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| Line 2: | Line 2: | ||
| 간단한 예로서 다음과 같은 확률미분방정식 | 간단한 예로서 다음과 같은 확률미분방정식 | ||
| $$dx = a[x(t)] dt + \sqrt{D} dW$$ | $$dx = a[x(t)] dt + \sqrt{D} dW$$ | ||
| - | 가 주어져 있다고 하자. $D$는 상수이고 $dW$는 위너 확률과정이다. | + | 가 주어져 있다고 하자. $D$는 상수로서 편의를 위해 $1$로 놓을 것이며, $dW$는 위너 확률과정이다. |
| 시간을 이산화할 때에 이토 해석을 따르면, $a$를 $t+\Delta t$가 아니라 $t$의 시점에서 계산하므로 다음처럼 적게 된다: | 시간을 이산화할 때에 이토 해석을 따르면, $a$를 $t+\Delta t$가 아니라 $t$의 시점에서 계산하므로 다음처럼 적게 된다: | ||
| - | $$x(t+\Delta t)-x(t) = a[x(t)] \Delta t + \sqrt{D} | + | $$x(t+\Delta t)-x(t) = a[x(t)] \Delta t + \Delta W.$$ |
| 시간 $t+\Delta t$에 위치 $x$에서 발견될 확률은 다음처럼 계산된다: | 시간 $t+\Delta t$에 위치 $x$에서 발견될 확률은 다음처럼 계산된다: | ||
| - | $$\rho(x, t+\Delta t) = \int dx' \int d\Delta W P(\Delta W) \delta \left[ x-x' | + | $$\rho(x, t+\Delta t) = \int dx' \int d\Delta W P(\Delta W) \delta \left[ x-x' |
| 즉 시간 $t$에 위치 $x' | 즉 시간 $t$에 위치 $x' | ||
| 다음의 두 식을 대입한다: | 다음의 두 식을 대입한다: | ||
| $$P(\Delta W) = \frac{1}{\sqrt{2\pi \Delta t}} \exp \left[ -\frac{(\Delta W)^2}{2\Delta t}\right]$$ | $$P(\Delta W) = \frac{1}{\sqrt{2\pi \Delta t}} \exp \left[ -\frac{(\Delta W)^2}{2\Delta t}\right]$$ | ||
| - | $$\delta(x) = \int \frac{dk}{2\pi} \exp[-ikx]$$. | + | $$\delta(x) = \int \frac{dk}{2\pi} \exp[-ikx].$$ |
| - | 그러면 그 결과는 아래와 같고 | + | 그러면 그 결과는 아래와 같다: |
| \begin{eqnarray*} | \begin{eqnarray*} | ||
| \rho(x, t+\Delta t) &=& \int dx' \int \frac{dk}{2\pi} \int \frac{d\Delta W}{\sqrt{2\pi \Delta t}} \exp\left\{ -ik \left[ x-x' | \rho(x, t+\Delta t) &=& \int dx' \int \frac{dk}{2\pi} \int \frac{d\Delta W}{\sqrt{2\pi \Delta t}} \exp\left\{ -ik \left[ x-x' | ||
| - | &=& \frac{1}{\sqrt{2\pi \Delta t}} \int dx' \exp\left\{- \frac{[x-x' | + | &=& \int dx' \int \frac{dk}{2\pi} \exp\left\{ -ik \left[ x-x' |
| + | &=& \frac{1}{\sqrt{2\pi \Delta t}} \int dx' \exp\left\{- \frac{[x-x' | ||
| \end{eqnarray*} | \end{eqnarray*} | ||
| $y\equiv x-x' | $y\equiv x-x' | ||
| \begin{eqnarray*} | \begin{eqnarray*} | ||
| x-x' | x-x' | ||
| - | &=& y-(x' | + | &=& y-(x' |
| + | &=& y+ \left[ y+a(x)\Delta t \right] a'(x) \Delta t. | ||
| \end{eqnarray*} | \end{eqnarray*} | ||
| - | 이때 $a'(x) \equiv da/dx$이다. | + | 이때 $a'(x) \equiv |
| + | $$\frac{1}{2\Delta t}\left[ x-x' | ||
| + | \begin{eqnarray*} | ||
| + | \rho(x', | ||
| + | &=& \rho(x,t) - \left[ y+a(x)\Delta t \right] \rho' | ||
| + | \end{eqnarray*} | ||
| + | 이때 $\rho' | ||
| + | $x' | ||
