Kvantová a statistická fyzika 2 (Termodynamika a statistická fyzika)



Podobné dokumenty
3. Lineární diferenciální rovnice úvod do teorie

6 Intervalové odhady. spočteme aritmetický průměr, pak tyto průměry se budou chovat jako by pocházely z normálního. nekonečna.

veličiny má stejný řád jako je řád poslední číslice nejistoty. Nejistotu píšeme obvykle jenom jednou

12. N á h o d n ý v ý b ě r

2,3 ČTYŘI STANDARDNÍ METODY I, ČTYŘI STANDARDNÍ METODY II

jako konstanta nula. Obsahem centrálních limitních vět je tvrzení, že distribuční funkce i=1 X i konvergují za určitých

Úloha II.S... odhadnutelná

STUDIUM MAXWELLOVA ZÁKONA ROZDĚLENÍ RYCHLSOTÍ MOLEKUL POMOCÍ DERIVE 6

Náhodu bychom mohli definovat jako součet velkého počtu drobných nepoznaných vlivů.

Deskriptivní statistika 1

odhady parametrů. Jednostranné a oboustranné odhady. Intervalový odhad střední hodnoty, rozptylu, relativní četnosti.

Odhady parametrů 1. Odhady parametrů

Odhad parametru p binomického rozdělení a test hypotézy o tomto parametru. Test hypotézy o parametru p binomického rozdělení

P2: Statistické zpracování dat

14. Testování statistických hypotéz Úvod statistické hypotézy Definice 14.1 Statistickou hypotézou parametrickou neparametrickou. nulovou testovanou

Pro statistické šetření si zvolte si statistický soubor např. všichni žáci třídy (několika tříd, školy apod.).

6. P o p i s n á s t a t i s t i k a

je konvergentní, právě když existuje číslo a R tak, že pro všechna přirozená <. Číslu a říkáme limita posloupnosti ( ) n n 1 n n n

MATICOVÉ HRY MATICOVÝCH HER

PRAVDĚPODOBNOST A STATISTIKA. Náhodná proměnná vybraná rozdělení

Náhodný výběr 1. Náhodný výběr

10.3 GEOMERTICKÝ PRŮMĚR

Úloha III.S... limitní

jsou reálná a m, n jsou čísla přirozená.

Petr Šedivý Šedivá matematika

8.2.1 Aritmetická posloupnost I

Kinetická teorie plynů - tlak F S F S F S. 2n V. tlak plynu. práce vykonaná při stlačení plynu o dx: celková práce vykonaná při stlačení plynu:

5 PŘEDNÁŠKA 5: Jednorozměrný a třírozměrný harmonický oscilátor.

23. Mechanické vlnění

DERIVACE FUNKCÍ JEDNÉ REÁLNÉ PROM

České vysoké učení technické v Praze. Fakulta dopravní. Semestrální práce. Statistika

Vzorový příklad na rozhodování BPH_ZMAN

8.2.1 Aritmetická posloupnost

IV-1 Energie soustavy bodových nábojů... 2 IV-2 Energie elektrického pole pro náboj rozmístěný obecně na povrchu a uvnitř objemu tělesa...

6. Posloupnosti a jejich limity, řady

SEMESTRÁLNÍ PRÁCE Z PŘEDMĚTU

Matematika I, část II

f x a x DSM2 Cv 9 Vytvořující funkce Vytvořující funkcí nekonečné posloupnosti a0, a1,, a n , reálných čísel míníme formální nekonečnou řadu ( )

Odhady parametrů polohy a rozptýlení pro často se vyskytující rozdělení dat v laboratoři se vyčíslují podle následujících vztahů:

MATEMATICKÁ INDUKCE. 1. Princip matematické indukce

Budeme pokračovat v nahrazování funkce f(x) v okolí bodu a polynomy, tj. hledat vhodné konstanty c n tak, aby bylo pro malá x a. = f (a), f(x) f(a)

2. Náhodná veličina. je konečná nebo spočetná množina;

Laboratorní práce č. 10 Úloha č. 9. Polarizace světla a Brownův pohyb:

Intervalové odhady parametrů některých rozdělení.

