттер жиынтық толықтыру мен жиынтық одақ үшін сақталады: барлық нәрсе және орыннан басқа және анық 3/4 көлемінде болады. Барлығы бірге, бұл сигма-қосылмалы өлшеменің аксиомаларын құрайды; динамикалық жүйелерді сақтау өлшемі әрқашан сигма-қосылмалы өлшемені қолданады. Монетаны лақтырып тастау үшін бұл өлшем Бернулли өлшемі деп аталады. Тәңкәлер тастау процесінде уақыт эволюциясы операторы - "алғашқы тәңкені лақтырып тастаңыз, қалғандарын сақтаңыз" деген ауысу операторы. Егер бұл санды монетаны қайтадан тастау тізбегі болса, онда өлшем ауысуы өзгермейтін болады: егер біз бірінші монетаны қайтадан тастау "қамқорлық етпеу" мәніне тең болса, онда көлем өзгермейді: бірінші монетаны қайтадан тастау туралы сөзді болдырмау үшін, оны бірінші позицияға "қамқорлық етпеу" мәнін енгізу ретінде анықтау оңайырақ: Бұл анықтамамен, бірде-бір шектеусіз, бұл формальды анықтамалардағы неге қолданылатынын көрсететін мысал. Жоғарыда аталған үрдіс кездейсоқ процесті, Бернулли процесін алады және оны динамикалық жүйені сақтайтын өлшемге айналдырады. Осылайша, ергодикалықтың бейресми анықтамасы - егер ол барлық; осындай тізбектер үдеріске "типік" болса, онда тізбек ергодикалық болып табылады. Тағы бір мәселе - оның статистикалық қасиеттерін процестің бірден, жеткілікті ұзақ, кездейсоқ үлгісінен шығаруға болады (осылайша барлық -ның біркелкі үлгісі) немесе процестен кездейсоқ үлгілердің кез келген жиынтығы бүкіл процестің орташа статистикалық қасиеттерін білдіруі керек (яғни біркелкі алынған үлгілер тұтастай алғанда өкілдік етеді). Бернулли процесі туралы бірнеше маңызды тұжырымдар жасалуы керек. Егер 0-ді құйрық, ал 1-ді бас деп жазсақ, онда біртіндеп сандар тізбегінің жиынтығы шығады. Бұл нақты сандардың қос негізді кеңеюіне сәйкес келеді. Бернулли процесінің ергодикалық екендігі туралы мәлімдеме нақты сандар біркелкі таралған деген мәлімдемеге тең. Барлық осындай саптардың жиынын әр түрлі жолдармен жазуға болады: Бұл жиын Cantor жиыны, кейде Cantor функциясымен шатасудан аулақ болу үшін Cantor кеңістігі деп аталады. Ақырында, олардың барлығы "бірдей нәрсе". Кантор жиыны математиканың көптеген салаларында маңызды рөл атқарады. Математиканың рекреациялық түрінде ол фракталдарды екі еселеу кезеңін қолданады; талдауда ол теоремалардың үлкен түрінде пайда болады. Стохастикалық процестер үшін бастысы - Волдтың ыдырауы, онда кез келген стационарлық процесс бір-бірімен байланысты емес процестердің жұбына ыдырай алады, біреуі детерминистік, ал екіншісі жылжымалы орташа процесс. Орнштейннің изоморфизм теоремасы әрбір стационарлық стохастикалық процесс Бернулли схемасына (N жақты (және мүмкін әділетсіз) ойынның өлшемі бар Бернулли процесі) тең деп айтады. Басқа нәтижелерге сәйкес, әр диссипативті емес ергодикалық жүйе Марков километрі...

