檢視布朗运动的原始碼

{| class="wikitable" style="float:right; margin: -10px 0px 10px 20px; text-align:left"
|<center>'''布朗運動'''<br><img src="https://www.itsfun.com.tw/cacheimg/d5/2d/bd3e69aa90464b0eafac25d56cf3.jpg" width="250"></center><small>[https://www.itsfun.com.tw/%E5%B8%83%E6%9C%97%E9%81%8B%E5%8B%95/wiki-5035041-1829231 圖片來自華人百科]</small> 
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'''布朗运动'''（Brownian motion）是微小粒子或者颗粒在流体中做的无规则运动。布朗运动过程是一种[[正态分布]]的[[独立增量]]连续[[随机过程]]。它是[[随机分析]]中基本概念之一。其基本性质为：布朗运动W(t)是期望为0、方差为t（时间）的正态随机变量。对于任意的r小于等于s，W(t)-W(s)独立于的W(r)，且是期望为0、方差为t-s的正态随机变量。可以证明布朗运动是[[马尔可夫过程]]<ref>[https://www.zhihu.com/question/26665048 马尔可夫过程]，知乎</ref> 、[[鞅过程]]和[[伊藤过程]]。

它是在西元1827年<small></small>英國植物學家[[罗伯特•布朗]]利用一般的[[顯微鏡]]觀察懸浮於水中由[[花粉]]所迸裂出之微粒時，發現微粒會呈現不規則狀的運動，因而稱它布朗運動。布朗運動也能測量[[原子]]的大小，因為就是由[[水]]中的水分子對微粒的碰撞產生的，而不規則的碰撞越明顯，就是原子越大，因此根據布朗運動，定義原子的直徑為10<sup>-8</sup>厘米。

==定義==
自1860年以來，許多[[科學家]]都在研究此種現象，後來發現布朗運動有下列的主要特性：
# 粒子的運動由'''平移'''及'''轉移'''所構成，顯得非常沒規則而且其軌跡幾乎是處處沒有切線。 
# 粒子之移動顯然互不相關，甚至於當粒子互相接近至比其直徑小的距離時也是如此。 
# 粒子越小或液體粘性越低或溫度越高時，粒子的運動越活潑。 
# 粒子的成分及密度對其運動沒有影響。 
# 粒子的運動永不停止。

== 對於布朗運動之誤解 ==
值得注意的是，布朗运动指的是花粉迸出的微粒的随机运动，而不是分子的随机运动。但是通过布朗运动的现象可以间接证明分子的无规则运动。

一般而言，花粉之直徑分布於30～50[[μm]]、最小亦有10μm之譜，相較之下，水分子直徑約0.3[[nm]]（非球形，故依部位而有些許差異。），略為花粉的十萬分之一。因此，花粉難以產生不規則振動，事實上花粉幾乎不受布朗運動之影響。在[[罗伯特•布朗]]的手稿中，「tiny particles from the pollen grains of flowers」意味著「自花粉粒中迸出之微粒子」，而非指花粉本身。然而在翻譯為諸國語言時，時常受到誤解，以為是「水中的花粉受布朗運動而呈現不規則運動」。積非成是之下，在大眾一般觀念中，此誤會已然根深蒂固。

在[[日本]]，以[[鶴田憲次]]『物理学叢話』為濫觴，[[岩波書店]]『岩波理科辞典』<small></small>、[[花輪重雄]]『物理学読本』、[[湯川秀樹]]『素粒子』、[[坂田昌一]]『物理学原論（上）』、[[平凡社]]『理科辞典』、[[福岡伸一]]著『生物與無生物之間』，甚至日本的理科課本等等，皆呈現錯誤之敘述。

直到1973年[[横浜市立大学]][[名誉教授]][[植物学]]者[[岩波洋造]]在著書『植物之SEX‐不為人知的性之世界』中，點出此誤謬之前，鮮少有人注意。[[国立教育研究所]][[物理]]研究室長[[板倉聖宣]]在參與製作岩波電影『迴動粒子』（1970年）時，實際攝影漂浮在水中之花粉，卻發現花粉完全沒有布朗運動。遂於1975年3月，以「外行人與專家之間」為題，解說有關布朗運動之誤會。

== 愛因斯坦的理論 ==
在1905年，爱因斯坦提出了相关理论。他的理論有兩個部分：第一部分定義布朗粒子擴散方程式，其中的擴散係數與布朗粒子平均平方位移相關，而第二部分連結擴散係數與可測量的物理量。以此方式，愛因斯坦可決定原子的大小，一莫耳有多少原子，或氣體的克分子量。根據阿伏伽德罗定律，所有理想氣體在標準溫度和壓力下體積為22.414升，其中包含的原子的數目被稱為「[[阿伏伽德罗常数]]」。由氣體的莫耳質量除以阿伏伽德罗常数等同原子量。

爱因斯坦论证的第一部分是，确定布朗粒子在一定的时间内运动的距离。因此，爱因斯坦将之简化，即讨论一个布朗粒子团的运动。

他把粒子在一个的空间中，把布朗粒子在一维方向上的运动增量 (x) 视作一个随机值（Delta 或者 ''x，''并对其坐标进行变换，让原点成为粒子运动的初始位置）并给出概率密度函数 varphi(\Delta)。另外，他假设粒子的数量有限，并扩大了密度（单位体积内粒子数量)，展开成泰勒级数 。