1.3. POLYNOMY. V této kapitole se dozvíte:

1. K o m b i n a t o r i k a

Spojitost a limita funkcí jedné reálné proměnné

FYZIKÁLNÍ SEKCE. Vzorové řešení první série úloh

Při sledování a studiu vlastností náhodných výsledků poznáme charakter. podmínek různé výsledky. Ty odpovídají hodnotám jednotlivých realizací

je konvergentní, právě když existuje číslo a R tak, že pro všechna přirozená <. Číslu a říkáme limita posloupnosti ( ) n n 1 n n n

Mendelova univerzita v Brně Statistika projekt

8. Analýza rozptylu.

PŘÍKLAD NA PRŮMĚRNÝ INDEX ŘETĚZOVÝ NEBOLI GEOMETRICKÝ PRŮMĚR

Aplikovaná informatika. Podklady předmětu Aplikovaná informatika pro akademický rok 2006/2007 Radim Farana. Obsah. Algoritmus

Intervalový odhad. nazveme levostranným intervalem pro odhad parametru Θ. Statistiku. , kde číslo α je blízké nule, nazveme horním

STATISTIKA. Statistika se těší pochybnému vyznamenání tím, že je nejvíce nepochopeným vědním oborem. H. Levinson

2. Znát definici kombinačního čísla a základní vlastnosti kombinačních čísel. Ovládat jednoduché operace s kombinačními čísly.

Zhodnocení přesnosti měření

Pravděpodobnost a aplikovaná statistika

Kapitola 5 - Matice (nad tělesem)

Pravděpodobnostní modely

IAJCE Přednáška č. 12

3.1 OBSAHY ROVINNÝCH ÚTVARŮ

1 POPISNÁ STATISTIKA V PROGRAMU MS EXCEL

OVMT Přesnost měření a teorie chyb

ŘADY Jiří Bouchala a Petr Vodstrčil

Náhodné jevy a pravděpodobnost

OKRUŽNÍ A ROZVOZNÍ ÚLOHY: OBCHODNÍ CESTUJÍCÍ. FORMULACE PŘI RESPEKTOVÁNÍ ČASOVÝCH OKEN

Vlastnosti posloupností

PRAVDĚPODOBNOST A STATISTIKA

b c a P(A B) = c = 4% = 0,04 d

Intervalové odhady parametrů

Přednáška 7, 14. listopadu 2014

Kombinatorika- 3. Základy diskrétní matematiky, BI-ZDM

8.1.3 Rekurentní zadání posloupnosti I

6.2. ČÍSELNÉ ŘADY. V této kapitole se dozvíte:

2 IDENTIFIKACE H-MATICE POPISUJÍCÍ VEDENÍ Z NAMĚŘENÝCH HODNOT

VYSOCE PŘESNÉ METODY OBRÁBĚNÍ

14. B o d o v é o d h a d y p a r a m e t r ů

2.4. INVERZNÍ MATICE

U klasifikace podle minimální vzdálenosti je nutno zvolit:

Cvičení 6.: Výpočet střední hodnoty a rozptylu, bodové a intervalové odhady střední hodnoty a rozptylu

4. B o d o v é o d h a d y p a r a m e t r ů

Materiály k X33KUI, ČVUT, FEL, Vytvořeno dne 11/5/2006 7:07 PM. Seminární cvičení 2. Kódování a přenos informace

Cvičení 6.: Bodové a intervalové odhady střední hodnoty, rozptylu a koeficientu korelace, test hypotézy o střední hodnotě při známém rozptylu

6. ČÍSELNÉ POSLOUPNOSTI A ŘADY 6.1. ČÍSELNÉ POSLOUPNOSTI

13 Popisná statistika

( + ) ( ) ( ) ( ) ( ) Derivace elementárních funkcí II. Předpoklady: Př. 1: Urči derivaci funkce y = x ; n N.

