Jump to content

Энтропия Цаллиса

В физике энтропия Тсаллиса является обобщением стандартной энтропии Больцмана-Гиббса . Он пропорционален математическому ожиданию q-логарифма распределения.

Концепция была представлена ​​в 1988 году Константино Цаллисом. [1] как основа для обобщения стандартной статистической механики и по форме идентична структурной α-энтропии Гаврды–Чарвата , [2] введен в 1967 году в рамках теории информации .

Определение

[ редактировать ]

Учитывая дискретный набор вероятностей с условием , и любое действительное число, энтропия Тсаллиса определяется как

где это реальный параметр, который иногда называют энтропийным индексом и положительная константа.

В пределе как , восстанавливается обычная энтропия Больцмана–Гиббса, а именно

где человек идентифицирует с постоянной Больцмана .

Для непрерывных распределений вероятностей мы определяем энтропию как

где представляет собой функцию плотности вероятности .

Перекрестная энтропия

[ редактировать ]

Кулон перекрестной энтропии - это ожидание отрицательного q-логарифма относительно второго распределения, . Так .

С использованием , это можно написать . Для меньшего , ценности все склонны к .

Предел вычисляет отрицательный наклон в и один выздоравливает . Итак, для фиксированного малого повышение этого ожидания связано с максимизацией логарифмического правдоподобия .

Характеристики

[ редактировать ]

Личности

[ редактировать ]

Логарифм можно выразить через наклон через в результате чего получается следующая формула для стандартной энтропии:

Аналогично, дискретная энтропия Тсаллиса удовлетворяет условию

где D q q-производная по x .

Неаддитивность

[ редактировать ]

Даны две независимые системы A и B , для которых совместная плотность вероятности удовлетворяет

энтропия Цаллиса этой системы удовлетворяет

Из этого результата видно, что параметр является мерой отклонения от аддитивности. В пределе, когда q = 1,

это то, что ожидается от аддитивной системы. Это свойство иногда называют «псевдоаддитивностью».

Экспоненциальные семьи

[ редактировать ]

Многие распространенные распределения, такие как нормальное распределение, принадлежат к статистическим экспоненциальным семействам .Энтропию Цаллиса для экспоненциального семейства можно записать [3] как

где F — логарифмический нормализатор, а k — член, указывающий меру несущей.Для многомерного нормального члена k равен нулю, и поэтому энтропия Тсаллиса находится в замкнутой форме.

Приложения

[ редактировать ]

Энтропия Тсаллиса использовалась вместе с принципом максимальной энтропии для получения распределения Тсаллиса .

В научной литературе обсуждается физическая значимость энтропии Цаллиса. [4] [5] [6] Однако, начиная с 2000 года, все более широкий спектр природных, искусственных и социальных сложных систем , которые подтверждают предсказания и последствия, вытекающие из этой неаддитивной энтропии, такие как неэкстенсивная статистическая механика, был выявлен [7] что обобщает теорию Больцмана–Гиббса.

Среди различных экспериментальных подтверждений и приложений, имеющихся в настоящее время в литературе, особого упоминания заслуживают следующие:

  1. Распределение, характеризующее движение холодных атомов в диссипативных оптических решетках , предсказанное в 2003 г. [8] и наблюдалось в 2006 г. [9]
  2. Флуктуации магнитного поля солнечного ветра позволили рассчитать q-триплет (или триплет Цаллиса). [10]
  3. Распределение скоростей в индуцированной диссипативной пылевой плазме . [11]
  4. Релаксация спинового стекла . [12]
  5. Захваченный ион взаимодействует с классическим буферным газом . [13]
  6. Столкновительные эксперименты при высоких энергиях на LHC/CERN (детекторы CMS, ATLAS и ALICE) [14] [15] и RHIC/Brookhaven (детекторы STAR и PHENIX). [16]

Среди различных доступных теоретических результатов, которые проясняют физические условия, при которых применима энтропия Тсаллиса и связанная с ней статистика, можно выбрать следующие:

  1. Аномальная диффузия . [17] [18]
  2. Теорема единственности . [19]
  3. Чувствительность к начальным условиям и производство энтропии на грани хаоса. [20] [21]
  4. Наборы вероятностей , которые делают неаддитивную энтропию Тсаллиса экстенсивной в термодинамическом смысле. [22]
  5. Сильно квантово запутанные системы и термодинамика. [23]
  6. Термостатистика задемпфированного движения взаимодействующих частиц. [24] [25]
  7. Нелинейные обобщения уравнений Шрёдингера, Клейна–Гордона и Дирака . [26]
  8. Расчет энтропии черной дыры. [27]

Более подробную информацию можно найти по адресу http://tsallis.cat.cbpf.br/biblio.htm.

