Введение
В физике и математике случайное поле — это случайная функция, определенная на произвольной области (обычно многомерном пространстве, таком как ). Иными словами, это функция, принимающая случайное значение в каждой точке (или в другой области определения). Иногда случайное поле рассматривается как синоним стохастического процесса с определенными ограничениями на множество индексов. Таким образом, согласно современным определениям, случайное поле является обобщением стохастического процесса, в котором базовый параметр не обязательно должен быть вещественным или целым числом, представляющим "время", а может принимать значения, являющиеся многомерными векторами или точками на некотором многообразии.
Формальное определение
При заданном вероятностном пространстве, случайное поле, принимающее значения в X, представляет собой совокупность случайных переменных, принимающих значения в X, индексированных элементами топологического пространства T. То есть, случайное поле F – это совокупность, где каждая является случайной переменной, принимающей значения в X.
where each is an X valued random variable.
Примеры
В дискретной версии случайным полем является список случайных чисел, индексы которых идентифицируются с дискретным набором точек в пространстве (например, n-мерное евклидово пространство). Предположим, что есть четыре случайные переменные, , , и , расположенные в 2D-сетке в точках (0,0), (0,2), (2,2) и (2,0) соответственно. Предположим, что каждая случайная переменная может принимать значение 1 или -1, и вероятность значения каждой случайной переменной зависит от ее непосредственных соседей. Это простой пример дискретного случайного поля. В более общем случае значения, которые каждый может принимать, могут быть определены в непрерывной области. В более крупных сетках также может быть полезно рассматривать случайное поле как "функцию, возвращающую значения", случайную переменную, как описано выше. В квантовой теории поля это понятие обобщается до случайного функционала, который принимает случайные значения в пространстве функций (см. интеграл Фейнмана). Существует несколько видов случайных полей, в том числе случайные поля Маркова (MRF), случайные поля Гиббса, условные случайные поля (CRF) и гауссовские случайные поля. В 1974 году Джулиан Бесаг предложил метод аппроксимации, основанный на связи между MRF и случайными полями Гиббса.
Приложения
При использовании в естественных науках значения в случайном поле часто пространственно коррелируют. Например, соседние значения (то есть значения с соседними индексами) не отличаются так сильно, как значения, расположенные на большем расстоянии друг от друга. Это пример ковариационной структуры, многие различные типы которой могут быть смоделированы в случайном поле. Одним из примеров является модель Изинга, где иногда взаимодействия ближайших соседей включаются лишь как упрощение для лучшего понимания модели. Распространенное применение случайных полей – генерация компьютерной графики, особенно для имитации естественных поверхностей, таких как вода и земля. Случайные поля также используются в моделях подземных сред, а также в нейробиологии, в частности, в исследованиях функциональной визуализации мозга, связанных с выполнением задач, с использованием ПЭТ или фМРТ, где статистический анализ случайных полей является одной из распространенных альтернатив коррекции на множественные сравнения для выявления областей с действительно значимой активацией. Они также применяются в задачах машинного обучения (см. графические модели).
In neuroscience, particularly in task related functional brain imaging studies using PET or fMRI, statistical analysis of random fields are one common alternative to correction for multiple comparisons to find regions with truly significant activation. They are also used in machine learning applications (see graphical models).
Случайные поля с тензорами
Случайные поля широко используются при изучении природных процессов методом Монте-Карло, где случайные поля соответствуют естественным пространственно-изменяющимся свойствам. Это приводит к тензорным случайным полям, в которых ключевую роль играет статистический объемный элемент (СВЭ) – пространственная область, в пределах которой свойства могут быть усреднены; когда СВЭ становится достаточно большим, его свойства становятся детерминированными, и получается репрезентативный объемный элемент (РВЭ) детерминированной физики континуума. Второй тип случайных полей, возникающих в теориях континуума, относится к зависимым величинам (температура, перемещение, скорость, деформация, вращение, объемные и поверхностные силы, напряжение и т.д.).