Тарих және этимология

Эргодикалық термин әдетте ργον (эргон: "жұмыс") және ὁδός (hodos: "жол", "жол") грек сөзінен алынған деп есептеледі, оны Людвиг Болцман статистикалық механика проблемасын шешу кезінде таңдады. Сонымен қатар, бұл ергомонодтың деривациясы деп мәлімделеді, оны Болцман 1884 жылы салыстырмалы түрде белгісіз қағазда жасаған. Этимология басқа жолдармен де дауланған көрінеді. Эргодизм идеясы термодинамика саласында пайда болды, онда газ молекулаларының жеке күйлерін газдың жалпы температурасына және оның уақыт эволюциясына байланыстыру қажет болды. Мұны істеу үшін газдардың жақсы араласуы деген нені білдіретінін нақты айту керек болды, сонда термодинамикалық тепе-теңдік математикалық қатаңдықпен анықталуы мүмкін. Физикада теория жақсы дамығаннан кейін, ол тез арада ресмилендіріліп, кеңейтілді, сондықтан ергодикалық теория ұзақ уақыт бойы математиканың өз бетінше тәуелсіз саласы болды. Бұл прогрестің бір бөлігі ретінде ергодизмнің бірден көп әртүрлі анықтамасы және әр түрлі салалардағы ұғымның көптеген түсіндірмелері қатар өмір сүреді. Мысалы, классикалық физикада термин жүйенің термодинамиканың эргодикалық гипотезасын қанағаттандыратындығын білдіреді, тиісті күй кеңістігі - орын және импульс кеңістігі. Динамикалық жүйелер теориясында жай-күй кеңістігі әдетте жалпы фазалық кеңістік ретінде қабылданады. Екінші жағынан, кодтау теориясында жай-күй кеңістігі уақыт пен жай-күйде де дискретті, бір мезгілдегі құрылымы аз. Осы салалардың бәрінде уақыт орташа және ансамбль орташа идеялары қосымша багаж алып жүруге болады, өйткені физикада ансамбль орталығын айқындау үшін қолданылатын көптеген ықтимал термодинамикалық маңызды бөлу функциялары бар. Мұндай жағдайда, тұжырымдаманың теориялық формализациясы біріктіруші тәртіп ретінде қызмет етеді. 1913 жылы Мишель Планшель таза механикалық жүйе үшін ергодикалық болудың қатаң мүмкін еместігін дәлелдеді.

Физика мен геометриядағы ергодикалық

Физикадағы және геометриядағы ергодизмді қайта қарау. Барлық жағдайларда ергодизм ұғымы динамикалық жүйелер үшін дәл солай; көзқарас, белгілеу, ойлау стилі және нәтижелер жарияланатын журналдардан басқа айырмашылық жоқ. Физикалық жүйелерді үш топқа бөлуге болады: жылжымалы бөлшектерінің шекті саны бар машиналарды сипаттайтын классикалық механика, атомдардың құрылымын сипаттайтын кванттық механика және газдарды, сұйықтықтарды, қатты денелерді сипаттайтын статистикалық механика; бұл конденсацияланған материя физикасын қамтиды. Бұл төмендегідей.