Pravděpodobnost a aplikovaná statistika

2 STEJNORODOST BETONU KONSTRUKCE

1 Základy Z-transformace. pro aplikace v oblasti

1 Uzavřená Gaussova rovina a její topologie

Číselné charakteristiky náhodných veličin

Číselné řady. 1 m 1. 1 n a. m=2. n=1

Entropie, relativní entropie a sdílená (vazební) informace

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a Státním rozpočtem ČR InoBio CZ.1.07/2.2.00/

Závislost slovních znaků

Sekvenční logické obvody(lso)

1. Základy počtu pravděpodobnosti:

1.2. NORMA A SKALÁRNÍ SOUČIN

Transkript:

Kvatová a statistická fyzika (Termodyamika a statistická fyzika) Boltzmaovo - Gibbsovo rozděleí - ilustračí příklad Pro ilustraci odvozeí rozděleí eergií v kaoickém asámblu uvažujme ásledující příklad. Nechť f systémů sdílí omezeé možství N jedotek ějaké veličiy, kterou si mohou vzájemě vyměňovat. Ve statistické fyzice se typicky zkoumá výměa eergie, jejíž celkové možství se zachovává. Pricip odvozeí je však uiverzálí, můžeme třeba uvažovat situaci, kdy f živostíků má celkem N dukátů, kterými si vzájemě platí za služby ci za výrobky. Systém je uzavřeý a celkové možství peěz se eměí; každý živostík může kdykoliv získat dukát od jiého živostíka a stejě tak může kdykoliv dukát utratit pokud tedy ějaký zrova má. Dluhy aše hypotetická ekoomika epřipouští. Jaká bude pravděpodobost toho, že v áhodý okamžik bude mít daý živostík právě dukátů? Jak tato pravděpodobost bude vypadat v limitě velkého počtu dukátů i živostíků s tím, že počet dukátů a jedoho živostíka = N/f je kostatí? Ač se dá úloha řešit moha přístupy, pro áš přístup bude vhodé vypočítat ejprve, kolika růzými způsoby lze mezi f živostíků rozdělit N dukátů. Ozačme toto číslo C(f, N). Můžeme se sado přesvědčit, že teto počet se rová C(f, N) = (N + f 1)!. (1) N!(f 1)! Proč? Představme si peěžeky živostíků jako jakési krabičky, do ichž umisťujeme dukáty. Krabičky spolu sousedí celkem f 1 přepážkami (viz obr. 1). Rozděleí dukátů mezi živostíky se realizuje jako vložeí f 1 přepážek do řádky N micí. N micí a f 1 přepážek lze seřadit celkem (N + f 1)! způsoby; mezi imi však N! permutací dukátů a (f 1)! permutací přepážek evede k ovému rozděleí. Celkový počet růzých rozděleí je tedy (1). Obrázek 1: Jedo z možých rozděleí osmi dukátů mezi pět živostíků. Vyzkoušejte si to a jedoduchých případech kolika způsoby lze rozdělit čtyři dukáty mezi dva obchodíky? A kolika způsoby tři dukáty mezi tři obchodíky? Nyí lze sado zjistit, jaká bude pravděpodobost P toho, že daý živostík bude mít u sebe právě dukátů. V takovém případě se totiž f 1 zbývajících živostíků musí podělit o N zbývajících dukátů, čehož lze dosáhout C(f 1, N ) růzými způsoby. Pravděpodobost je tedy C(f 1, N ) (N + f )!N!(f 1)! P = = C(f, N) (N )!(f )!(N + f 1)! N(N 1)... (N + 1) = (f 1) (N + f 1)(N + f )... (N + f 1). () Teto výsledek se zjedoduší, pokud uvažujeme velký počet živostíků i velké možství peěz, N 1, f 1 tak, že možství peěz a hlavu = N/f je kostatí. V tom případě f 1 f a N N 1... N + 1 f a podobě N + f 1 N + f... N + f 1 f( + 1). Pro pravděpodobost P pak dostáváme (f ) P f [f( + 1)] +1 =. (3) ( + 1) +1 To je expoeciálí rozděleí; výraz (3) lze totiž zapsat i v ekvivaletích tvarech P = 1 Z q = 1 Z e β, () 1

