Jump to content

Теория перколяции

(Перенаправлено из перколяции участка )

В физике и математике статистической теория перколяции описывает поведение сети, когда добавляются узлы или ссылки. Это геометрический тип фазового перехода , поскольку во время критической доли добавления сеть небольших, отключенных кластеров сливается в значительно большие подключенные , так называемые охватывающие кластеры. Применение теории перколяции к материаловедению и во многих других дисциплинах обсуждается здесь и в теории сети и перколяции статей (когнитивная психология) .

Введение

[ редактировать ]
Трехмерный график перколяции сайта
Перколяция связи в квадратной решетке от р = 0,3 до р = 0,52

Репрезентативный вопрос (и источник имени) заключается в следующем. Предположим, что некоторая жидкость выливается поверх какого -то пористого материала. Сможет ли жидкость пробиться от отверстия в отверстие и достичь дна? Этот физический вопрос смоделируется как трехмерная сеть вершин n × n × n математически , обычно называемые «сайтами», в которых края или «связи» между каждыми двумя соседями могут быть открыты (позволяя жидкости) с вероятностью p , или закрыт с вероятностью 1 - P , и они считаются независимыми. Следовательно, для данного P , какова вероятность того, что открытый путь (что означает путь, каждый из которых является «открытой» связью), существует сверху вниз? Поведение для большого N представляет основной интерес. Эта проблема, называемая теперь перколяцией Бонда , была введена в математическую литературу Broadbent & Hammersley (1957) , [ 1 ] и с тех пор интенсивно изучался математиками и физиками.

В немного другой математической модели для получения случайного графика сайт «занят» с вероятностью P или «пустым» (в этом случае его ребра убираются) с вероятностью 1 - P ; Соответствующая проблема называется перколяцией сайта . Вопрос такой же: для данного P , какова вероятность того, что между сверху и снизу существует путь? Точно так же можно спросить, учитывая подключенный график на какую фракцию 1 - p сбоев, график будет отключен (без большого компонента).

Определение перколяции 3D -трубки

Те же вопросы можно задать для любого измерения решетки. Как довольно типично, на самом деле легче изучить бесконечные сети, чем просто большие. В этом случае соответствующий вопрос: существует ли бесконечный открытый кластер? То есть есть ли путь подключенных точек бесконечной длины «через сеть? Согласно нулевым законам Колмогорова , для любого данного P вероятность того, что существует бесконечный кластер, составляет либо ноль, либо один. Поскольку эта вероятность является увеличивающейся функцией p (доказательства через аргумент связи ), должен быть критический P (обозначенный P C ), ниже которого вероятность всегда 0 и выше, что вероятность всегда 1. На практике эта критичность является очень легко наблюдать. Даже для n , до 100, вероятность открытого пути сверху к дне резко возрастает от очень близко к нулю до очень близко к одному за короткий промежуток значений p .

Деталь перколяции связи на квадратной решетке в двух измерениях с вероятностью перколяции p = 0,51

Теория Флори -Стокмейер была первой теорией, изучающей процессы перколяции. [ 2 ]

История модели перколяции, как мы знаем, у нее есть корень в угольной промышленности. После промышленной революции экономическое значение этого источника энергии способствовало многим научным исследованиям, чтобы понять его состав и оптимизировать его использование. В течение 1930 -х и 1940 -х годов качественный анализ органической химии оставлял все больше и больше места для более количественных исследований. [ 3 ]

В этом контексте Британская исследовательская ассоциация по использованию угля (BCURA) была создана в 1938 году. Это исследовательская ассоциация, финансируемая владельцами угольных шахт. В 1942 году Розалинда Франклин , которая недавно закончила химию в Кембриджском университете, присоединилась к Bcura. Она начала исследование плотности и пористости угля. Во время Второй мировой войны уголь был важным стратегическим ресурсом. Он использовался в качестве источника энергии, но также был основной составляющей газовых масок.