Статистикалық механикада

Бұл бөлімде статистикалық механикадағы ергодикалыққа шолу жасалады. Жоғарыда келтірілген көлемнің абстрактілік анықтамасы физикадағы ергодикалық анықтамалар үшін тиісті мән ретінде қажет. Сұйық, газ, плазма немесе атомдар мен бөлшектердің басқа жиынтығын қарастырайық. Әрбір бөлшектің 3D-де орналасуы және 3D-де жылдамдығы бар, сондықтан ол алты санмен сипатталады: алты өлшемді кеңістіктегі нүкте Егер жүйеде осы бөлшектер болса, толық сипаттама сандарды қажет етеді. Кез келген жүйе - бұл физикалық жүйедегі бір ғана нүкте, ал егер ол ені, биіктігі және ұзындығы бар қорап болса, онда нүкте болады. Жылдамдықтар шексіз бола алмайды: олар қандай да бір ықтималдық өлшемімен өлшенді, мысалы, газ үшін Болцманның Гиббс өлшемі. Дегенмен, Авогадроның сандарына жақын болса, бұл өте үлкен кеңістік. Бұл кеңістік каноникалық ансамбль деп аталады. Физикалық жүйе ергодикалық деп аталады, егер жүйедегі кез келген өкілдік нүкте жүйедегі барлық көлемді аралап шықса. Жоғарыда келтірілген мысал үшін бұл кез келген атомның әр бөлікті біркелкі ықтималдықпен ғана емес, сонымен қатар бұл жылдамдық үшін Болцманның үлестірімімен берілген ықтималдықпен (осылайша, осы өлшемге қатысты біркелкі) әр мүмкін жылдамдықпен жасайтынын білдіреді. Эргодикалық гипотеза физикалық жүйелер іс жүзінде ергодикалық екенін айтады. Бірнеше уақыт шкалалары жұмыс істейді: газдар мен сұйықтықтар қысқа уақыт шкалаларында ергодикалық болып көрінеді. Қатты денедегі ергодикті тербеліс режімі немесе фонондар тұрғысынан қарастыруға болады, өйткені қатты денедегі атомдар орналасуын алмаспайды. Шынылар ергодикалық гипотезаға қарсы шығады; уақыт масштабы миллиондаған жылдарда деп болжанады, бірақ нәтижелер даулы. Спиндік шынылар ерекше қиындықтар тудырады. Статистикалық физикадағы ергодикті формалды математикалық дәлелдеу қиын; көптеген дене жүйелерінің көпшілігі математикалық дәлелдеусіз ергодикалық деп есептеледі. Ерекшеліктерге идеалдық газ немесе плазмадағы атомдардың бильярд доп тәрізді соқтығысуын үлгілейтін динамикалық бильярдтар кіреді. Бірінші қатты сфералық ергодикалық теорема Синай бильярды үшін болды, ол екі шарды қарастырады, олардың бірі бастапқыда тұрақтанған деп қабылданады. Екінші шар соқтығысқанда, ол алысқа кетеді; мерзімді шекаралық жағдайларды қолдану, содан кейін ол қайтадан соқтығысу үшін қайта оралады. Біртектілікке жүгіну арқылы "екінші" доптың осы қайтуын "тек басқа атом" деп қабылдауға болады, ол арақашықтыққа келіп, түпнұсқадағы атоммен соқтығысу үшін қозғалады (бұл тек "басқа кез келген атом" деп қабылдануы мүмкін). Бұл бар бірнеше ресми дәлелдемелердің бірі; мысалы, сұйықтықтағы атомдар үшін, ван дер Ваальс күштер арқылы өзара әрекеттесу үшін, мұндай жүйелер ергодикалық (және араласу) деп сену үшін ақылға қонымды болса да, баламалы мәлімдемелер жоқ. Алайда физикалық тұрғыдан нақтырақ дәлелдер келтіруге болады.

Қарапайым динамикалық жүйелер

Эргодикалықты формалды зерттеуге қарапайым динамикалық жүйелерді зерттеу арқылы қол жеткізуге болады. Мұнда негізгілердің кейбірін келтіреміз. Дөңгелектің иррационалды айналуы ергодикалық: нүкте орбитасы ақыр соңында дөңгелектегі барлық басқа нүктелер араланады. Мұндай айналулар интервалдық алмасу картасының ерекше жағдайы болып табылады. Санның бета-кеңейтулері ергодикалық болып табылады: нақты санның бета-кеңейтулері N базасында емес, кейбір базаларда жасалады. Бета-кеңейтудің бейнеленген нұсқасы шатыр картасы; бірлік интервалының басқа да әртүрлі ергодикалық карталары бар. Екі өлшемге көшкенде, иррационалды бұрыштармен арифметикалық бильярд ергодикалық болып табылады. Сонымен қатар, бір тегіс төртбұрышты алып, оны ұрып, кесіп, қайта құрастыруға болады; бұл бұрын айтылған нан пісірушінің картасы. Оның нүктелерін екі әріптегі бі шексіз тізбектер жиынтығымен сипаттауға болады, яғни солға да, оңға да созылады; осындай, ол Бернулли процесінің екі көшірмесіне ұқсайды. Егер біреу қысып-сүріп жатқанда бүйірінен бұрылып кетсе, Арнольдтың мысық картасын алады. Көп жағдайда мысық картасы кез келген басқа ұқсас түрлендірудің прототипі болып табылады.