Обобщенная энтропия

[ редактировать ]

Несколько интересных физических систем [28] соблюдать энтропийные функционалы , которые являются более общими, чем стандартная энтропия Тсаллиса. Поэтому было введено несколько физически значимых обобщений. Двумя наиболее общими из них являются: Суперстатистика , представленная К. Беком и EGD Коэном в 2003 году. [29] и Спектральная статистика , представленная Г. А. Цекурасом и Константино Цаллисом в 2005 году. [30] Обе эти энтропийные формы имеют статистику Тсаллиса и Больцмана – Гиббса как особые случаи; Было доказано, что спектральная статистика, по крайней мере, содержит суперстатистику, и предполагалось, что она также охватывает некоторые дополнительные случаи. [ нужна ссылка ]

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Цаллис, К. (1988). «Возможное обобщение статистики Больцмана-Гиббса». Журнал статистической физики . 52 (1–2): 479–487. Бибкод : 1988JSP....52..479T . дои : 10.1007/BF01016429 . hdl : 10338.dmlcz/142811 . S2CID   16385640 .
  2. ^ Хаврда, Дж.; Чарват, Ф. (1967). «Количественный метод классификации процессов. Понятие структурной α-энтропии» (PDF) . Кибернетика . 3 (1): 30–35.
  3. ^ Нильсен, Ф.; Нок, Р. (2012). «Выражение в замкнутой форме для энтропии Шармы – Миттала экспоненциальных семейств». Физический журнал A: Математический и теоретический . 45 (3): 032003. arXiv : 1112.4221 . Бибкод : 2012JPhA...45c2003N . дои : 10.1088/1751-8113/45/3/032003 . S2CID   8653096 .
  4. ^ Чо, А. (2002). «Свежий взгляд на беспорядок или беспорядочная наука?». Наука . 297 (5585): 1268–1269. дои : 10.1126/science.297.5585.1268 . ПМИД   12193769 . S2CID   5441957 .
  5. ^ Абэ, С.; Раджагопал, АК (2003). «Возвращение к беспорядку и статистике Цаллиса». Наука . 300 (5617): 249–251. дои : 10.1126/science.300.5617.249d . ПМИД   12690173 . S2CID   39719500 .
  6. ^ Прессе, С.; Гош, К.; Ли, Дж.; Дилл, К. (2013). «Неаддитивные энтропии дают распределения вероятностей со смещениями, не подтвержденными данными». Физ. Преподобный Летт . 111 (18): 180604. arXiv : 1312.1186 . Бибкод : 2013PhRvL.111r0604P . doi : 10.1103/PhysRevLett.111.180604 . ПМИД   24237501 . S2CID   2577710 .
  7. ^ Цаллис, Константино (2009). Введение в неэкстенсивную статистическую механику: подход к сложному миру (онлайн-авторское издание). Нью-Йорк: Спрингер. ISBN  978-0-387-85358-1 .
  8. ^ Лутц, Э. (2003). «Аномальная диффузия и статистика Тсаллиса в оптической решетке». Физический обзор А. 67 (5): 051402. arXiv : cond-mat/0210022 . Бибкод : 2003PhRvA..67e1402L . дои : 10.1103/PhysRevA.67.051402 . S2CID   119403353 .
  9. ^ Дуглас, П.; Бергамини, С.; Ренцони, Ф. (2006). «Настраиваемые распределения Цаллиса в диссипативных оптических решетках» (PDF) . Письма о физических отзывах . 96 (11): 110601. Бибкод : 2006PhRvL..96k0601D . doi : 10.1103/PhysRevLett.96.110601 . ПМИД   16605807 .
  10. ^ Бурлага, ЛФ; - Виньяс, А.Ф. (2005). «Треугольник энтропийного индекса q неэкстенсивной статистической механики, наблюдаемый «Вояджером-1» в далекой гелиосфере». Физика А: Статистическая механика и ее приложения . 356 (2–4): 375. arXiv : Physics/0507212 . Бибкод : 2005PhyA..356..375B . дои : 10.1016/j.physa.2005.06.065 . S2CID   18823047 .
  11. ^ Лю, Б.; Гори, Дж. (2008). «Супердиффузия и негауссова статистика в управляемо-диссипативной двумерной пылевой плазме». Письма о физических отзывах . 100 (5): 055003. arXiv : 0801.3991 . Бибкод : 2008PhRvL.100e5003L . doi : 10.1103/PhysRevLett.100.055003 . ПМИД   18352381 . S2CID   2022402 .
