Введение
Свойство движения, равномерно заполняющего пространство В математике эргодичность выражает идею о том, что точка движущейся системы, будь то динамическая система или стохастический процесс, в конечном итоге посетит все части пространства, в котором движется система, в равномерном и случайном смысле. Это подразумевает, что среднее поведение системы может быть выведено из траектории "типичной" точки. Аналогичным образом, достаточно большая коллекция случайных выборок из процесса может представлять средние статистические свойства всего процесса. Эргодичность - это свойство системы; это утверждение о том, что система не может быть уменьшена или разложена на более мелкие компоненты. Эргодическая теория - это изучение систем, обладающих эргодичностью. Эргодические системы встречаются в широком диапазоне систем в физике и геометрии. Это можно примерно понять как общее явление: движение частиц, то есть геодезики на гиперболическом многообразии, расходятся; когда этот многообразие компактно, то есть конечного размера, эти орбиты возвращаются к той же общей области, в конечном итоге заполняя все пространство. Эргодические системы захватывают здравый смысл, повседневные представления о случайности, такие, что дым может заполнить всю комнату, или что металл может в конечном итоге иметь одинаковую температуру, или что бросание монеты может привести к тому, что в половине случаев получится голова и хвост. Более сильная концепция, чем эргодичность, - это смешивание, целью которого является математическое описание понятий смешивания, таких как смешивание напитков или смешивание ингредиентов для приготовления пищи. Правильная математическая формулировка эргодичности основана на формальных определениях теории мер и динамических систем, и скорее на понятии меры, сохраняющей динамическую систему. Истоки эргодичности лежат в статистической физике, где Людвиг Болцман сформулировал эргодическую гипотезу.
In mathematics, ergodicity expresses the idea that a point of a moving system, either a dynamical system or a stochastic process, will eventually visit all parts of the space that the system moves in, in a uniform and random sense. This implies that the average behavior of the system can be deduced from the trajectory of a "typical" point. Equivalently, a sufficiently large collection of random samples from a process can represent the average statistical properties of the entire process. Ergodicity is a property of the system; it is a statement that the system cannot be reduced or factored into smaller components. Ergodic theory is the study of systems possessing ergodicity. Ergodic systems occur in a broad range of systems in physics and in geometry. This can be roughly understood to be due to a common phenomenon: the motion of particles, that is, geodesics on a hyperbolic manifold are divergent; when that manifold is compact, that is, of finite size, those orbits return to the same general area, eventually filling the entire space. Ergodic systems capture the common sense, every day notions of randomness, such that smoke might come to fill all of a smoke filled room, or that a block of metal might eventually come to have the same temperature throughout, or that flips of a fair coin may come up heads and tails half the time. A stronger concept than ergodicity is that of mixing, which aims to mathematically describe the common sense notions of mixing, such as mixing drinks or mixing cooking ingredients. The proper mathematical formulation of ergodicity is founded on the formal definitions of measure theory and dynamical systems, and rather specifically on the notion of a measure preserving dynamical system. The origins of ergodicity lie in statistical physics, where Ludwig Boltzmann formulated the ergodic hypothesis.
Неофициальное объяснение
Эргодичность встречается в широких настройках в физике и математике. Все эти параметры объединены общим математическим описанием, то есть мера, сохраняющая динамическую систему. Эквивалентно, эргодичность может быть понята с точки зрения стохастических процессов. Они одно и то же, несмотря на то, что используют кардинально разные обозначения и язык.