| + | \begin{eqnarray*} | ||
| + | \rho(x, t+\Delta t) & | ||
| + | & | ||
| + | & | ||
| + | \end{eqnarray*} | ||
| + | 적분을 수행하고 $\Delta t$ 차수까지만 남겨놓자: | ||
| + | \begin{eqnarray*} | ||
| + | \rho(x, t+\Delta t) & | ||
| + | & | ||
| + | \end{eqnarray*} | ||
| + | |||
| + | $\Delta t\to 0$의 극한을 취하면 다음의 식을 얻는다: | ||
| + | $$\partial_t \rho(x,t) = -\partial_x \left[ a(x) \rho(x,t) \right] + \frac{1}{2} \partial_x^2 \rho(x, | ||
| ======마틴-시지아-로즈(Martin-Siggia-Rose, | ======마틴-시지아-로즈(Martin-Siggia-Rose, | ||
| + | 시간 $t=0$에서의 초기 조건이 $x_0$일 때, 시간 $\Delta t$만큼의 진행을 $n$번 반복해서 $t=n\Delta t$까지 진행해보자. | ||
| + | \begin{eqnarray*} | ||
| + | \rho(x,t) & | ||
| + | \mathcal{N} \int \left(\prod_{i=0}^{n-1} dx_i \right) \left(\prod_{i=0}^{n-1} dk_i \right) \delta(x-x_n) \exp\left(\sum_{i=0}^{n-1} \left\{ -ik_{i+1} \left[ x_{i+1}-x_i-a(x_i) \Delta t \right] - \frac{1}{2} \Delta t k_{i+1}^2 \right\} \right) \rho(x_0, | ||
| + | &=& \mathcal{N} \int \left(\prod_{i=0}^{n-1} dx_i \right) \left(\prod_{i=0}^{n-1} dk_i \right) \left(\prod_{i=0}^{n} d\Delta W_i \right) \delta(x-x_n) \exp\left(\sum_{i=0}^{n-1} \left\{ -ik_{i+1} \left[ x_{i+1}-x_i-a(x_i) \Delta t - \Delta W_i \right] - \frac{\left( \Delta W_i \right)^2}{2\Delta t} \right\} \right) \rho(x_0, | ||
| + | \end{eqnarray*} | ||
| + | 이때 $\mathcal{N}$은 계수들을 모아서 쓴 것이다. 외부로부터 아주 작은 섭동 $\xi_i$이 $\Delta W_i$에 더하여진다면 아래처럼 바뀔 것이다. | ||
| + | \begin{eqnarray*} | ||
| + | \rho_{\xi}(x, | ||
| + | &=& \mathcal{N} \int \left(\prod_{i=0}^{n-1} dx_i \right) \left(\prod_{i=0}^{n-1} dk_i \right) \left(\prod_{i=0}^{n-1} d\Delta W_i \right) \delta(x-x_n) \exp\left(\sum_{i=0}^{n-1} \left\{ -ik_{i+1} \left[ x_{i+1}-x_i-a(x_i) \Delta t - \Delta W_i \right] - \frac{\left( \Delta W_i \right)^2}{2\Delta t} \right\} \right) \exp \left(\sum_{j=0}^{n-1} ik_{j+1} \xi_j \right) \rho(x_0, | ||
| + | & | ||
| + | &=& \rho(x,t) + \sum_{j=0}^{n-1} \left[ \mathcal{N} \int \left(\prod_{i=0}^{n-1} dx_i \right) \left(\prod_{i=0}^{n-1} dk_i \right) \left(\prod_{i=0}^{n-1} d\Delta W_i \right) \delta(x-x_n) \left( ik_{j+1} \xi_j \right) \exp\left(\sum_{i=0}^{n-1} \left\{ -ik_{i+1} \left[ x_{i+1}-x_i-a(x_i) \Delta t - \Delta W_i \right] - \frac{\left( \Delta W_i \right)^2}{2\Delta t} \right\} \right) \rho(x_0,0) \right]\\ | ||
