交互作用粒子系統

生成元與局部翻轉速率(generator and local flip rates)

若組態空間與 Feller 理論告訴我們交互作用粒子系統存在,那麼生成元與其局部翻轉速率便告訴我們它是哪一個系統。生成元 L 是動態的無窮小描述:它對系統能做的每個局部變化,編碼出在當前組態下該變化發生的速度。IPS 的一切分析性質——不變測度、守恆量、對偶、流體動力學行為——皆由 L 讀出。熟悉有限 CTMC 的 Q 矩陣的讀者,應把 L 想成(形式上)無窮維的 Q 矩陣:同一個對象 (Lf)(eta) = sum over 各種可能轉移 of [速率] 乘 [f(之後) - f(之前)],只是現在每個(位點, 組態)配一項。

具體而言,對自旋翻轉系統,生成元作用在局部函數 f 上為 (L f)(eta) = sum_{x in S} c(x, eta) [ f(eta^x) - f(eta) ],其中 c(x, eta) >= 0 是組態為 eta 時 x 處自旋翻轉(0 變 1 或 1 變 0)的速率,eta^x 表示把 eta 在 x 座標翻轉後的組態。模型的局部性完全寓於速率中:c(x, eta) 僅依賴 eta 在 x 的有限鄰域上的限制(有限程),而平移不變性意味著 c(x, eta) = c(0, tau_{-x} eta),tau 為平移。對守恆(粒子守恆)系統,則改用交換速率 c(x, y, eta),生成元為 (L f)(eta) = sum_{x, y} c(x, y, eta) [ f(eta^{x,y}) - f(eta) ],其中 eta^{x,y} 把 x 與 y 的內容互換。測度 mu 為不變的充要條件是對所有局部 f 有 integral L f dmu = 0(平穩主方程),而當它滿足此恆等式的細緻平衡形式時為可逆;Dynkin 公式 f(eta_t) - f(eta_0) - integral_0^t (L f)(eta_s) ds 是鞅,乃幾乎每一項計算背後的分析引擎。

翻轉速率是做出建模選擇之處,速率的細微差異可產生性質迥異的物理。投票者速率是意見相左的鄰居比例;接觸過程速率是以 lambda 乘被感染鄰居數的速率出生,再加上速率 1 的死亡;Glauber(伊辛)速率以依局部能量變化的速率翻轉自旋,調校使吉布斯測度可逆。一個誠實的提醒:上述 L 的公式只是定義在局部(柱)函數上的預生成元。要得到真正的馬可夫半群,必須取其閉包並驗證 Hille-Yosida/Liggett 條件;真正生成元的定義域更大、更難描述,許多看似自然的計算僅在局部函數構成的核(core)上有效,須以逼近加以證成。

Z^d 上伊辛模型的 Glauber 動態:x 處自旋以速率 c(x, eta) = exp( -beta * Delta_x H(eta) ) / ( 1 + exp(-beta Delta_x H) ) 翻轉,其中 Delta_x H 是翻轉 x 的能量變化。這些速率對吉布斯測度滿足細緻平衡,故吉布斯測度是該動態的可逆不變測度——動態理論在其平衡態重現了靜態理論。

選取翻轉速率使其遵守細緻平衡,便讓目標吉布斯測度成為平衡態——這是 IPS 動態與統計力學的連結。

所示公式只是局部函數上的預生成元;真正的馬可夫生成元是其閉包,在柱函數上證得的恆等式僅能藉逼近延拓到完整定義域。外觀不同但共享同一生成元的速率規定,定義的是同一個過程。

又称
spin-flip generatorMarkov pre-generator局部速率自旋翻轉生成元