Динамические системы сохранения мер
Математическое определение эргодичности направлено на то, чтобы уловить обычные повседневные идеи о случайности. Это включает в себя идеи о системах, которые движутся таким образом, чтобы (в конечном итоге) заполнить все пространство, такие как диффузия и движение Брауна, а также понятия о смешивании, такие как смешивание красок, напитков, ингредиентов для приготовления пищи, промышленный процесс смешивания, дым в комнате, заполненной дымом, пыль в кольцах Сатурна и так далее. Для обеспечения прочной математической основы описания эргодических систем начинаются с определения меры, сохраняющей динамическую систему. Это написано как "Набор" понимается как общее пространство, которое должно быть заполнено: миксерная чаша, комната, заполненная дымом и т. д. Считается, что мера определяет естественный объем пространства и его подпространств. Коллекция подпространств обозначается , а размер любого данного подмножества - ; размер - его объем. Наивно можно представить, что это множество сил; это не совсем работает, так как не все подмножества пространства имеют объем (известный, парадокс Банаха Тарского). Таким образом, условно, состоит из измеримых подмножеств - подмножеств, которые имеют объем. Всегда принимается, что это множество Бореля - это совокупность подмножеств, которые могут быть построены путем принятия пересечений, союзов и комплементов открытых множеств; их всегда можно считать измеримыми. Временная эволюция системы описывается картой. При наличии некоторого подмножества, ее карта будет, как правило, деформированной версией , она будет придавлена или растянута, сложена или разрезана на куски. Математические примеры включают в себя карту пекаря и карту подковы, обе вдохновленные хлебопечением. Комплект должен иметь такой же объем, как и; придавление/растяжение не изменяет объем пространства, а только его распределение. Такая система - "сохранение мер" (сохранение площади, сохранение объема). Формальная трудность возникает, когда пытается примирить объем множеств с необходимостью сохранить их размер под картой. Проблема возникает потому, что, в общем, несколько различных точек в области функции могут отображаться в одной и той же точке в ее диапазоне; то есть, может быть, что с хуже, одна точка не имеет размера. Эти трудности можно избежать, работая с обратной картой; она будет отображать любое данное подмножество к частям, которые были собраны, чтобы сделать его: эти части являются. Более того, он имеет важное свойство, что любая (сберегающая меру) карта является обратной какой-либо карты. Правильное определение карты с сохранением объема - это та, для которой, поскольку описывает все части, которые пришли. Сейчас интересуется изучением эволюции системы во времени. Если множество в конечном итоге заполняет все из в течение длительного периода времени (то есть, если приближается к всему из для больших), система называется эргодической. Если каждый набор ведет себя таким образом, система является консервативной системой, в противоположность диссипативной системе, где некоторые подмножества блуждают, никогда не возвращаясь. Примером может служить вода, текущая вниз по склону: если она однажды спустится вниз, она никогда не поднимется снова. Однако озеро, образующееся на дне этой реки, может хорошо смешиваться. Теорема эргодического разложения гласит, что каждую эргодическую систему можно разделить на две части: консервативную часть и диссипативную часть. Смешивание - это более сильное утверждение, чем эргодичность. Смешивание требует, чтобы это эргодическое свойство было между любыми двумя множествами , а не только между некоторыми множествами и То есть, при любых двух множествах , система называется (топологически) смешивающейся, если есть целое число, такое, что для всех и , у нас есть это Здесь, обозначает пересечение множества и является пустым множеством. Другие понятия смешивания включают сильное и слабое смешивание, которые описывают понятие о том, что смешанные вещества смешиваются повсюду в одинаковой пропорции. Это может быть не тривиальным, как показывает практический опыт попыток смешивать липкие, липкие вещества.
The set is understood to be the total space to be filled: the mixing bowl, the smoke filled room, etc. The measure is understood to define the natural volume of the space and of its subspaces. The collection of subspaces is denoted by , and the size of any given subset is ; the size is its volume. Naively, one could imagine to be the power set of ; this doesn't quite work, as not all subsets of a space have a volume (famously, the Banach Tarski paradox). Thus, conventionally, consists of the measurable subsets—the subsets that do have a volume. It is always taken to be a Borel set—the collection of subsets that can be constructed by taking intersections, unions and set complements of open sets; these can always be taken to be measurable. The time evolution of the system is described by a map Given some subset , its map will in general be a deformed version of – it is squashed or stretched, folded or cut into pieces. Mathematical examples include the baker's map and the horseshoe map, both inspired by bread making. The set must have the same volume as ; the squashing/stretching does not alter the volume of the space, only its distribution. Such a system is "measure preserving" (area preserving, volume preserving). A formal difficulty arises when one tries to reconcile the volume of sets with the need to preserve their size under a map. The problem arises because, in general, several different points in the domain of a function can map to the same point in its range; that is, there may be with Worse, a single point has no size. These difficulties can be avoided by working with the inverse map ; it will map any given subset to the parts that were assembled to make it: these parts are It has the important property of not losing track of where things came from. More strongly, it has the important property that any (measure preserving) map is the inverse of some map The proper definition of a volume preserving map is one for which because describes all the pieces parts that came from. One is now interested in studying the time evolution of the system. If a set eventually comes to fill all of over a long period of time (that is, if approaches all of for large ), the system is said to be ergodic. If every set behaves in this way, the system is a conservative system, placed in contrast to a dissipative system, where some subsets wander away, never to be returned to. An example would be water running downhill: once it's run down, it will never come back up again. The lake that forms at the bottom of this river can, however, become well mixed. The ergodic decomposition theorem states that every ergodic system can be split into two parts: the conservative part, and the dissipative part. Mixing is a stronger statement than ergodicity. Mixing asks for this ergodic property to hold between any two sets , and not just between some set and That is, given any two sets , a system is said to be (topologically) mixing if there is an integer such that, for all and , one has that Here, denotes set intersection and is the empty set. Other notions of mixing include strong and weak mixing, which describe the notion that the mixed substances intermingle everywhere, in equal proportion. This can be non trivial, as practical experience of trying to mix sticky, gooey substances shows.