Классикалық механика мен геометрияда

Эргодизм - симплектикалық және Риманндық көптүрліліктерді зерттеуде кең таралған құбылыс. Симплектикалық көптүрлілік классикалық механиканың жалпыланған жағдайын қамтамасыз етеді, онда механикалық жүйенің қозғалысы геодезиямен сипатталады. Риманның көптүрліліктері ерекше жағдай: Риманның көптүрлілігінің котангентті түйіні әрқашан симплектикалық көптүрлілік болып табылады. Атап айтқанда, Риманның көптүрлілігі бойынша геодезиялар Гамильтон-Джакоби теңдеулерінің шешімі арқылы беріледі. Кез келген иррационалды бағыттан кейінгі жалпақ тордың геодезиялық ағыны ергодикалық; бейресми түрде бұл дегеніміз, кез келген нүктеден басталатын және бүйірлеріне қатысты иррационалды бұрышпен төртбұрышта түзу сызық сызғанда, егер әр жолы бір жақты кездестіргенде, сол бұрышпен қарама-қарсы жақта басталса, сызық ақырында оң өлшемнің әрбір кіші жиынтығын кездестіреді. Жалпы, кез келген жазық бетке геодезиялық ағынның көптеген ергодикалық бағыттары бар. Жай емес беттер үшін кез келген теріс иілген компактті Риман беті геодезиялық ағыны ергодикалық болып табылады. Жер бетінің "жағымды" дегені оның бетінің шекті ауданы бар деген мағынада. Геодезиялық ағын - бұл қисық бетке "тікелей сызық" бойынша қозғалу идеясының жалпылауы: мұндай тура сызықтар геодезиялық болып табылады. Зерттелген ең алғашқы жағдайлардың бірі - Хадамардың бильярды, ол Болза бетіндегі геодезияны сипаттайды, топологиялық жағынан екі тесігі бар пончикке тең. Эргодизмді бейресми түрде көрсетуге болады, егер біреудің өткірлігі және екі тесікті пончиктің ақылға қонымды мысалы болса: кез-келген жерден, кез-келген бағытта басталып, тура сызық салуға тырысады; билеушілер осы үшін пайдалы. Адамның бастапқы нүктеге қайтып келмейтінін түсіну үшін көп уақыт қажет емес. (Әрине, бұрмалы сурет салу да бұны түсіндіре алады; сондықтан бізде дәлелдер бар.) Бұл нәтижелер жоғары өлшемдерге де қатысты. Теріс қисық компактті Риман көптүрліліктері үшін геодезиялық ағын ергодикалық болып табылады. Мұның классикалық мысалы - Аносов ағыны, ол гиперболалық көптіктегі хороцикл ағыны. Бұл Хопф фибрациясының бір түрі деп қарастыруға болады. Мұндай ағымдар әдетте классикалық механикада кездеседі, бұл физикада шекті өлшемді қозғалатын машиналарды зерттейді, мысалы, қос маятник және т.б. Классикалық механика симплектикалық көптүрліліктерге негізделген. Мұндай жүйелердегі ағымдар тұрақты және тұрақсыз көптікке бөлінуі мүмкін; әдетте, бұл мүмкін болған кезде, хаотикалық қозғалыс пайда болады. Бұл жалпы екенін Риман көптүрлілігінің котангенттік түйіні (барлық уақытта) симплектикалық көптүрлілік екенін атап өту арқылы көруге болады; геодезиялық ағын осы көптүрлілік үшін Гамильтон Жакоби теңдеулерінің шешімі арқылы беріледі. Котангенттік көпқабаттағы каноникалық координаттар тұрғысынан алғанда, гамильтониялық немесе энергия (метриялық тензордың керісі) және импульспен беріледі. Нүктелі бөлшектің кинетикалық энергиясына ұқсастығы кездейсоқ емес; осындай нәрселерді "энергия" деп атаудың мәні осы. Осы мағынада, ергодикалық орбиталардағы хаотикалық мінез-құлық геометрияның үлкен учаскелерінде аздаған жалпы құбылыс болып табылады. Эргодикалық нәтижелер трансляциялық беттерде, гиперболалық топтарда және систолалық геометрияда берілген. Техникаларға ергодикалық ағымдарды зерттеу, Хопф ыдырау және АмброзКакутаниКренгельКубо теоремасы жатады. Жүйелердің маңызды класы - Axiom A жүйелері. Бірқатар сыныптау және "санаға жатқызу" нәтижелері алынды. Орнштейннің изоморфизм теоремасы мұнда да қолданылады; тағы да, ол осы жүйелердің көпшілігі Бернулли схемасына изоморфты екенін айтады. Бұл жүйелерді ергодикалық процеске берілген ергодикалық процестің анықтамасымен бұрынғы бөлімде өте жақсы байланыстырады. Классификацияға қарсы нәтижелер динамикалық жүйелерді сақтайтын тең емес ергодикалық өлшемдердің сансыз көп екенін айтады. Бұл, мүмкін, мүлдем таңқаларлық емес, өйткені Кантор жиынтығындағы нүктелерді ұқсас, бірақ әртүрлі жүйелерді құру үшін пайдалануға болады. Классификацияға қарсы кейбір нәтижелердің қысқаша шолуы үшін динамикалық жүйені сақтау шарасын қараңыз.