kde a q = 1 1 + 1, β = l q (5) Z = = q = 1 1 q = + 1. (6) Tyto výsledky je možé otestovat i jedoduchou počítačovou simulací viz obr.. V ašem modelu se během každé iterace vybere áhodý plátce a áhodý příjemce. Pokud má plátce alespoň jede dukát, uskutečí se trasakce: počet dukátů plátce se o jede síží a příjemci jede dukát přibude. Pokud trasakci elze uskutečit, provádí se ové losováí plátce i příjemce. Když po velkém počtu iterací spočítáme, kolikrát se stalo, že daý živostík měl u sebe právě dukátů, dostaeme relativí četosti zázorěé a obr. a. Pro srováí jsou zde uvedey i relativí četosti odpovídající expoeciálímu rozděleí se stejým středím počtem dukátů a jedoho živostíka, = N/f = 3. Proč se tyto hodoty liší? Jedak jsme uskutečili pouze koečý počet iterací při dalších provedeí experimetu dostaeme poěkud jié histogramy relativích četostí, které budou určitým způsobem fluktuovat kolem expoeciálího rozděleí. Druhá odlišost vyplývá z toho, že dukátů i živostíků je koečý počet (expoeciálí rozděleí je limitím případem pro N, f ). V ašem případě to třeba zameá, že emůže být větší ež 15, zatímco expoeciálí rozděleí dává eulové hodoty P i pro libovolě velká. Jak vypadal průběh velikosti majetku jedoho živostíka v čase (během prvích pěti tisíc iterací) ukazuje obr. b. Je vidět, že většiu času trávil jako epříliš zámožý a větší možství peěz mu patřilo zřídkakdy. I když jsme v ašem příkladu používali peíze a živostíky, stejou úvahu lze provést i pro eergii a soubor kvatových harmoických oscilátorů, které si mohou kvata eergie vyměňovat. Je vidět, jak se při růstu počtu stupňů volosti rozděleí eergie blíží Bolzmaovu-Gibbsovu rozděleí. P.5..15 (a) N = 5 iter 1 (b) 1 8 6.1.5 5 1 15 1 3 5 iter Obrázek : Počítačová simulace časového vývoje rozložeí N = 15 dukátů mezi f = 5 živostíky. (a) relativí četosti případů, kdy daý živostík měl dukátů výsledky získaé středováím přes N iter = 5 1 iterací. Úzké sloupce slouží pro srováí s expoeciálím rozděleím se stejou středí hodotou = 3. (b) ukázka kokrétího časového vývoje počtu dukátů u jedoho živostíka během prvích 5 1 3 iterací.