Эргодические процессы
Вышеприведенное обсуждение обращается к физическому смыслу объема. Объем не должен быть буквально какой-то частью 3D пространства; это может быть какой-то абстрактный объем. Это обычно происходит в статистических системах, где объем (мер) дается вероятностью. Общий объем соответствует вероятности 1. Это соответствие работает, потому что аксиомы теории вероятности идентичны аксиомам теории измерений; это аксиомы Колмогорова. Идея объема может быть очень абстрактной. Рассмотрим, например, множество всех возможных подбрасываний монеты: множество бесконечных последовательностей голов и хвостов. Присвоение объема 1 этому пространству, ясно, что половина всех таких последовательностей начинается с головы, а половина начинается с хвоста. Можно разделить этот объем и другими способами: можно сказать: "Мне не важно, что произойдет с первым броском монеты, но я хочу, чтобы вторые были головой, и мне не важно, что будет после этого". Это можно записать как множество, где "не волнует" и "главы". Объем этого пространства снова равен половине. Вышеизложенного достаточно для создания меры, сохраняющей динамическую систему в целом. Набор или встречающиеся в '-м месте называются цилиндрические наборы. Совокупность всех возможных пересечений, соединений и дополнений цилиндровых множеств образует тогда вышеупомянутое множество Бореля. Формально, цилиндрические наборы образуют основу для топологии на пространстве всех возможных бесконечных длин подбрасываний монет. Умерение имеет все свойства здравого смысла, которые можно было бы надеяться: размер цилиндра, установленного в "м положении, и в "м положении, очевидно, 1/4, и так далее. Эти свойства здравого смысла сохраняются для комплемента множества и союза множества: все, кроме и в местах, и, очевидно, имеет объем 3/4. Все вместе они образуют аксиомы сигма-аддитивной меры; мера, сохраняющая динамические системы, всегда использует сигма-аддитивные меры. Для подбрасывания монеты эта мера называется мера Бернулли. Для процесса подбрасывания монеты, оператор эволюции времени - это оператор сдвига, который говорит "отбросьте первый подброс монеты, и оставьте остальные". Формально, если это последовательность подбрасывания монет, то мера очевидно является сдвигом инвариантной: пока мы говорим о некотором наборе, где первый подброс монеты является значением "не забочусь", то объем не меняется: Чтобы избежать разговора о первом подбросе монеты, его легче определить как вставку значения "не забочусь" в первое положение: с этим определением, очевидно, что без ограничений на Это снова пример того, почему используется в формальных определениях. Вышеуказанное развитие принимает случайный процесс, процесс Бернулли, и преобразует его в меру, сохраняющую динамическую систему. То же преобразование (эквивалентность, изоморфизм) может быть применено к любому стохастическому процессу. Таким образом, неофициальное определение эргодности заключается в том, что последовательность является эргодической, если она посещает все; такие последовательности являются "типичными" для процесса. Другой - то, что его статистические свойства могут быть выведены из одной, достаточно длинной случайной выборки процесса (таким образом, равномерно выборка всех ), или что любая коллекция случайных выборков из процесса должна представлять средние статистические свойства всего процесса (то есть, выборки, выбранные равномерно, являются представителями в целом). В данном примере последовательность подбрасывания монет, где половина - головы, а половина - хвосты, является "типичной" последовательностью. Есть несколько важных моментов, которые следует сделать о процессе Бернулли. Если записать 0 для хвоста и 1 для головы, то получится множество всех бесконечных строк двоичных цифр. Они соответствуют расширению действительных чисел в основном два. Явно, при данной последовательности , соответствующее реальное число является утверждение, что процесс Бернулли является эргодическим, эквивалентно утверждению, что реальные числа равномерно распределены. Множество всех таких строк может быть записано различными способами: Это множество - множество Кантора, иногда называемое пространством Кантора, чтобы избежать путаницы с функцией Кантора. В конце концов, все они "одинаковы". Множество Кантора играет ключевую роль во многих областях математики. В рекреационной математике он лежит в основе периодов двойных ...