Уголь - пористая среда. Чтобы измерить его «реальную» плотность, нужно было опустить его в жидкости или газ, молекулы которых достаточно малы, чтобы заполнить свои микроскопические поры. Пытаясь измерить плотность угля, используя несколько газов (гелий, метанол, гексан, бензол), и, когда она обнаружила различные значения в зависимости от используемого газа, Розалинда Франклин показала, что поры угля сделаны из микроструктур различных длин, которые действуют в качестве микроскопического сита для различения газов. Она также обнаружила, что размер этих структур зависит от температуры карбонизации во время производства угля. С помощью этого исследования она получила степень доктора философии и покинула Bcura в 1946 году. [ 4 ]

В середине пятидесятых годов Саймон Бродбент работал в Bcura в качестве статистика. Среди других интересов он изучал использование угля в газовых масках. Один вопрос состоит в том, чтобы понять, как жидкость может диффундировать в порах угля, смоделированная как случайный лабиринт открытых или закрытых туннелей. В 1954 году, во время симпозиума по методам Монте -Карло , он задает вопросы Джону Хаммерсли с использованием численных методов для анализа этой модели. [ 5 ]

Broadbent и Hammersley представили в своей статье 1957 года математическую модель для моделирования этого явления, которая является перколяцией.

Вычисление критического параметра

[ редактировать ]

Для большинства бесконечных графиков решетки P C не может быть рассчитано точно, хотя в некоторых случаях P C есть точное значение. Например:

  • для квадратной решетки 2 В двух измерениях P C = 1/2 Гарри Для перколяции Бонда , факт, который был открытым вопросом в течение более 20 лет и, наконец, был решен Кестеном в начале 1980 -х годов, [ 6 ] См. Кестен (1982) . Для перколяции участка на квадратной решетке значение P C не известно по аналитическому выводу, а только посредством моделирования крупных решетков, которые обеспечивают оценку P C = 0,59274621 ± 0,00000013. [ 7 ]   
  • Ограниченный случай для решетки в высоких измерениях дается решеткой Bethe , порог которого находится в p c = 1 / z - 1 для координационного числа   z . Другими словами: для обычного дерева степени , равен .
Перколяция фронта

[ 11 ]

Это указывает на то, что для данного распределения степени кластеризация приводит к большему порогу перколяции, главным образом потому, что для фиксированного количества ссылок структура кластеризации усиливает ядро ​​сети с ценой разбавления глобальных соединений. Для сетей с высокой кластеризацией сильная кластеризация может вызвать структуру ядра и периферии, в которой ядро ​​и периферия могут протковать в разных критических точках, а вышеупомянутое приблизительное лечение не применимо. [ 12 ]

Универсальность

[ редактировать ]

Принцип универсальности гласит, что числовое значение P C определяется локальной структурой графика, тогда как поведение вблизи критического порога, P C , характеризуется универсальными критическими показателями . Например, распределение размера кластеров при критичности распадается в качестве властного закона с одним и тем же показателем для всех 2D решетки. Эта универсальность означает, что для данного измерения различные критические показатели, фрактальное измерение кластеров на P C не зависит от типа решетки и типа перколяции (например, связь или сайт). Тем не менее, недавно была выполнена перколяция на взвешенной плоской стохастической решетке (WPSL) и обнаружила, что, хотя измерение WPSL совпадает с измерением пространства, в которое оно встроено, его класс универсальности отличается от всех известных плоских решетков Полем [ 13 ] [ 14 ]

Субкритический и суперкритический

[ редактировать ]

Основным фактом в подкритической фазе является «экспоненциальный распад». То есть, когда p < p c , вероятность того, что конкретная точка (например, исходное происхождение) содержится в открытом кластере (что означает максимальный подключенный набор «открытых» краев графика) размера R распадается до нуля экспоненциально в ​Это было доказано для перколяции в трех и более измерениях Меншикова (1986) и независимо от Aizenman & Barsky (1987) . В двух измерениях он стал частью доказательства Кестены, что P C = 1 / 2 . [ 15 ]

Двойной график квадратной решетки 2 также квадратная решетка. Отсюда следует, что в двух измерениях суперкритическая фаза является двойной к субкритическому процессу перколяции. Это предоставляет по сути полную информацию о суперкритической модели с d = 2 . Основной результат для суперкритической фазы в трех и более измерениях заключается в том, что для достаточно большого n почти наверняка есть бесконечный открытый кластер в двумерной плите 2 × [0, n ] D - 2 Полем Это было подтверждено Гримметтом и Марстрандом (1990) . [ 16 ]