Толқын механикасында

Алдыңғы бөлімдердің барлығы ергодикті өлшенетін динамикалық жүйе тұрғысынан немесе жеке бөлшектердің траекторияларының қозғалысын бақылаудың қос түсінігі бойынша қарастырды. Бұл тұжырымдамаға байланысты тұжырымдама (сызықтық емес) толқын механикасында кездеседі. Онда резонанстық өзара әрекеттесу қалыпты режимдердің араласуына мүмкіндік береді, көбінесе (бірақ әрқашан емес) жүйенің термализациясына әкеледі. Бұл жағдайда қатаң зерттелетін ең алғашқы жүйелердің бірі Фермидің Паста Улам Цинго проблемасы, әлсіз біріктірілген тербелістер тізбегі. Толас әсерлесуі толқын ортасының дисперсиялық қатынастары жалпы импульс пен жалпы энергияны сақтайтын үш немесе одан да көп қалыпты режимдердің қосындысын жасауға мүмкіндік берген кезде мүмкін болады. Бұл бір режимде шоғырланған энергияны басқа режимдерге ағызуға мүмкіндік береді, нәтижесінде энергияны барлық өзара әрекеттесетін режимдерге біркелкі бөледі. Толқындар арасындағы резонанстық өзара әрекеттесулер жоғары өлшемді хаос (яғни турбуленттілік) мен термализацияның айырмашылығына түсінік беруге көмектеседі. Қалыпты режимдер энергия мен импульсті дәл сақтайтын түрде біріктірілген кезде резонанстық өзара әрекеттесу теориясы қолданылады және энергия өзара әрекеттесетін барлық режимдерге таралады. Дисперсиялық қатынастар тек шамамен тепе-теңдікке мүмкіндік берген кезде турбуленттілік немесе хаотикалық қозғалыс пайда болады. Турбулентті режимдер энергияны араласатын режимдерге көшіре алады, ақыр соңында термализацияға әкеледі, бірақ бұған дейінгі хаотикалық қозғалыстың аралығынан бұрын емес.