The statement that the Bernoulli process is ergodic is equivalent to the statement that the real numbers are uniformly distributed. The set of all such strings can be written in a variety of ways: This set is the Cantor set, sometimes called the Cantor space to avoid confusion with the Cantor function
In the end, these are all "the same thing". The Cantor set plays key roles in many branches of mathematics. In recreational mathematics, it underpins the period doubling fractals; in analysis, it appears in a vast variety of theorems. A key one for stochastic processes is the Wold decomposition, which states that any stationary process can be decomposed into a pair of uncorrelated processes, one deterministic, and the other being a moving average process. The Ornstein isomorphism theorem states that every stationary stochastic process is equivalent to a Bernoulli scheme (a Bernoulli process with an N sided (and possibly unfair) gaming die). Other results include that every non dissipative ergodic system is equivalent to the Markov odometer, sometimes called an "adding machine" because it looks like elementary school addition, that is, taking a base N digit sequence, adding one, and propagating the carry bits. The proof of equivalence is very abstract; understanding the result is not: by adding one at each time step, every possible state of the odometer is visited, until it rolls over, and starts again. Likewise, ergodic systems visit each state, uniformly, moving on to the next, until they have all been visited. Systems that generate (infinite) sequences of N letters are studied by means of symbolic dynamics. Important special cases include subshifts of finite type and sofic systems.
История и этимология
Термин эргодический обычно считается производным от греческих слов ργον (ergon: "работа") и ὁδός (hodos: "путь", "путь"), как выбрал Людвиг Болцман, когда он работал над проблемой в статистической механике. В то же время утверждается, что это также является производным от ergomonode, придуманным Болцманом в относительно неясной статье 1884 года. Этимология, по-видимому, оспаривается и другими способами. Идея эргодичности родилась в области термодинамики, где необходимо было соотнести отдельные состояния молекул газа с температурой газа в целом и его временной эволюцией. Для этого необходимо было определить, что именно означает хорошо смешивание газов, чтобы термодинамическое равновесие можно было определить с математической строгостью. Как только теория была хорошо развита в физике, она была быстро формализована и расширена, так что эргодическая теория уже давно является самостоятельной областью математики. В рамках этого прогресса сосуществует более одного немного отличающегося определения эргодности и множество интерпретаций концепции в разных областях. Например, в классической физике термин подразумевает, что система удовлетворяет эргодической гипотезе термодинамики, соответствующее пространство состояния - это пространство положения и импульса. В теории динамических систем пространство состояний обычно принимается как более общее фазовое пространство. С другой стороны, в теории кодирования пространство состояний часто дискретно как во времени, так и в состоянии, с меньшей сопутствующей структурой. Во всех этих областях идеи временного среднего и среднего ансамбля также могут нести дополнительный багаж, как это происходит со многими возможными термодинамически значимыми функциями разделения, используемыми для определения средних ансамбля в физике, опять же. В качестве такой меры теоретическая формализация концепции также служит объединяющей дисциплиной. В 1913 году Мишель Планшель доказал строгую невозможность эргодности для чисто механической системы.
Эргодичность в физике и геометрии
Далее следует обзор эргодичности в физике и геометрии. Во всех случаях понятие эргодичности точно такое же, как и для динамических систем; нет никакой разницы, за исключением перспектив, обозначения, стиля мышления и журналов, в которых публикуются результаты. Физические системы можно разделить на три категории: классическая механика, которая описывает машины с конечным числом движущихся частей, квантовая механика, которая описывает структуру атомов, и статистическая механика, которая описывает газы, жидкости, твердые тела; это включает в себя физику конденсированной материи. Они представлены ниже.
В статистической механике
В этом разделе рассматривается эргодичность в статистической механике. Вышеуказанное абстрактное определение объема требуется в качестве подходящей конфигурации для определений эргодичности в физике. Возьмем, к примеру, сосуд с жидкостью, газом, плазмой или другим совокуплением атомов или частиц. Каждая частица имеет 3D-позицию и 3D-скорость, и поэтому описывается шестью числами: точка в шестимерном пространстве Если в системе есть эти частицы, для полного описания требуются числа. Любая система - это всего лишь одна точка в физической системе, конечно, не все из; если это коробка ширины, высоты и длины, то точка находится в Ни скорости не могут быть бесконечными: они масштабируются некоторой мерой вероятности, например, мера Болцмана Гиббса для газа. Тем не менее, для числа близкого к числу Авогадро это, очевидно, очень большое пространство. Это пространство называется каноническим ансамблем. Физическая система считается