Pozámky Náš model popisoval majetek ve velice zjedodušeém ekoomickém systému. Jak vypadá rozděleí majetku ve skutečé společosti? Empiricky se ukazuje, že ejblíže pravdě může být tzv. Paretovo rozděleí (Vilfredo Pareto, 188-193, italský ekoom) P (x) = a/x a+1 pro x 1, a >, tedy mocié rozděleí (x je v ašem případě spojitá proměá, pro diskrétí proměou se uvádí též ázev Zipfovo rozděleí). To s rostoucím x klesá k ule mohem pomaleji ež expoeciálí čili předpovídá větší zastoupeí bohatých ež expoeciálí rozděleí. Kokrétě pro a, 17 z ěj plye tzv. 8/ pravidlo: 8% celkového majetku patří % ejbohatším příslušíkům společosti. Náš ekoomický model byl přece je příliš zjedodušeý. Lze úvahu s eregií či s peězi použít i a jié veličiy či objekty? Uvažujme třeba těsto s rozikami, ze kterého se upečou váočky. Víme, že když váočku akrájíme, vyjdou a jede krajíček v průměru tři roziky. Jak bude vypadat pravděpodobost P toho, že v áhodě vybraém krajíčku bude roziek? Očekávali byste expoeciálí rozděleí () jako pro kvata eergie či dukáty? Zřejmě e častěji arazíme a krajíc se třemi rozikami ež s žádou a skutečost ejlépe popisuje Poissoovo rozděleí (viz obr. 3) Proč? Čím podstatým se eergie ebo peíze odlišují od roziek? P = e!. (7) P.5..15 (a) N = 5 iter 1 1 8 6 (b).1.5 5 1 15 1 3 5 iter Obrázek 3: Počítačová simulace časového vývoje rozložeí N = 15 roziek mezi f = 5 krajíčků váočky. Během každé iterace byla áhodě zvolea rozika, která přeskočila do áhodě zvoleého krajíčku. (a) relativí četosti počtu roziek v krajíci získaé středováím přes N iter = 5 1 iterací. Úzké sloupce slouží pro srováí s poissoovským rozděleím se stejou středí hodotou = 3. (b) ukázka kokrétího časového vývoje počtu roziek v jedom krajíci během prvích 5 1 3 iterací. Eergie versus roziky - další pozámky Odpověď a otázku, čím podstatým se v ašich modelech liší kvata eergie (a případě peíze) od roziek je, že kvata eergie jsou v pricipu erozlišitelá, kdežto roziky si můžeme očíslovat. Rozlišitelost či erozlišitelost částic hraje ve statistické fyzice podstatou roli, proto je užitečé těmto pojmům co ejlépe porozumět a jedoduchých příkladech. Pokud se v daém krajíčku achází roziek z celkového počtu N, dá se tato situace realizovat celkem ( N ) způsoby, zatímco s erozlišitelými kvaty eergie jde pouze o jediou realizaci s kvaty. Jiak řečeo, situaci s rozikami odpovídá větší počet mikrostavů ež situaci s kvaty eergie. Pokud je áš systém ergodický, pobude během časového vývoje v každém mikrostavu zhruba stejě dlouho. Jestliže ěkteré situaci odpovídá větší počet mikrostavů ež jié, bude se v í systém acházet odpovídajícím způsobem častěji. 3

