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* 2-6 随机游走 1906年Perrson提出,随机游走是一种基于运用[0,1]区间的均匀分布随机数序列来进行的计算。 一 Brown运动 1827年植物学家Brown观察到水中的花粉等颗粒可以不停的作无规则运动。 由于Brown 颗粒的质量远较液体的分子大,我们将颗粒看成是一个巨分子,它不停地受到周围环境中液体分子的碰撞,这种碰撞的频率为每秒1019次,因此我们观察到的Brown 颗粒的运动是大量碰撞的涨落的结果,它是一种完全无规则的随机运动。 在描述Brown 运动时,我们将影响系统在相空间中轨迹的随机力应用于决定性运动方程,也就是把液体分子的自由度凝缩为仅用随机力代表。 1907 年由Langevin提出的Brown 运动方程: Fx为涨落力 对颗粒总数进行平均: 涨落力平局值为零 由于指数项的幂系数非常大,α/m≈107秒-1,当时间t=10-6秒时指数项可以忽略。 将起始点放在原点,c2=0 D为扩散系数。 二 醉汉行走问题 x O Person 在1905 年发表于《Nature》的论文中提出的: “一个人从θ点出发,沿直线走了l 码,然后他转了一个角度后由沿第二条直线走了l 码,他重复了n 次这样的过程。我想求出n次过程后此人位于离开起始点r到r+dr 距离内的概率” x 醉汉的步长为1 向右行走的一步的几率为p=0.5 O 向左走一步的几率为q=1-p=0.5 向右走了nR步,向左走了nL 总共走了n=nR+nL步 三 扩散的物理 扩散是由于粒子浓度梯度的存在▽ρ形成粒子往低浓度区域迁移的趋势,单位时间内通过某一方向垂直截面的粒子数即为粒子流密度: 由粒子数守恒的Liouvill连续性方程: p(x,t)dx为粒子在t时刻存在于x-x+dx之间的概率: 任意函数的平均值可以表示为: ╳ x,再积分。 右边分布积分再代入边界条件: =0 由于在t=0时,粒子在原点处,从而粒子位置的平均值是不随时间变化的。 ╳ x2,再积分。 该结果与Brown 运动方程完全一致,说明Brown 运动或RW 模型的随机行走就是描述了扩散的物理过程。 pro=0.5 do i=1,nwalk x=0.0d0 do j=1,nstep call randomnum() if (rand .lt. pro) then x=x+1.0 else x=x-1.0 end if write(10,(I15,F15.6))j,x sumx(j)=sumx(j)+x sumx2(j)=sumx2(j)+x*x end do end do do i=1,nstep write(11,(I15,2F15.6)) $ i,sumx(i)/dble(nwalk),sumx2(i)/dble(nwalk) end do 若泊松方程及其边界条件为 四 蒙特卡罗方法求解泊松方程 Γ为求解区域D的边界, s为边界Γ上的点。 其中,q0是在区域D的正则内点0上的函数q(x,y)的值。 正方形格点划分 等步长h 其中,1/4可以解释为概率。即有: 随机游走的判据: (0)选定一个[0,1]区间的均匀分布的随机数ξ, (1)若满足条件ξ≤1/4,则选定下一个游走到达点为第1点; (2)若满足条件1/4ξ≤ 1/2,选游走到的下一个点为2点; (3)若满足条件1/2ξ≤ 3/4,选定游走到下一个点为3点; (4)ξ在其他的情况下,我们则选游走到第4点。 从m点上又按判据选择周围四个点中的n点时,m点函数的估计值为: 如果我们按上面的判据选择了0点周围四个点中之一m点,则0点函数的估计值为: 此时0点函数的估计值也可以写为: 若按照以上随机游走的步骤,有: 当第J步到达边界,边界上的函数值记为 我们就可以得到0点上的函数Φ0的一个估计值: 上标(1)表示第一次从0点出发游走时经历J步到达边界S点时对应函数Φ0的一个估计值。 其中, 如此反复从0点开始进行N次上述的随机游走,我们得到一个函数的估计值序列: 则0点的函数Φ0的期望值为 Φ0估计值序列的方差为: 以上随机游走的做法,是个人为的概率过程,是一个具有吸收壁的随机游走。
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