эргодической, если любая представительная точка системы в конечном итоге посещает весь объем системы. Для приведенного выше примера это подразумевает, что любой атом не только посещает каждую часть ящика с единообразной вероятностью, но делает это с каждой возможной скоростью, с вероятностью, данной распределением Болцмана для этой скорости (так, единообразной по отношению к этой мере). Эргодическая гипотеза утверждает, что физические системы на самом деле являются эргодическими. Работают несколько временных масштабов: газы и жидкости, по-видимому, являются эргодическими в короткие временные масштабы. Эргодичность в твердом веществе может рассматриваться с точки зрения вибрационных режимов или фононов, поскольку очевидно, что атомы в твердом веществе не обмениваются местами. Очки представляют собой вызов эргодической гипотезе; временные масштабы, как предполагается, составляют миллионы лет, но результаты спорны. Особые трудности возникают при использовании спин-очищателей. Формальные математические доказательства эргодичности в статистической физике трудно найти; большинство высокомерных систем многих тел считаются эргодическими без математических доказательств. Исключением являются динамические бильярды, которые моделируют столкновения атомов в идеальном газе или плазме. Первая твердая теория эргодичности сферы была для бильярда Синая, которая рассматривает два шара, один из которых принимается как неподвижный, в начале. Когда второй шар сталкивается, он отходит; применяя периодические граничные условия, он затем возвращается, чтобы столкнуться снова. Обращаясь к однородности, это возвращение "второго" шара может быть принято как "просто какой-то другой атом", который вошел в диапазон и движется, чтобы столкнуться с атомом в исходном положении (который может быть принят как просто "любой другой атом"). Это одно из немногих формальных доказательств, которые существуют; нет эквивалентных утверждений, например, для атомов в жидкости, взаимодействующих через силы Ван-дер-Ваальса, даже если было бы разумным полагать, что такие системы являются эргодическими (и смешиваются). Однако можно привести более точные физические аргументы.
Простые динамические системы
Формальное изучение эргодичности может быть подхвачено путем изучения довольно простых динамических систем. Некоторые из основных перечислены здесь. Иррациональное вращение круга является эргодическим: орбита точки такова, что в конечном итоге посещается каждая другая точка в круге. Такие вращения являются особым случаем интервальной карты обмена. Бета-расширения числа являются эргодическими: бета-расширения реального числа выполняются не в базе N, а в базе для некоторых отраженная версия бета-расширения - это тентовая карта; существует множество других эргодических карт единичного интервала. Переходя к двум измерениям, арифметический бильярд с иррациональными углами является эргодическим. Можно также взять плоский прямоугольник, раздавить его, разрезать и собрать; это карта пекаря, упомянутая ранее. Его точки можно описать множеством би бесконечных строк в двух буквах, то есть, простирающихся как влево, так и вправо; как таковые, они выглядят как две копии процесса Бернулли. Если один из них деформируется в сторону во время раздавливания, то получается карта кошки Арнольда. В большинстве случаев карта кошки является прототипом любого другого подобного преобразования.
В классической механике и геометрии
Эргодичность является широко распространенным явлением в изучении симплектических разнообразий и Римановских разнообразий. Симплектические многообразия обеспечивают обобщенную обстановку для классической механики, где движение механической системы описывается геодезическим. Римановские многообразия являются особым случаем: котангентный пучок Римановского многообразия всегда является симплектическим многообразием. В частности, геодезические линии на римановском многообразии даны решением уравнений ГамильтонаДжакоби. Геодезический поток плоского тора, следующего за любым иррациональным направлением, является эргодическим; неофициально это означает, что при рисовании прямой линии в квадрате, начинающейся в любой точке, и с иррациональным углом по отношению к сторонам, если каждый раз, когда встречается сторона, начинается с противоположной стороны с тем же углом, линия в конечном итоге встретит каждое подмножество положительной меры. Более общим образом на любой плоской поверхности существует много эргодических направлений для геодезического потока. Для неплоских поверхностей можно сказать, что геодезический поток любой отрицательно изогнутой компактной поверхности Римана является эргодическим. Поверхность "компактна" в том смысле, что имеет конечную площадь поверхности. Геодезический поток является обобщением идеи движения по "прямой линии" на изогнутой поверхности: такие прямые линии являются геодезическими. Одним из самых ранних изученных случаев является бильярд Хадамара, который описывает геодезику на поверхности Болзы, топологически эквивалентную пончику с двумя отверстиями. Эргодичность может быть продемонстрирована неофициально, если у человека есть снайпер и какой-то разумный пример двух отверстий пончика: начиная где-либо, в любом направлении, человек пытается нарисовать прямую линию; правители полезны для этого. Не нужно много времени, чтобы понять, что не вернешься к