В двух измерениях с р < 1/2 . , с вероятностью есть уникальный бесконечный закрытый кластер (закрытый кластер является максимальным подключенным набором «закрытых» краев графика) Таким образом, подкритическая фаза может быть описана как конечные открытые острова в бесконечном закрытом океане. Когда p > 1/2 Происходит прямо противоположное, с конечными закрытыми островами в бесконечном открытом океане. Картина более сложна, когда d ≥ 3, так как p c < 1/2 для , и существует сосуществование бесконечных открытых и закрытых кластеров между P C и 1 - P C. P

Критичность

[ редактировать ]
Увеличьте увеличение критического кластера перколяции (нажмите, чтобы оживить)

Перколяция обладает особой в критической точке P = P C, и многие свойства ведут себя как власть с , около Полем Теория масштабирования предсказывает существование критических показателей , в зависимости от числа D измерений, которые определяют класс сингулярности. Когда d = 2 эти прогнозы подкрепляются аргументами из конформной теории поля и эволюции Шрамм -Лоунера и включают прогнозируемые численные значения для экспонентов. Большинство из этих прогнозов являются предположительными, за исключением случаев, когда число D измерений удовлетворяет либо D = 2 , либо D ≥ 6 . Они включают в себя:

  • Нет бесконечных кластеров (открытые или закрытые)
  • Вероятность того, что существует открытый путь от какой -то фиксированной точки (скажем, происхождение) до расстояния R , уменьшается полиномиально , т.е. на порядок r а Для некоторых α
    • α не зависит от выбранной конкретной решетки или от других локальных параметров. Это зависит только от измерения D (это экземпляр принципа универсальности ).
    • α D уменьшается от d = 2 до d = 6 , а затем остается фиксированным.
    • A 2 = - 5 / 48
    • A 6 = -1 .
  • Форма большого кластера в двух измерениях конформно инвариантна .

См. Гримметт (1999) . [ 17 ] В 11 или более измерениях эти факты в значительной степени подтверждаются с использованием техники, известной как расширение кружева . Считается, что версия расширения кружева должна быть действительной для 7 или более измерений, возможно, с последствиями также для порогового случая 6 измерений. Соединение перколяции с расширением кружева обнаружена в Hara & Slade (1990) . [ 18 ]

В двух измерениях первый факт («отсутствие перколяции в критической фазе») доказано для многих решетков с использованием двойственности. Существенный прогресс был достигнут в отношении двумерной перколяции посредством гипотезы Одида Шрамма о том, что ограничение масштабирования большого кластера может быть описано с точки зрения эволюции Шраммма-Ловнера . Эта гипотеза была доказана Смирнова (2001) [ 19 ] В особом случае перколяции участка на треугольной решетке.

Разные модели

[ редактировать ]

Приложения

[ редактировать ]

В области биологии, биохимии и физической вирусологии

[ редактировать ]

Теория перколяции была использована для успешного прогнозирования фрагментации раковин биологических вирусов (капсиды), [ 21 ] [ 22 ] с порогом фрагментации гепатита В вируса капсида предсказано и обнаружено экспериментально. [ 23 ] Когда критическое количество субъединиц было случайным образом удалено из наноскопической оболочки, ее фрагменты, и эта фрагментация может быть обнаружена с использованием масс-спектроскопии обнаружения заряда (CDM) среди других методов отдельных частей. Это молекулярный аналог с общей настольной игрой Jenga , и имеет отношение к более широкому исследованию разборки вируса. Интересно, что более стабильные вирусные частицы (наклоны с большими порогами фрагментации) обнаружены в большей численности в природе. [ 21 ]

В экологии

[ редактировать ]

Теория перколяции была применена для исследований того, как фрагментация окружающей среды влияет на среду обитания животных [ 24 ] и модели того, как распространяется чума бактерия иерсиния . [ 25 ]