| + | &=& \rho(x,t) + \sum_{j=0}^{n-1} \xi_j \left[ \mathcal{N} \int \left(\prod_{i=0}^{n-1} dx_i \right) \left(\prod_{i=0}^{n-1} dk_i \right) \left(\prod_{i=0}^{n-1} d\Delta W_i \right) \delta(x-x_n) \left( ik_{j+1} \right) \exp\left(\sum_{i=0}^{n-1} \left\{ -ik_{i+1} \left[ x_{i+1}-x_i-a(x_i) \Delta t - \Delta W_i \right] - \frac{\left( \Delta W_i \right)^2}{2\Delta t} \right\} \right) \rho(x_0,0) \right]. | ||
| + | \end{eqnarray*} | ||
| + | 그런데 $\rho_{\xi}$를 $t=j\Delta t$로 표시되는 특정한 시점에서의 $\xi_j$로 미분하면 아래와 같으므로, | ||
| + | \begin{eqnarray*} | ||
| + | \frac{\partial \rho_{\xi}(x, | ||
| + | &=& \mathcal{N} \int \left(\prod_{i=0}^{n-1} dx_i \right) \left(\prod_{i=0}^{n-1} dk_i \right) \left(\prod_{i=0}^{n-1} d\Delta W_i \right) \delta(x-x_n) \left( ik_{j+1} \right) \exp\left(\sum_{i=0}^{n-1} \left\{ -ik_{i+1} \left[ x_{i+1}-x_i-a(x_i) \Delta t - \Delta W_i - \xi_i \right] - \frac{\left( \Delta W_i \right)^2}{2\Delta t} \right\} \right) \rho(x_0, | ||
| + | \left. \frac{\partial \rho_{\xi}(x, | ||
| + | &=& - \frac{\partial \rho(x, | ||
| + | \end{eqnarray*} | ||
| + | 두 식을 비교하면 다음을 알 수 있다: | ||
| + | \begin{eqnarray*} | ||
| + | \rho_{\xi}(x, | ||
| + | \end{eqnarray*} | ||
| + | 좌변에 $x$를 곱하고 $x$에 대해 적분하면 $\delta(x-x_n)$의 적분에 의해 | ||
| + | \begin{eqnarray*} | ||
| + | \langle x \rangle_{\xi} = \int dx ~x~ \rho_{\xi}(x, | ||
| + | &=& x_n ~\mathcal{N} \int \left(\prod_{i=0}^{n-1} dx_i \right) \left(\prod_{i=0}^{n-1} dk_i \right) \left(\prod_{i=0}^{n-1} d\Delta W_i \right) \exp\left(\sum_{i=0}^{n-1} \left\{ -ik_{i+1} \left[ x_{i+1}-x_i-a(x_i) \Delta t - \Delta W_i -\xi_i \right] - \frac{\left( \Delta W_i \right)^2}{2\Delta t} \right\} \right) \rho(x_0, | ||
| + | \end{eqnarray*} | ||
| + | 우변에 대해서도 마찬가지로 계산을 진행하면, | ||
| + | \begin{eqnarray*} | ||
| + | \langle x \rangle_{\xi} & | ||
| + | \end{eqnarray*} | ||
| + | 따라서 특정한 시점 $\tau = m\Delta t$에서의 섭동의 변화 $\delta \xi_m$이 $\langle x \rangle_{\xi} - \langle x \rangle \equiv \delta \langle x \rangle$에 미치는 영향을 보면 | ||
| + | \begin{eqnarray*} | ||
| + | \lim_{\forall \xi_i \to 0}\frac{\delta \langle x(t)\rangle}{\delta \xi(\tau)} &=& \mathcal{N} \int \left(\prod_{i=0}^{n-1} dx_i \right) \left(\prod_{i=0}^{n-1} dk_i \right) \left(\prod_{i=0}^{n-1} d\Delta W_i \right) \left( ik_{m+1} x_n \right) \exp\left(\sum_{i=0}^{n-1} \left\{ -ik_{i+1} \left[ x_{i+1}-x_i-a(x_i) \Delta t - \Delta W_i \right] - \frac{\left( \Delta W_i \right)^2}{2\Delta t} \right\} \right) \rho(x_0, | ||
| + | & | ||
| + | \end{eqnarray*} | ||
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