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.

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).

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.).