Смотрите также

[ редактировать ]
  1. ^ Jump up to: а беременный Бродбент, Саймон; Хаммерсли, Джон (1957). «Процессы перколяции I. кристаллы и лабиринты». Математические разбирательства Кембриджского философского общества . 53 (3): 629–641. Bibcode : 1957pcps ... 53..629b . doi : 10.1017/s0305004100032680 . ISSN   0305-0041 . S2CID   84176793 .
  2. ^ Сахини, М.; Сахими М. (2003-07-13). Применение теории перколяции . CRC Press. ISBN  978-0-203-22153-2 Полем Архивировано из оригинала 2023-02-04 . Получено 2020-10-27 .
  3. ^ Ван Кревел, Дирк В. (1982). «Разработка угольных исследований - обзор». Топливо . 61 (9): 786–790. doi : 10.1016/0016-2361 (82) 90304-0 .
  4. ^ Документы Розалинды Франклина - дыры в угле: исследования в Bcura и в Париже, 1942-1951. https://profiles.nlm.nih.gov/spotlight/kr/feature/coal Archived 2022-07-07 на машине Wayback . Доступ: 2022-01-17.
  5. ^ Хаммерсли, JM; Уэльс, DJA (1980). «Теория перколяции и ее последствия». Современная физика . 21 (6): 593–605. Bibcode : 1980conph..21..593h . doi : 10.1080/00107518008210661 .
  6. ^ Bollobás, Béla; Риордан, Оливер (2006). «Шоркие пороги и перколяция в плоскости». Случайные структуры и алгоритмы . 29 (4): 524–548. arxiv : математика/0412510 . doi : 10.1002/rsa.20134 . ISSN   1042-9832 . S2CID   7342807 .
  7. ^ Меж Ньюман; RM Ziff (2000). «Эффективный алгоритм Монте-Карло и высокие результаты для перколяции». Письма о физическом обзоре . 85 (19): 4104–4107. arxiv : cond-mat/0005264 . Bibcode : 2000phrvl..85.4104n . doi : 10.1103/physrevlett.85.4104 . PMID   11056635 . S2CID   747665 .
  8. ^ Erdős, P. & Rényi, A. (1959). «На случайных графах I.». Издательство Математика (6): 290-297.
  9. ^ Erdős, P. & Rényi, A. (1960). «Эволюция случайных графиков». Издательство Математика Институт Подвешенный Академический Наука (5): 17–61.
  10. ^ Bolloba's, B. (1985). «Случайные графики». Академический .
  11. ^ Берченко, Якир; Artzy-Randrup, Yael; Тейхер, Мина; Стоун, Льюи (2009-03-30). «Появление и размер гигантского компонента в кластерных случайных графиках с данным распределением степени» . Письма о физическом обзоре . 102 (13): 138701. Bibcode : 2009 phrvl.102m8701b . doi : 10.1103/physrevlett.102.138701 . ISSN   0031-9007 . PMID   19392410 . Архивировано из оригинала 2023-02-04 . Получено 2022-02-24 .
  12. ^ Ли, Мин; Лю, Ран-Ран; Лю, Линиюан; Ху, Мао-бин; Сюй, Шуки; Чжан, И-Ченг (2021-04-25). «Перколяция в сложных сетях: теория и применение» . Физические отчеты . Перколяция в сложных сетях: теория и применение. 907 : 1–68. Arxiv : 2101.11761 . Бибкод : 2021 ч ... 907 .... 1L . doi : 10.1016/j.physrep.2020.12.003 . ISSN   0370-1573 . S2CID   231719831 .
  13. ^ Хасан, MK; Рахман М.М. (2015). «Перколяция на многофрактальной плоской стохастической решетке и ее универсальности». Физический Преподобный 92 (4): 040101. Arxiv : 1504.06389 . BIBCODE : 2015HRVE..92D0101H . doi : 10.1103/physreve.92.040101 . PMID   26565145 . S2CID   119112286 .
  14. ^ Хасан, MK; Рахман, М.М. (2016). «Универсальный класс сайта и перколяции связей на мульти-мультфрактальном масштабе плоской стохастической решетки». Физический Преподобный 94 (4): 042109. Arxiv : 1604.08699 . Bibcode : 2016 Phrve..94D2109H . doi : 10.1103/physreve.94.042109 . PMID   27841467 . S2CID   22593028 .