началу. (Конечно, кривые рисунки также могут объяснить это; поэтому у нас есть доказательства.) Эти результаты распространяются на более высокие измерения. Геодезический поток для отрицательно изогнутых компактных римановских многообразий является эргодическим. Классическим примером этого является поток Аносова, который представляет собой поток гороцикла на гиперболическом разнообразии. Это может быть видно как виды фибрации Хопфа. Такие потоки обычно встречаются в классической механике, которая является исследованием в физике конечных измерений движущихся машин, например, двойного маятника и т. д. Классическая механика построена на симплектических многообразиях. Потоки в таких системах могут быть деконструированы на стабильные и нестабильные коллекторы; как правило, когда это возможно, в результате возникает хаотическое движение. Общность этого можно увидеть, отметив, что котангентная пучка Римановского многообразия (всегда) является симплектическим многообразием; геодезический поток дается решением уравнений ГамильтонаДжакоби для этого многообразия. В терминах канонических координат на котангентном многообразии, гамильтоновский или энергия дается с (обратной стороны) метрического тензора и импульса. Сходство с кинетической энергией точечной частицы вряд ли случайно; в этом и есть смысл называть такие вещи "энергией". В этом смысле хаотическое поведение с эргодическими орбитами является более или менее общим явлением на больших участках геометрии. Результаты эргодичности были представлены в трансляционных поверхностях, гиперболических группах и систолической геометрии. Методы включают изучение эргодических потоков, распад Хопфа и теорему Амброза Какутани Кренгеля Кубо. Важным классом систем являются системы Аксиомы А. Получен ряд результатов как классификации, так и "анти-классификации". Здесь также применима теорема об изоморфизме Орнштейна; опять же, она утверждает, что большинство этих систем изоморфны по какой-то схеме Бернулли. Это довольно аккуратно связывает эти системы с определением эргодности, данным для стохастического процесса в предыдущем разделе. Результаты антиклассификации указывают на то, что существует более чем бесконечное число неэквивалентных мер эргодики, сохраняющих динамические системы. Это, возможно, не совсем удивительно, так как можно использовать точки в наборе Кантора для построения похожих, но разных систем. См. меру сохранения ...
with the (inverse of the) metric tensor and the momentum. The resemblance to the kinetic energy of a point particle is hardly accidental; this is the whole point of calling such things "energy". In this sense, chaotic behavior with ergodic orbits is a more or less generic phenomenon in large tracts of geometry. Ergodicity results have been provided in translation surfaces, hyperbolic groups and systolic geometry. Techniques include the study of ergodic flows, the Hopf decomposition, and the Ambrose–Kakutani–Krengel–Kubo theorem. An important class of systems are the Axiom A systems. A number of both classification and "anti classification" results have been obtained. The Ornstein isomorphism theorem applies here as well; again, it states that most of these systems are isomorphic to some Bernoulli scheme. This rather neatly ties these systems back into the definition of ergodicity given for a stochastic process, in the previous section. The anti classification results state that there are more than a countably infinite number of inequivalent ergodic measure preserving dynamical systems. This is perhaps not entirely a surprise, as one can use points in the Cantor set to construct similar but different systems. See measure preserving dynamical system for a brief survey of some of the anti classification results.
В волновой механике
Все предыдущие разделы рассматривали эргодичность либо с точки зрения измеримой динамической системы, либо с двойного понятия отслеживания движения траекторий отдельных частиц. Тесно связанная концепция встречается в (нелинейной) волновой механике. Там резонансное взаимодействие позволяет смешивать нормальные режимы, часто (но не всегда) приводя к окончательной термализации системы. Одной из самых ранних систем, которая была тщательно изучена в этом контексте, является проблема ФермиПастаУламЦингоу, цепочка слабо связанных осцилляторов. Резонансное взаимодействие возможно всякий раз, когда отношения дисперсии для волновой среды позволяют суммировать три или более нормальных режима таким образом, чтобы сохранить как общий импульс, так и общую энергию. Это позволяет энергии, сконцентрированной в одном режиме, переходить в другие режимы, в конечном итоге распределяя эту энергию равномерно во всех взаимодействующих режимах. Резонансные взаимодействия между волнами помогают понять разницу между высокомерным хаосом (то есть турбулентностью) и термализацией. Когда нормальные режимы могут быть объединены так, что энергия и импульс точно сохраняются, тогда применяется теория резонансных взаимодействий, и энергия распространяется на все взаимодействующие режимы. Когда дисперсные отношения позволяют только приблизительный баланс, возникают турбулентность или хаотическое движение. Турбулентные режимы могут затем передавать энергию в режимы, которые смешиваются, в конечном итоге приводя к термализации, но не до предшествующего интервала хаотического движения.