Кванттық механикада

Кванттық механикаға келетін болсақ, ергодоциттілік немесе тіпті хаостың жалпы кванттық анықтамасы жоқ (кванттық хаосты қараңыз). Дегенмен, кванттық ергодикалық теорема бар, онда оператордың күтілетін мәні жартылай классикалық лимиттегі сәйкес микроканоникалық классикалық орташаға түседі. Дегенмен, теорема классикалық аналогы хаотикалық Гамильтонияның барлық өздік күйлері ерекшеліктері мен кездейсоқ екенін білдірмейді. Мысалы, кванттық ергодикалық теорема кванттық шабыт сияқты ергодикалық емес күйлердің болуын жоққа шығармайды. Әдеттегі шынайы шынайылықтан басқа, кванттық шынайылықтың тағы екі түрі бар, олар кванттық хаотикалық жүйелерде әлсіз ергодикалық бұзылуды одан әрі көрсетеді: бұзылу және көптеген денелік кванттық шынайылық.

Дискретті уақыт жүйелерінің анықтамасы

Эргодикалық өлшемдер ергодикалықты талқылаудың негізгі негіздерінің бірі болып табылады. Мұнда ресми анықтама берілген.

Өзгермейтін өлшем

Бұл өлшенетін кеңістік болсын. Егер a - өзі үшін өлшенетін функция және , -дегі ықтималдық өлшемі болса, онда динамикалық жүйені сақтайтын өлшем динамикалық жүйе ретінде анықталады, ол үшін барлық a теңдей сақталады, яғни инвариант.

Мысалдар

Ең қарапайым мысал - бұл шекті жиын және санау өлшемі. Содан кейін өз-өзіне карта сақталады егер және тек егер ол биекция болса, ал егер және тек егер тек бір орбитасы болса (яғни әрқайсысы үшін бар болса) ол ергодикалық болады. Мысалы, егер цикл ергодикалық болса, ал пермутация болмаса (оның екі инвариантты қосалқы жиынтығы бар және).

Бернулли ауысымдары мен қосалқы ауысымдары

Сандық жиынтық және өнім өлшемімен (әр фактор өзінің есептеу өлшемімен қамтамасыз етіледі) болсын. Сонда shift операторы ergodic болып табылады. Периодикалық реттіліктегі ауысу картасы үшін көптеген ергодикалық өлшемдер бар, олар шекті қолданатын өлшемдерді береді. Ең қызығы, шексіз қолданатын шексіз түрдегі субсдвигтер бар.

Ұтымды емес айналымдар

Егер бұрыштың айналуы кез келген үшін берілген болса, онда оның шекті орбиталары шексіз көп болғандықтан, Лебег өлшемі үшін ергодикалық емес болса, онда бірлік шеңбер болып табылады. Екінші жағынан, егер иррационалды болса, онда ергодикалық.

Арнольдтың мысық картасы

2 торс болсын. Кейін кез келген элемент өзіндік картаны анықтайды, өйткені Арнольдтың мысық картасы деп аталатын, ол тордағы Лебег өлшемі үшін ергодикалық.

Эргодикалық теоремалар

Егер трансформация үшін ергодикалық кеңістіктегі ықтималдық өлшемі болса, онда Г. Бирхоффтың нүктелік ергодикалық теоремасы әрбір өлшенетін функция үшін және әр нүкте үшін орбитадағы уақыт орташасы кеңістіктегі орташаға түседі. Бұл формальды түрде бұл дегенді білдіреді. Я. фон Нейманның орташа ергодикалық теоремасы квадрат интегралданған функциялардың орташа аударымы туралы ұқсас, әлсіз мәлімдеме.