  12. ^ Пикап, Р.; Цивински, Р.; Паппас, К.; Фараго, Б.; Фуке, П. (2009). «Обобщенная спин-стеклянная релаксация». Письма о физических отзывах . 102 (9): 097202. arXiv : 0902.4183 . Бибкод : 2009PhRvL.102i7202P . doi : 10.1103/PhysRevLett.102.097202 . ПМИД   19392558 . S2CID   6454082 .
  13. ^ Дево, Р. (2009). «Степенное распределение захваченного иона, взаимодействующего с классическим буферным газом». Письма о физических отзывах . 102 (6): 063001. arXiv : 0903.0637 . Бибкод : 2009PhRvL.102f3001D . doi : 10.1103/PhysRevLett.102.063001 . ПМИД   19257583 . S2CID   15945382 .
  14. ^ Хачатрян В.; Сирунян А.; Тумасян А.; Адам, В.; Бергауэр, Т.; Драгичевич, М.; Эро, Дж.; Фабьян, К.; Фридл, М.; Фрювирт, Р.; Гете, В.М.; Хаммер, Дж.; Гензель, С.; Хох, М.; Хёрманн, Н.; Грубец, Дж.; Джейтлер, М.; Касечка, Г.; Кизенхофер, В.; Краммер, М.; Лико, Д.; Микулек, И.; Перницка, М.; Рорингер, Х.; Шефбек, Р.; Штраус, Дж.; Таурок, А.; Тайшингер, Ф.; Вальтенбергер, В.; и др. (2010). «Распределение поперечного импульса и псевдобыстроты заряженных адронов в pp-столкновениях при s = 7 ТэВ». Письма о физических отзывах . 105 (2): 022002. arXiv : 1005.3299 . Бибкод : 2010PhRvL.105b2002K . doi : 10.1103/PhysRevLett.105.022002 . ПМИД   20867699 . S2CID   119196941 .
  15. ^ Чатрчян С.; Хачатрян В.; Сирунян А.М.; Тумасян А.; Адам, В.; Бергауэр, Т.; Драгичевич, М.; Эро, Дж.; Фабьян, К.; Фридл, М.; Фрювирт, Р.; Гете, В.М.; Хаммер, Дж.; Гензель, С.; Хох, М.; Хёрманн, Н.; Грубец, Дж.; Джейтлер, М.; Кизенхофер, В.; Краммер, М.; Лико, Д.; Микулек, И.; Перницка, М.; Рорингер, Х.; Шефбек, Р.; Штраус, Дж.; Таурок, А.; Тайшингер, Ф.; Вагнер, П.; и др. (2011). «Спектры поперечного импульса заряженных частиц в pp-столкновениях при $ s = 0,9 и 7 ТэВ». Журнал физики высоких энергий . 2011 (8): 86. arXiv : 1104.3547 . Бибкод : 2011JHEP...08..086C . дои : 10.1007/JHEP08(2011)086 . S2CID   122835798 .
  16. ^ Адэр, А.; Афанасьев С.; Айдала, К.; Аджитананд, Н.; Акиба, Ю.; Аль-Батайне, Х.; Александр, Дж.; Аоки, К.; Афечетч, Л.; Армендарис, Р.; Аронсон, Ш.; Асаи, Дж.; Атомсса, ET; Авербек, Р.; Авес, TC; Азмун, Б.; Бабинцев В.; Бай, М.; Баксай, Г.; Баксай, Л.; Балдиссери, А.; Бариш, КН; Барнс, PD; Бассаллек, Б.; Бэйси, AT; Бат, С.; Бацули, С.; Баублис, В.; Бауманн, К.; и др. (2011). «Измерение нейтральных мезонов в p + p -столкновениях при s = 200 ГэВ и масштабирующие свойства образования адронов». Физический обзор D . 83 (5): 052004. arXiv : 1005.3674 . Бибкод : 2011PhRvD..83e2004A . doi : 10.1103/PhysRevD.83.052004 . S2CID   85560021 .
  17. ^ Пластино, Арканзас; Пластино, А. (1995). «Нерасширенная статистическая механика и обобщенное уравнение Фоккера-Планка». Физика А: Статистическая механика и ее приложения . 222 (1–4): 347–354. Бибкод : 1995PhyA..222..347P . дои : 10.1016/0378-4371(95)00211-1 .
  18. ^ Цаллис, К.; Букман, Д. (1996). «Аномальная диффузия в присутствии внешних сил: точные нестационарные решения и их термостатическая основа». Физический обзор E . 54 (3): 2197–2200 рандов. arXiv : cond-mat/9511007 . Бибкод : 1996PhRvE..54.2197T . дои : 10.1103/PhysRevE.54.R2197 . ПМИД   9965440 . S2CID   16272548 .
  19. ^ Абэ, С. (2000). «Аксиомы и теорема единственности энтропии Цаллиса». Буквы по физике А. 271 (1–2): 74–79. arXiv : cond-mat/0005538 . Бибкод : 2000PhLA..271...74A . дои : 10.1016/S0375-9601(00)00337-6 . S2CID   119513564 .