В квантовой механике
Что касается квантовой механики, то нет универсального квантового определения эргодоцита или даже хаоса (см. квантовый хаос). Однако существует квантовая теорема эргодичности, утверждающая, что ожидаемое значение оператора сходится с соответствующей микроканонической классической средней в полуклассическом пределе. Тем не менее, теорема не подразумевает, что все собственные состояния гамильтоновского, классический аналог которого хаотичен, являются особенностями и случайными. Например, теорема квантовой эргодичности не исключает существование неэргодических состояний, таких как квантовые шрамы. В дополнение к обычному рубцеванию существуют два других типа квантовых рубцов, которые дополнительно иллюстрируют слабое нарушение эргодичности в квантовых хаотических системах: возмущение, вызванное и многие квантовые рубцы тела.
Определение дискретных систем времени
Эргодические меры являются одним из краеугольных камней, с которыми обычно обсуждается эргодичность. Далее следует формальное определение.
Неизменная мера
Пусть будет измеримое пространство. Если является измеримой функцией от к самому себе и вероятностной мерой на , то мера, сохраняющая динамическую систему, определяется как динамическая система, для которой для всех таких a говорится, что сохраняется эквивалентно, то есть инвариантно.
Примеры
Самый простой пример - когда есть конечное множество и мера счета. Тогда самокарта сохраняется, если и только если она является биекцией, и она эргодическая, если и только если имеет только одну орбиту (то есть, для каждого существует такое, что). Например, если тогда цикл является эргодическим, но пермутация не является таковой (у него есть два инвариантных подмножества и).
Сдвиги Бернулли и подсдвиги
Пусть будет конечное множество и с величиной продукта (каждый фактор наделен своей величиной подсчета). Тогда оператор сдвига, определенный ergodic. Существует много других эргодических мер для карты сдвигов на периодических последовательностях, которые дают конечные поддерживаемые меры. Еще более интересно то, что существуют бесконечно поддерживаемые, которые являются подсдвигами конечного типа.
Иррациональные вращения
Пусть будет единичный круг, с его мерой Лебега Для любого угла вращение дается если тогда не эргодический для мерой Лебега, поскольку он имеет бесконечно много конечных орбит. С другой стороны, если иррационально, то это эргодическое.
Карта кошек Арнольда
Пусть будет 2 тора. Тогда любой элемент определяет самокарту с тех пор, когда получается так называемая карта кошки Арнольда, которая является эргодической для меры Лебег на торе.
Эргодические теоремы
Если - мера вероятности на пространстве, которое является эргодическим для преобразования точечной эргодической теоремы Г. Бирхоффа утверждает, что для каждой измеримой функции и почти для каждой точки среднее время на орбите сходится с средним пространством формально это означает, что Средняя эргодическая теорема Дж. фон Неймана является аналогичным, более слабым утверждением о средних переводах квадратных интегральных функций.
The mean ergodic theorem of J. von Neumann is a similar, weaker statement about averaged translates of square integrable functions.
Плотные орбиты
Непосредственным следствием определения эргодичности является то, что на топологическом пространстве , и если σ является алгеброй множеств Бореля, если это эргодическое, то почти каждая орбита имеет плотность в поддержке Это не является эквивалентностью, поскольку для преобразования, которое не является уникально эргодическим, но для которого существует эргодическая мера с полной поддержкой , для любой другой эргодической меры мера не является эргодической, но ее орбиты плотность в поддержке. Явные примеры могут быть построены с помощью мер инвариантности сдвигов.
This is not an equivalence since for a transformation which is not uniquely ergodic, but for which there is an ergodic measure with full support , for any other ergodic measure the measure is not ergodic for but its orbits are dense in the support. Explicit examples can be constructed with shift invariant measures.
Правильная эргодичность
Трансформация считается правильно эргодической, если она не имеет орбиты полной меры. В дискретном случае это означает , что мера не поддерживается на конечной орбите .
Определение динамических систем непрерывного времени
Определение по существу то же самое для непрерывных динамических систем времени, что и для однократной трансформации. Пусть будет измеримое пространство и для каждого , тогда такая система дается семьей измеримых функций от к самому себе, так что для любого отношения имеет место (обычно также спрашивается, что орбитальная карта от также измерима). Если это мера вероятности , то мы говорим , что это эргодическая мера или эргодическая мера для каждого , если сохраняется следующее условие: для любого , если для всех , то у нас есть либо или .
For any , if for all we have then either or .
Примеры
Как и в дискретном случае, простейшим примером является переходное действие, например, действие на круге, данное по меру Лэбэга. Пример с бесконечно большим количеством орбит дается потоком по иррациональному наклону на торе: let и Let; тогда если это эргодическое для меры Лебежа.
Эргодичность в компактных метрических пространствах
Если это компактное метрическое пространство, оно естественно наделено σ-алгеброй множеств Бореля. Дополнительная структура , исходящая из топологии , позволяет намного более подробную теорию эргодических преобразований и измерений .
