Теория перколяции
Часть серии на | ||||
Сетевая наука | ||||
---|---|---|---|---|
Типы сети | ||||
Графики | ||||
|
||||
Модели | ||||
|
||||
| ||||
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 ]

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).

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 .

История
[ редактировать ]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 ℤ 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 .

- Для случайной сети, похожей на дерево без корреляции степени, можно показать, что такая сеть может иметь гигантский компонент , а порог перколяции (вероятность передачи) определяется , где Является ли генерирующая функция , соответствующая распределению избыточной степени . Итак, для случайных сети ERDőS -Rényi средней степени , p c = 1 / ⟨k⟩ . [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]
- В сетях с низкой кластеризацией , , критическая точка масштабируется на таково::
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 ]
Фазы
[ редактировать ]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 ℤ 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 ℤ 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 ]
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 ]- Направленная перколяция , которая моделирует влияние гравитационных сил, действующих на жидкость, также была введена в Broadbent & Hammersley (1957) , [ 1 ] и имеет подключения с процессом контакта .
- Первой изученной моделью была Бернулли Перколяция. В этой модели все облигации независимы. Эта модель называется перколяцией связи физиками.
- Затем было представлено обобщение как модель случайного кластера Fortuin -Kasteleyn , которая имеет много связей с модели Ising и других моделей Potts .
- Перколяция Бернулли (Бонда) на полных графиках является примером случайного графика . Критическая вероятность - p = 1 / n , где n - количество вершин (сайты) графика.
- Перколяция начальной загрузки удаляет активные клетки из кластеров, когда у них слишком мало активных соседей, и смотрит на связь оставшихся клеток. [ 20 ]
- Первый проход перколяции .
- Перколяция вторжения .
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 ]- Теория перколяции континуума
- Критический показатель - параметр, описывающий физику вблизи критических точек
- Направленная перколяция - физические модели фильтрации при таких силах, как гравитация
- Модель Erdős -Rényi - две тесно связанные модели для случайных графиков генерации
- Фрактал - бесконечно детальная математическая структура
- Гигантский компонент - большой подключенный компонент случайного графика
- Теория графика - область дискретной математики
- Взаимозависимые сети - подполет сетевой науки
- Перколяция вторжения
- КАН -КАЛАЙ ГПИДУ - Математическое предложение
- Теория сети - изучение графиков как представление отношений между дискретными объектами
- Сетевая наука - академическая область
- Порог перколяции - порог моделей теории перколяции
- Критические показатели перколяции - математический параметр в теории перколяции
- Бесплановая сеть -сеть, распределение степени, распределение степени следует за законом о энергетике
- Кратчайшая проблема пути - вычислительная проблема теории графиков
- Гипотеза Bunchbed - гипотеза в вероятностных комбинаториках
Ссылки
[ редактировать ]- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Ван Кревел, Дирк В. (1982). «Разработка угольных исследований - обзор». Топливо . 61 (9): 786–790. doi : 10.1016/0016-2361 (82) 90304-0 .
- ^ 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.
- ^ Хаммерсли, JM; Уэльс, DJA (1980). «Теория перколяции и ее последствия». Современная физика . 21 (6): 593–605. Bibcode : 1980conph..21..593h . doi : 10.1080/00107518008210661 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Erdős, P. & Rényi, A. (1959). «На случайных графах I.». Издательство Математика (6): 290-297.
- ^ Erdős, P. & Rényi, A. (1960). «Эволюция случайных графиков». Издательство Математика Институт Подвешенный Академический Наука (5): 17–61.
- ^ Bolloba's, B. (1985). «Случайные графики». Академический .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Кестен, Гарри (1982). Теория перколяции для математиков . Биркхаузер. doi : 10.1007/978-1-4899-2730-9 . ISBN 978-0-8176-3107-9 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ ( 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
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- Айзенман, Майкл ; Barsky, David (1987), "Sharpness of the phase transition in percolation models" , Communications in Mathematical Physics , 108 (3): 489–526, Bibcode : 1987CMaPh.108..489A , doi : 10.1007/BF01212322 , S2CID 35592821
- Menshikov, Mikhail (1986), «Совпадение критических точек в проблемах перколяции», Советская математика - Doklady , 33 : 856–859
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Остин, Дэвид (июль 2008 г.). «Перколяция: проскальзывает по трещинах» . Американское математическое общество. Архивировано из оригинала на 2009-11-13 . Получено 2021-04-28 .
- Bollobás, Béla ; Риордан, Оливер (2006). Перколяция . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0521872324 Полем Архивировано из оригинала 2015-09-23 . Получено 2008-06-26 .
- Кестен, Гарри (май 2006 г.). "Что такое ... перколяция?" (PDF) . Уведомления об американском математическом обществе . 53 (5): 572–573. ISSN 1088-9477 . Архивировано (PDF) из оригинала на 2021-05-02 . Получено 2021-04-28 .