Тығыз орбиталар

Эргодикалық анықтаманың тікелей салдары: топологиялық кеңістікте , егер σ - Борел жиындары алгебрасы болса, егер ол эргодикалық болса, онда оның әрбір орбитасы тіректе тығыз болады. Бұл балама емес, өйткені бірегей эргодикалық емес, бірақ толық қолдаумен эргодикалық өлшем бар түрлендіру үшін , кез келген басқа эргодикалық өлшем үшін өлшем ергодикалық емес, бірақ оның орбиталары тіректе тығыз болады. Ашық мысалдарды ауысым инвариантты өлшемдерімен құрастыруға болады.

Қажетті ергодикалық қасиет

Егер орбитасы толық өлшемі болмаса, онда трансформация ергодикалық деп аталады. Дискретті жағдайда бұл өлшем шекті орбитада қолдана алмайтынын білдіреді .

Үздіксіз уақыт динамикалық жүйелердің анықтамасы

Анықтама, негізінен, үздіксіз уақыт динамикалық жүйелер үшін бір трансформация үшін бірдей. Өлшеуге болатын кеңістік болсын және әр , онда мұндай жүйе өзі үшін өлшеуге болатын функциялардың отбасымен беріледі, сондықтан кез келген қатынас үшін (әдетте, орбита картасы да өлшеуге болады деп сұралады).

Мысалдар

Дискретті жағдайда ең қарапайым мысал - транзитивті әрекеттің, мысалы, берілген шеңбердегі әрекет - Лебег өлшемі үшін эргодикалық. Түбі шексіз көп орбиталы мысал: торста иррационалды еңіс бойымен ағыны: let және Let; егер бұл Лебег өлшемі үшін эргодикалық болса.

Ықшам метрикалық кеңістіктердегі ергодикалық

If - компактты метрикалық кеңістік, ол табиғи түрде Борел жиындары σ алгебрасымен жаратылған. Топологиядан келетін қосымша құрылым ергодикалық түрлендірулер мен өлшемдер туралы әлдеқайда егжей-тегжейлі теорияны жасауға мүмкіндік береді .

Функционалдық талдауды түсіндіру

Ергодикалық өлшемдердің өте күшті баламалы анықтамасын Банах кеңістіктерінің теориясын пайдалану арқылы беруге болады. Радонның өлшемдері Банах кеңістігін құрайды, оның ықтималдық өлшемдерінің жиынтығы - бұл құрғақ субжиын. Инвариант өлшемдер қосалқы жиынтығының үздіксіз түрленуі жабық құрғақ қосалқы жиынтығын береді, ал өлшем егер және тек егер ол осы құрғақтардың шеткі нүктесі болса, онда ергодикалық болып табылады.

Эргологиялық шаралардың болуы

Жоғарыдағы жағдайда Банах Алоглу теоремасынан әрқашанда шеткі нүктелер бар екендігі байқалады. Сондықтан компактті метрикалық кеңістіктің түрленуі әрқашан ергодикалық өлшемдерді қабылдайды.

Эргодикалық ыдырау

Жалпы алғанда, инвариант өлшем ергодикалық болуы қажет емес, бірақ Шоке теориясының салдарынан ол әрқашан ергодикалық өлшемдер жиынтығында ықтималдық өлшемінің барицентрі ретінде білдірілуі мүмкін. Бұл шараның ергодикалық ыдырау деп аталады.

Мысал

және санау шарасы ергодикалық емес. Ергодикалық өлшемдер - бұл әр түрлі ықтималдық өлшемдері, оларды әр түрлі сандық өлшемдер түрінде жазуға болады.

Тұрақты жүйелер

Осы бөлімдегі барлық нәрсе сөзбе-сөз компактті метрикалық кеңістікке немесе оның үнемі әрекет етуіне ауысады.

Бірегей ергодиктілігі

Егер жоғарыда қарастырылған мысалдарда шеңбердің иррационалды айналулары ерекше ергодикалық болса, онда трансформация ерекше ергодикалық деп аталады; ауысу карталары жоқ.