Интерпретация функционального анализа
Очень мощное альтернативное определение эргодических мер может быть дано с использованием теории пространств Банаха. Радоновые меры на формируют пространство Банаха, набор вероятностных мер на котором является выпуклой подмножеством. При непрерывном преобразовании подмножества инвариантных мер, подмножество является закрытым выпуклой, и мера является эргодической, если и только если это крайняя точка этой выпуклости.
Существование мер по устранению воздействия на рабочие места
В приведенной выше обстановке из теоремы Банаха Алаоглу следует, что всегда существуют крайние точки в. Следовательно, преобразование компактного метрического пространства всегда допускает эргодические меры.
Эргодический распад
В общем, инвариантная мера не обязательно должна быть эргодической, но в результате теории Шоке она всегда может быть выражена как барицентр вероятностной меры на множестве эргодических мер. Это называется эргодическим разложением меры.
Пример
В случае и мера подсчета не является эргодической. Эргодические меры для являются единообразными мерами, поддерживаемыми на подмножествах и и каждая инвариантная мера вероятности может быть записана в форме для некоторых В частности, это эргодическое разложение меры подсчета.
Непрерывные системы
Все в этом разделе буквально переходит на непрерывные действия компактных метрических пространств.
Уникальная эргодичность
Трансформация считается уникально эргодической, если существует уникальная мера вероятности Бореля, которая является эргодической для В рассмотренных выше примерах иррациональные вращения круга являются уникально эргодическими; карты сдвигов - нет.
In the examples considered above, irrational rotations of the circle are uniquely ergodic; shift maps are not.
Вероятностная интерпретация: эргодические процессы
Если это дискретный временной стохастический процесс на пространстве, то он называется эргодическим, если совместное распределение переменных на неизменном под смещением карты Это особый случай понятий, обсужденных выше. Самый простой случай - это независимый и идентично распределенный процесс, который соответствует описанной выше карте сдвигов. Еще один важный случай - это цепочка Маркова, которая подробно рассматривается ниже. Аналогичная интерпретация применима к стохастическим процессам непрерывного времени, хотя построение измеримой структуры действия более сложно.
Критерий эргодности
Мерка всегда является эргодической для карты сдвигов, если связанная цепь Маркова является необратимой (любое состояние может быть достигнуто с положительной вероятностью из любого другого состояния в конечном числе шагов). Вышеуказанные гипотезы предполагают, что существует уникальная стационарная мера для цепи Маркова. С точки зрения матрицы достаточным условием для этого является то, что 1 является простым собственным значением матрицы, а все другие собственные значения (in) имеют модуль <1. Обратите внимание, что в теории вероятности цепь Маркова называется эргодической, если в дополнение каждое состояние является апериодическим (времена, когда вероятность возврата положительна, не являются кратными одному целому числу > 1). Это не обязательно для того, чтобы инвариантная мера была эргодической; следовательно, понятия "эргодичности" для цепи Маркова и связанной сдвижной инвариантной меры различны (одна для цепи строго сильнее). Кроме того, критерий "если и только если" если все общающиеся классы в цепочке являются повторяющимися, и мы рассматриваем все стационарные меры.
Меры подсчета
Если для всех стационарная мера является мерой подсчета, то мера является произведением мер подсчета. Марковская цепь является эргодической, поэтому пример сдвига сверху является особым случаем критерия.
Неергодические цепи Маркова
Марковские цепи с повторяющимися общающимися классами не являются необратимыми, не являются эргодическими, и это можно сразу увидеть следующим образом. Если два различных повторяющихся сообщающихся класса имеют не нулевые стационарные меры, поддерживаемые соответственно на и подмножества и являются как сдвигом инвариантным, так и мерной 1,2 для инвариантной меры вероятности. Очень простым примером этого является цепочка, данная матрицей (оба состояния являются стационарными).
Обобщения
Определение эргодичности также имеет смысл для групповых действий. Классическая теория (для обратимых преобразований) соответствует действиям или Для неабелевых групп не может быть инвариантных мер даже на компактных метрических пространствах. Однако определение эргодности остается неизменным, если инвариантные меры заменены квазиинвариантными мерами. Важными примерами являются действия полупростой группы Ли (или решетки в ней) на ее границе Фурстенберга. Отношение измеряемой эквивалентности называется эргодическим, если все насыщенные подмножества нулевые или конульные.
For non abelian groups there might not be invariant measures even on compact metric spaces. However the definition of ergodicity carries over unchanged if one replaces invariant measures by quasi invariant measures. Important examples are the action of a semisimple Lie group (or a lattice therein) on its Furstenberg boundary. A measurable equivalence relation it is said to be ergodic if all saturated subsets are either null or conull.