=== 性质 ===

* 布朗运动的轨道几乎处处不可微：对于任何scriptstyle \omega\in \Omega,轨道scriptstyle t\mapsto B_t(\omega)为一个连续但是零可微的函数。
* 协方差scriptstyle \mathbb E[B_s B_t]=min (s,t)。
* 布朗运动具有[[强马氏性]]： 对于[[停时]]''T'',取条件scriptstyle [T < \infty ],过程scriptstyle (B^T_t)_{t\geq 0}:=(B_{T+t}-B_T)_{t\geq 0}为一个独立于scriptstyle (B_{s})_{0 \leq s<T}的布朗运动。
* 它的[[Fourier变换]]或[[特征函数]]为scriptstyle \mathbb E\left[ e^{i u B_t} \right] = e^{-\frac{tu^2}{2}}。可见，布朗运动是一个无偏，无跳跃，二项系数为1/2的Levy过程。
* 布朗运动关于时间是齐次的： 对于''s'' > 0,scriptstyle (B_{t+s}-B_s)_{t\geq 0}是一个独立于scriptstyle (B_u)_{0\leq u \leq s}的布朗运动。
* -''B''是一个布朗运动。
* （稳定性） 对于''c'' > 0，scriptstyle \left(cB_{\frac{t}{c^2}}\right)_{t\geq 0}是布朗运动。 
*（时间可逆性）scriptstyle \left(tB_{\frac{1}{t}}\right)_{t > 0}在''t''=0之外是布朗运动。
* （[[常返性]]）只有1维和2维布朗运动是常返的：
:       如果scriptstyle d\in \{1,2\},集合<math>\scriptstyle\{t\geq 0, B_t=x\}不是有界的，对于任何scriptstyle  x\in \mathbb R^d，
:       如果scriptstyle d\geq 3, \,\,\,\lim_{t\rightarrow \infty} ||B_t||=+\infty（几乎处处）。
* （反射原理）
:mathbb P[\sup_{0\leq s\leq t}B_s \geq a]=2  \mathbb P[B_t \geq a] = \mathbb P[|B_t| \geq a].

=== 布朗运动的数学构造 ===
==== 利用Kolmogorov一致性定理====
设(f_t)_{t\in{\mathbb{R}}_+}为L^2({\mathbb{R}}_+)空间中一列实值函数。设：

forall(u,v)\in{\mathbb{R}}_+\text{, }s(u,v)={\langle f_u,f_v \rangle}_{L^2({\mathbb{R}}_+)}=\int_{\mathbb{R}_+} f_u(x)f_v(x)dx

这列函数满足：

forall k\in\mathbb{N}^*，任意的t_1, ..., t_k\in\mathbb{R}_+,矩阵left(s(t_i,t_j)\right)_{1\leq i,j\leq k}为对称半正定的。

利用Kolmogorov一致性定理，我们可以构造高斯过程{Y_t\}_{t\in\mathbb{R}_+}，它的均值m任意， 协方差为上面定义的s。 

当(f_t)_{t\in{\mathbb{R}}_+}=\left(\sqrt{c}.1\!\!1_{[0,t]} \right)_{t\in\mathbb{R}_+}，c>0为不依赖于t的常数，1\!\!1_{[0,t]}为[0,t]上的示性函数。则：

s(u,v)=c\int\limits_{\mathbb{R}}1\!\!1_{[0,u]}(s)1\!\!1_{[0,v]}(s)ds=\text{c.min}(u,v)

在这个情况下，矩阵left(s(t_i,t_j)\right)_{1\leq i,j\leq k}是对称且正定的。 

我们称一个高斯过程为 '''布朗运动'''当且仅当均值为0，协方差为s。c = Var(B_1)，当c = 1时， 称之为 '''标准的布朗运动'''.

==== 利用随机过程 ====
[[Donsker定理]]（1951）证明了逐渐归一化的随机游走弱收敛于布朗运动。
: left( \frac{1}{\sigma\sqrt{n}} \left(\sum_{k=1}^{[nt]} U_k +(nt - [nt])U_{[nt]+1}  \right) \right)_{0\leq t\leq 1} \underset{n\rightarrow \infty}{\Longrightarrow} (B_t)_{0\leq t\leq 1}
其中（''U''<sub>''n''</sub>, ''n'' ≥ 1） 独立同分布， 均值为0,方差为''σ''的随机变量序列。 

==== 利用傅立叶级数 ====
设2列独立的正态scriptstyle \mathcal N(0,1)随机变量序列scriptstyle (N_k,k\in \mathbb N)和scriptstyle (N'_k,k\in \mathbb N)。定义scriptstyle (B_t)_{t\geq0}：
: B_t := t N_0 + \sum_{k=1}^{+\infty} \frac{\sqrt{2}}{2\pi k} \left(N_k \cos(2\pi kt -1)+N_k'\sin(2\pi kt)\right)
为布朗运动。
== 參考文獻 == 
{{reflist}}
[[Category:330 物理學總論]]