  20. ^ Лира, М.; Цаллис, К. (1998). «Нерасширенность и мультифрактальность в маломерных диссипативных системах». Письма о физических отзывах . 80 (1): 53–56. arXiv : cond-mat/9709226 . Бибкод : 1998PhRvL..80...53L . doi : 10.1103/PhysRevLett.80.53 . S2CID   15039078 .
  21. ^ Балдовин Ф.; Робледо, А. (2004). «Неэкстенсивная идентичность Пезина: точные аналитические результаты ренормгруппы для динамики на краю хаоса логистической карты». Физический обзор E . 69 (4): 045202. arXiv : cond-mat/0304410 . Бибкод : 2004PhRvE..69d5202B . дои : 10.1103/PhysRevE.69.045202 . ПМИД   15169059 . S2CID   30277614 .
  22. ^ Цаллис, К.; Гелл-Манн, М.; Сато, Ю. (2005). «Асимптотически масштабно-инвариантная заселенность фазового пространства делает энтропию Sq обширной» . Труды Национальной академии наук . 102 (43): 15377–82. arXiv : cond-mat/0502274 . Бибкод : 2005PNAS..10215377T . дои : 10.1073/pnas.0503807102 . ПМК   1266086 . ПМИД   16230624 .
  23. ^ Карузо, Ф.; Цаллис, К. (2008). «Неаддитивная энтропия согласовывает закон площади в квантовых системах с классической термодинамикой». Физический обзор E . 78 (2): 021102. arXiv : cond-mat/0612032 . Бибкод : 2008PhRvE..78b1102C . дои : 10.1103/PhysRevE.78.021102 . ПМИД   18850781 . S2CID   18006627 .
  24. ^ Андраде, Дж.; Да Силва, Г.; Морейра, А.; Нобре, Ф.; Курадо, Э. (2010). «Термостатистика затухающего движения взаимодействующих частиц». Письма о физических отзывах . 105 (26): 260601. arXiv : 1008.1421 . Бибкод : 2010PhRvL.105z0601A . doi : 10.1103/PhysRevLett.105.260601 . ПМИД   21231636 . S2CID   14831948 .
  25. ^ Рибейро, М.; Нобре, Ф.; Курадо, ЭМ (2012). «Временная эволюция взаимодействующих вихрей при перезатухающем движении» (PDF) . Физический обзор E . 85 (2): 021146. Бибкод : 2012PhRvE..85b1146R . дои : 10.1103/PhysRevE.85.021146 . ПМИД   22463191 . S2CID   25200027 .
  26. ^ Нобре, Ф.; Рего-Монтейро, М.; Цаллис, К. (2011). «Нелинейные релятивистские и квантовые уравнения с общим типом решения». Письма о физических отзывах . 106 (14): 140601. arXiv : 1104.5461 . Бибкод : 2011PhRvL.106n0601N . doi : 10.1103/PhysRevLett.106.140601 . ПМИД   21561176 . S2CID   12679518 .
  27. ^ Маджи, Абхишек (2017). «Неэкстенсивная статистическая механика и энтропия черной дыры из квантовой геометрии». Буквы по физике Б. 775 : 32–36. arXiv : 1703.09355 . Бибкод : 2017PhLB..775...32M . дои : 10.1016/j.physletb.2017.10.043 . S2CID   119397503 .
  28. ^ Гарсиа-Моралес, В.; Кришер, К. (2011). «Суперстатистика в наноразмерных электрохимических системах» . Труды Национальной академии наук . 108 (49): 19535–19539. Бибкод : 2011PNAS..10819535G . дои : 10.1073/pnas.1109844108 . ПМК   3241754 . ПМИД   22106266 .
  29. ^ Бек, К.; Коэн, EGD (2003). «Суперстатистика». Физика А: Статистическая механика и ее приложения . 322 : 267–275. arXiv : cond-mat/0205097 . Бибкод : 2003PhyA..322..267B . дои : 10.1016/S0378-4371(03)00019-0 . S2CID   261331784 .
  30. ^ Цекоурас, Джорджия; Цаллис, К. (2005). «Обобщенная энтропия, возникающая в результате распределения индексов q». Физический обзор E . 71 (4): 046144. arXiv : cond-mat/0412329 . Бибкод : 2005PhRvE..71d6144T . дои : 10.1103/PhysRevE.71.046144 . ПМИД   15903763 . S2CID   16663654 .

Дальнейшее чтение

[ редактировать ]
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 46304e75464c7ce9da95cbb572ac333b__1709736420
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/46/3b/46304e75464c7ce9da95cbb572ac333b.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Tsallis entropy - 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.)