Jak je to ale s peězi? Copak ejsou mice také odlišitelé? Proč bychom měli očekávat, že se peíze budou chovat spíše jako eergie ež jako roziky? Kdybychom vzali hrst micí a rozmíchali je v těstě místo roziek, eměly by akoec stejé rozděleí jako roziky? V případě peěz půjde zřejmě o to, jakým způsobem bude výměa probíhat. Pouze pro určité typy směy budeme oprávěi modelovat peíze eergií. Abychom mohli očakávat eergii podobé chováí, měli bychom dokázat, že při aší směě bude rozděleí peěz {1 3 7} stejě pravděpodobé jako třeba {3 3 3} (u rozlišitelých předmětů astae případ {3 3 3} 7 krát častěji ež {1 3 7}), a že tedy tvoří ty pravé mikrostavy. To v ašem modelu vyplývá ze skutečosti, že pravděpodobost přechodu z jedoho rozděleí do druhého jsou stejá jako pravděpodobost přechodu opačým směrem. V ašem případě platí P ({ 1,,..., k,... l,... f } { 1,,..., k 1,... l + 1,... f }) = P ({ 1,,..., k 1,... l + 1,... f } { 1,,..., k,... l,... f }). (8) Symbol P ({..., k,... l,...} {..., k 1,... l + 1, }) tu zameá podmíěou pravděpodobost toho, že systém přejde během dalšího kroku do kofigurace {..., k 1,... l + 1, } za podmíky, že se právě achází v kofiguraci {..., k,... l, }. Rovost (8) je obsažea v ašem způsobu losováí: kterýkoliv živostík se může se stejou pravděpodobostí stát příjemcem a kterýkoliv s eulovým majetkem se se stejou pravděpodobostí může stát plátcem. Skutečou pravděpodobost toho, že dojde k přechodu od jedé kofigurace ke druhé získáme vyásobeím podmíěé pravděpodobosti přechodu pravděpodobostí výchozí kofigurace, tedy ve tvaru P ({..., k,... l,...} {..., k 1,... l + 1, }) P ({..., k,... l,...}). (9) V ustáleém stavu se pravděpodobosti jedotlivých kofigurací ebudou v čase měit a můžeme očekávat, že pravděpodobost přechodu od jedé kofigurace ke druhé bude stejá jako pravděpodobost opačého přechodu, P ({..., k,... l,...} {..., k 1,... l + 1, }) P ({..., k,... l,...}) = P ({..., k 1,... l + 1,...} {..., k,... l, }) P ({..., k 1,... l + 1,...}) (1) (této podmíce se v teorii stochastických procesů říká podmíka detailí rovováhy). Protože platí rovost podmíěých pravděpodobostí (8), dostáváme rovost pravděpodobostí kofigurací P ({..., k,... l,...}) = P ({..., k 1,... l + 1,...}). (11) Pro rozlišitelé částice dostaeme jiý výsledek: podmíěé pravděpodobosti přechodu se od sebe budou odlišovat: P roz ({..., k,... l,...} {..., k 1,... l + 1,...}) = k l + 1 P roz ({..., k 1,... l + 1,...} {..., k,... l,...}). (1) Proč? V ašem rozikovém modelu má každá rozika stejou pravděpodobost, že bude vylosováa a změí polohu. Pravděpodobost toho, že odejde jeda rozika z krajíčku s k rozikami je tedy úměrá k. Využijeme-li opět podmíky detailí rovováhy (1), získáváme v ustáleé situaci vztah mezi pravděpodobostmi jedotlivých kofigurací ( l + 1)P roz ({..., k,... l,...}) = k P roz ({..., k 1,... l + 1,...}). (13) Jak se sado přesvědčíme, tuto rovost splňuje multiomické rozdělěí, pro ějž P roz ({..., k,... l,...}) 1 1!!... k!... l!... f!. (1) Celou věc lze ilustrovat a ejjedodušším možém příkladě, kdy dva objekty (mice, kvata eergie, roziky) sdílí dva účastíci, tedy N =, f =, viz obr.. Pokud jsou sdíleé objekty

p(a a) p(b b) p(c c) p(a b) p(c a) A B A B A B 1 1 p(b a) p(b c) a b c Obrázek : Dva objekty sdíleé dvěma účastíky A a B. Jedotlivé kofigurace { }, {1 1} a { } jsou ozačey jako a, b a c. erozlišitelé, je podmíěá pravděpodobost přechodu z kofigurace a do kofigurace b, P (a b) = 1/ stejá jako z b do a, P (b a) = 1/: to, že živostík A se dvěma dukáty bude vylosová jako plátce a dá dukát emajetému živostíkovi B je stejě pravděpodobé, jako to, že živostík B s jedím dukátem bude vylosová aby zaplatil živostíku A. Jiá je situace, pokud se losuje mezi rozlišitelými předměty. V tom případě bude P (a b) = 1/, ale P (b a) = 1/: aby kofigurace a přešla a kofiguraci b, může být vylosováa kterákoliv ze dvou roziek, ale a přechod z b do a musí být vylosováa pouze rozika vlastěá účastíkem B. 5