dissertação
O princípio da mínima ação estocástico: um estudo no contexto dos movimentos randômicos e sua aplicação em eventos tipo cisne negro
Carregando...
Notas
Data
Orientadores
Editores
Coorientadores
Membros de banca
Título da Revista
ISSN da Revista
Título de Volume
Editor
Universidade Federal de Lavras
Faculdade, Instituto ou Escola
Departamento
Departamento de Física
Programa de Pós-Graduação
Programa de Pós-Graduação em Física
Agência de fomento
Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
Tipo de impacto
Áreas Temáticas da Extensão
Objetivos de Desenvolvimento Sustentável
Dados abertos
Resumo
O princípio da mínima ação é um dos mais importantes princípios da física e possui aplicações
em diversas áreas. Tal princípio afirma que a trajetória pela qual um sistema evolui é aquela
que possui a ação mínima. Por sua vez, no cenário de movimentos randômicos, devido ao fato
de serem não determinísticos, ele não é diretamente aplicável. Portanto, para abordar este tipo
de situação, desenvolvemos o princípio da mínima ação estocástico (PMAE), princípio este que
deve reproduzir resultados análogos aos obtidos pelas integrais de trajetória. Para tanto,
consideramos que a média da variação da ação clássica das possíveis trajetórias deve ser
minimizada, obtendo assim os vínculos que a distribuição de probabilidade de trajetória de um
movimento randômico deve obedecer. Utilizando o princípio de Jaynes, encontramos a
distribuição de probabilidade de trajetória, que é proporcional ao inverso da exponencial da
ação. Tomando este movimento como um sistema markoviano, associamos a probabilidade de
cada ponto de uma trajetória com o ponto imediatamente anterior e obtemos a integral de
trajetória. Ao considerarmos um ruído gaussiano, obtemos uma forma específica para a integral
de trajetória e observamos que tal integral também é proporcional ao inverso da ação clássica.
Para verificar a relação entre a ação e a probabilidade de trajetória, construímos uma
simulação computacional para o movimento randômico com ruído gaussiano: i) em regime livre;
ii) sob a influência de uma força constante e iii) sob a influência de uma força restaurativa, cujo
resultados corroboram os resultados preditos teoricamente pelo PMAE. Uma vez verificado o
resultado para este tipo de ruído, aplicamos o formalismo à descrição de eventos tipo cisne
negro. Tais eventos são raros e extremos, logo, para um sistema com sua ocorrência é
necessário que os eventos nas extremidades das distribuições sejam probabilisticamente
relevantes. Assim, devemos tomar distribuições com caudas pesadas e elegemos as
distribuições estáveis que possuem esta característica e descrevem um processo de difusão
anômala. Este tipo de processo é descrito por meio da equação de Fokker-Planck com
operador diferencial espacial fracionário, um operador não local que resulta em interações de
longo alcance. Devido à estas interações é necessária a modificação da entropia associada ao
processo de difusão anômala, visto que a entropia de Shannon só é válida para sistemas com
interações de curto alcance. Analogamente, utilizamos a entropia generalizada de Tsallis para
obter a probabilidade de trajetória do movimento randômico com eventos tipo cisne negro e
verificamos, por meio de simulações computacionais, a validade deste resultado.
Abstract
The least action principle is one of the most important physical principles and is applicable to
many distinct areas of knowledge. This principle states that the trajectory in which a system
evolves is the one with the minimal action. Therefore, within the scenery of randomic
movements, due to the fact of not being a deterministic movement, it is not directly applicable.
That means that to approach this kind of situation it was needed to develop the stochastic least
action principle (SAP). This stochastic least action principle must reproduce analog results to
those obtained by the trajectory integrals. To do so, it is considered that the mean of the
variation of the classical action of the possible trajectories must be minimized, obtaining then,
the constraints which the distribution of the trajectory probabilities of a movement must obey.
Using the principle of Jaynes, the trajectory probability’s distribution is found, being proportional
to the inverse of the action’s exponential. Taking this movement as a markovian system, it is
possible to associate the probability of each mark of a trajectory to the immediately previous
mark, obtaining the trajectory integral. Considering a gausian noise, it is possible to obtain a
specific shape for such trajectory integral and also to observe that the integral is proportional to
the inverse of the classical action. To verify the relation between the action and the trajectory’s
probability, it has been built a computational simulation for the unidimensional random motion
particles: i) within free regimen; ii) under the influence of a constant force and iii) under the
influence of a restorative force, in which the results corroborate the relation predicted by the
SAP. Once the results of the simulation with gaussian noise were verified, this formalism was
applied to the description of black swan events. Such events are rare and extreme, therefore,
for a system where it can occur, it is needed that events on the extremities of the distributions to
be probabilistically relevant. To be so, heavy tailed distributions must be used, we elect stable
distributions that have such characteristics and describe a process of anomalous diffusion. This
kind of process is obtained by the equation of Fokker-Planck with a fractionary spatial-
differential operator, a non-local operator which results on long-range correlations.
Consequently it is needed to modify the entropy that describes an anomalous diffusion process,
once the Shannon’s entropy is only valid to systems with short range interactions. Analogously,
the generalized entropy of Tsallis was used to obtain the randomic movements’ trajectory
probability with black swan events and it was verified, throughout computational simulations, the
validity of this result.
Descrição
Área de concentração
Linha de pesquisa
Agência de desenvolvimento
Palavra chave
Marca
Objetivo
Procedência
Impacto da pesquisa
Resumen
ISBN
DOI
Citação
FIGUEIREDO, L. P. G. de. O princípio da mínima ação estocástico: um estudo no contexto dos movimentos randômicos e sua aplicação em eventos tipo cisne negro. 2021. 106 p. Dissertação (Mestrado em Física) - Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2021.