Ықтималдық интерпретация: ергодикалық процестер

Егер бір кеңістікте дискретті уақыт-стохастикалық процесс болса, онда ауысу картасы бойынша ауыспалы өзгерістердің бірлескен үлестірілуі инвариант болса, ол ергодикалық деп аталады. Бұл жоғарыда талқыланған ұғымдардың ерекше жағдайы. Ең қарапайым жағдай - жоғарыда сипатталған ауысу картасына сәйкес келетін тәуелсіз және бірдей таралған процесс. Тағы бір маңызды жағдай - Марков тізбегі, ол төменде егжей-тегжейлі қарастырылады. Осыған ұқсас түсінік үздіксіз уақытлы стохастикалық процестер үшін қолданылады, бірақ іс-әрекеттің өлшенетін құрылымы күрделірек.

Ергодикалық критерий

Егер Марков тізбегі қайталанбайтын болса, онда ауысу картасы үшін өлшем әрқашан ергодикалық болып табылады (басқа кез келген күйге кез келген басқа күйден оң ықтималдықпен шекті сандағы қадамдарда жетуге болады). Жоғарыда келтірілген гипотезалар Марков тізбегі үшін бірегей стационарлық өлшем бар екенін білдіреді. Матрицаның мәндері бойынша мұның жеткілікті шарты 1 - бұл матрицаның қарапайым өзіндік мәні және (in) -дің барлық басқа өзіндік мәндері модулі < 1 . Ықтималдық теориясында Марков тізбегі ергодикалық деп аталады, егер әр жағдайдың қосымшасы апериодты болса (қайта келу ықтималдығы оң болатын кездер бір бүтін санның көбейтіндісі емес) Бұл инвариант өлшемнің ергодикалық болуы үшін қажет емес; сондықтан Марков тізбегі үшін "эргодикалық" түсінігі мен байланысты ауысу инвариант өлшемдері әртүрлі (тізбегі үшін қатаң күшті). Сонымен қатар, критерий "егер және тек егер" болса, егер тізбектегі барлық байланысу кластары қайталанатын болса және біз барлық стационарлық шараларды қарастырамыз.

Санау шарасы

Егер барлық үшін стационарлық өлшем санау өлшем болса, онда өлшем санау өлшемдерінің көбейтіндісі болып табылады. Марков тізбегі ергодикалық, сондықтан жоғарыдағы ауысу мысалы критерийдің ерекше жағдайы болып табылады.

Эргодикалық емес Марков тізбектері

Қайталанатын байланысу кластары бар Марков тізбектері қайталанбайтын емес, ергодикалық емес және мұны бірден келесідей көруге болады. Егер екі түрлі қайталанатын байланысу кластары болса, онда нөлден басқа стационарлық өлшемдер тиісінше және қосалқы жиынтықтарға негізделген және екеуі де ауытқу инвариантты және инвариантты ықтималдық өлшеміне 1.2 өлшемді. Бұған өте қарапайым мысал - матрица берген тізбек (екі мемлекет де стационарлық).

Жалпылау

Эргодикалық сипаттама топтық әрекеттер үшін де мағыналы. Классикалық теория (айнымалы түрлендірулер үшін) немесе Абельдік емес топтар үшін тіпті тығыз метрикалық кеңістіктерде де инварианттық шаралар болмауы мүмкін. Алайда, ергодикалық анықтаманы өзгертпей, егер инвариантты өлшемдерді квази инвариантты өлшемдермен алмастырса, өзгермейді. Маңызды мысалдар - жартылай қарапайым Лай тобының (немесе ондағы тордың) Фурстенберг шекарасындағы әрекеті. Өлшеуге болатын баламалы қатынас, егер барлық қаныққан қосалқы жиынтықтар нөлдік немесе конулды болса, ол ергодикалық деп аталады.