  15. ^ Кестен, Гарри (1982). Теория перколяции для математиков . Биркхаузер. doi : 10.1007/978-1-4899-2730-9 . ISBN  978-0-8176-3107-9 .
  16. ^ Гримметт, Джеффри ; Марстранд, Джон (1990). «Суперкритическая фаза перколяции хорошо ведет себя». Труды Королевского общества A: Математические, физические и инженерные науки . 430 (1879): 439–457. BIBCODE : 1990RSPSA.430..439G . doi : 10.1098/rspa.1990.0100 . ISSN   1364-5021 . S2CID   122534964 .
  17. ^ Гримметт, Джеффри (1999). Перколяция . Основное обучение математических наук. Том. Doi : 10.1007/978-3-662-03981-6 . ISBN  978-3-642-08442-3 Полем ISSN   0072-7830 . Архивировано из оригинала 2020-02-23 . Получено 2009-04-18 .
  18. ^ Хара, Такаши; Слэйд, Гордон (1990). «Критическое поведение среднего поля для перколяции в высоких измерениях» . Общение в математической физике . 128 (2): 333–391. Bibcode : 1990cmaph.128..333H . doi : 10.1007/bf02108785 . ISSN   0010-3616 . S2CID   119875060 . Архивировано из оригинала 2021-02-24 . Получено 2022-10-30 .
  19. ^ ( 2001 ). Формула Карди, лестница. Счета Рендус Академии наук I. 333 (3): 239–244. arxiv 0909.4499: Bibcode 2001CRASM.333..239S:  10.1.1.246.2739Citeserx два 10.1016/S0764-4442(01)01991-7: ISSN   0764-4
  20. ^ Adler, Joan (1991), «Перколяция начальной загрузки», Physica A: статистическая механика и ее приложения , 171 (3): 453–470, Bibcode : 1991phya..171..453a , doi : 10.1016/0378-4371 (91) 90295-N .
  21. ^ Jump up to: а беременный Brunk, Nicholas E.; Twarock, Reidun (2021). «Теория перколяции выявляет биофизические свойства вирусных частиц» . ACS Nano . 15 (8). Американское химическое общество (ACS): 12988–12995. doi : 10.1021/acsnano.1c01882 . ISSN   1936-0851 . PMC   8397427 . PMID   34296852 .
  22. ^ Бранк, северо -восток; Ли, LS; Глейзер, JA; Butske, W.; Zlotnick, A. (2018). «Молекулярная дженга: фазовый переход перколяции (коллапс) в вирусных капсидах» . Физическая биология . 15 (5): 056005. BIBCODE : 2018 PHBIO..15E6005B . doi : 10.1088/1478-3975/AAC194 . PMC   6004236 . PMID   29714713 .
  23. ^ Ли, LS; Brunk, N.; Haywood, DG; Keifer, D.; Pierson, E.; Kondylis, P.; Zlotnick, A. (2017). «Молекулярная макет: удаление и замена субъединиц в капсиде вируса гепатита В» . Белковая наука . 26 (11): 2170–2180. doi : 10.1002/pro.3265 . PMC   5654856 . PMID   28795465 .
  24. ^ Boswell, GP; Бриттон, NF; Franks, NR (1998-10-22). «Фрагментация среды обитания, теория перколяции и сохранение видов Keystone» . Труды Королевского общества Лондона B: Биологические науки . 265 (1409): 1921–1925. doi : 10.1098/rspb.1998.0521 . ISSN   0962-8452 . PMC   1689475 .
  25. ^ Дэвис, с.; Trapman, P.; Leirs, H.; Begon, M.; Hesterbeek, J. A. П. (2008-07-31). «Порог изобилия для чумы как критического явления перколяции». Природа . 454 (7204): 634–637. Bibcode : 2008natur.454..634d . doi : 10.1038/nature07053 . HDL : 1874/29683 . ISSN   1476-4687 . PMID   18668107 . S2CID   4425203 .

Дальнейшее чтение

[ редактировать ]
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 2b7cd87713783d0680bb2e4dddbfeeef__1723551960
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/2b/ef/2b7cd87713783d0680bb2e4dddbfeeef.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Percolation theory - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)