Stochastic Equations Through the Eye of the Physicist

Stochastic Equations Through the Eye of the Physicist pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

出版者:Elsevier Science Ltd
作者:Klyatskin, Valery I.
出品人:
页数:556
译者:
出版时间:2005-8
价格:$ 389.85
装帧:HRD
isbn号码:9780444517975
丛书系列:
图书标签:
  • Stochastic Equations
  • Mathematical Physics
  • Probability Theory
  • Random Processes
  • Diffusion Processes
  • Partial Differential Equations
  • Quantum Mechanics
  • Statistical Mechanics
  • Brownian Motion
  • Stochastic Analysis
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具体描述

Fluctuating parameters appear in a variety of physical systems and phenomena. They typically come either as random forces/sources, or advecting velocities, or media (material) parameters, like refraction index, conductivity, diffusivity, etc. The well known example of Brownian particle suspended in fluid and subjected to random molecular bombardment laid the foundation for modern stochastic calculus and statistical physics. Other important examples include turbulent transport and diffusion of particle-tracers (pollutants), or continuous densities ('oil slicks'), wave propagation and scattering in randomly inhomogeneous media, for instance light or sound propagating in the turbulent atmosphere. Such models naturally render to statistical description, where the input parameters and solutions are expressed by random processes and fields. The fundamental problem of stochastic dynamics is to identify the essential characteristics of system (its state and evolution), and relate those to the input parameters of the system and initial data. This raises a host of challenging mathematical issues. One could rarely solve such systems exactly (or approximately) in a closed analytic form, and their solutions depend in a complicated implicit manner on the initial-boundary data, forcing and system's (media) parameters . In mathematical terms such solution becomes a complicated 'nonlinear functional' of random fields and processes. Part I gives mathematical formulation for the basic physical models of transport, diffusion, propagation and develops some analytic tools. Part II and III sets up and applies the techniques of variational calculus and stochastic analysis, like Fokker-Plank equation to those models, to produce exact or approximate solutions, or in worst case numeric procedures. The exposition is motivated and demonstrated with numerous examples. Part IV takes up issues for the coherent phenomena in stochastic dynamical systems, described by ordinary and partial differential equations, like wave propagation in randomly layered media (localization), turbulent advection of passive tracers (clustering), wave propagation in disordered 2D and 3D media. For the sake of reader I provide several appendixes (Part V) that give many technical mathematical details needed in the book. For scientists dealing with stochastic dynamic systems in different areas, such as hydrodynamics, acoustics, radio wave physics, theoretical and mathematical physics, and applied mathematics the theory of stochastic in terms of the functional analysis. Referencing those papers, which are used or discussed in this book and also recent review papers with extensive bibliography on the subject.

好的,以下是一本名为《Stochastic Equations Through the Eye of the Physicist》的书籍的详细简介,该简介完全基于该书名的含义进行推演和创作,旨在描绘一本深度融合物理学视角与随机微分方程的著作。 --- 《物理学家之眼:随机方程的透视》图书简介 导言:连接连续性与不确定性 本书《物理学家之眼:随机方程的透视》(Stochastic Equations Through the Eye of the Physicist)并非一本标准的纯数学教科书,而是一次深刻的跨学科探索。它致力于为那些习惯于宏大、确定性物理图景的研究者和学生,构建一座坚实的桥梁,通往处理无处不在的随机性世界的领域——随机微分方程(SDEs)。 在二十世纪,物理学的发展在宏观尺度上取得了辉煌的成就,依赖于经典力学、电磁学和量子场论等精确的、决定性的框架。然而,当我们深入到微观世界的涨落、复杂系统的演化,乃至宏观现象的集体行为时,确定性模型开始显现其局限性。布朗运动的发现、热力学涨落的不可避免性,以及量子力学固有的概率性本质,都迫使物理学家们正视“随机”并非例外,而是自然的基本属性。 本书的核心目标,正是用物理学家们熟悉的直觉、模型构建能力和对自然现象的深刻理解,来驾驭随机微分方程这一强大的数学工具。我们避免了过于抽象的、脱离物理背景的纯数学推导,转而强调随机性如何作为物理系统内在属性的数学表达。 第一部分:随机性的根源与基础构建 本书的开篇将首先回顾并巩固读者在经典物理(如牛顿力学、拉格朗日-哈密顿力学)中所建立的基础,然后引入随机性的物理学视角。 1.1 从决定性到概率性:物理学的边界 我们将探讨经典系统在接近临界点、温度趋于绝对零度或尺度极小时,其描述的失效之处。这部分将从爱因斯坦对布朗运动的解释入手,将其视为微观粒子与周围环境的持续、不可观测的相互作用的宏观体现。 1.2 噪声的物理建模:从白噪声到有色噪声 对于物理学家而言,噪声(Noise)并非随机的“错误”,而是信息的重要载体。本书将详细阐述如何将实际的物理扰动(如热力学涨落、环境的随机扰动)转化为数学上的随机过程。重点讨论白噪声的理想化模型(Wiener过程)及其在物理应用中的局限性,随后过渡到更具物理意义的有色噪声,并介绍其在粘滞介质中粒子运动模拟中的必要性。 1.3 随机微积分的物理直觉 随机微分方程的求解和分析依赖于随机微积分。对于习惯于黎曼积分和勒贝格积分的读者,伊藤积分的引入可能会显得突兀。本书采用了一种高度直觉化的方法:将随机微分视为由一系列在极短时间间隔 $Delta t$ 内发生的、具有特定方差特性的“冲量”所累积的结果。我们将用费曼的路径积分思想(非正式地)来类比随机路径的累积效应,帮助读者理解 $ ext{d}W_t ext{d}W_t = ext{d}t$ 这一核心规则的物理含义——即随机涨落的平方项并非消失,而是贡献了确定的扩散项。 第二部分:随机动力学:随机微分方程的应用 在奠定基础之后,本书将迅速转向随机微分方程(SDEs)在经典物理学重要分支中的实际应用。我们关注的重点是SDEs如何描述系统在有耗散和随机力作用下的演化。 2.1 朗之万方程与热力学 朗之万方程是连接微观涨落与宏观耗散的桥梁。我们将深入分析一个典型的耗散-随机系统(如一个被随机力驱动的谐振子),推导出其速度的概率分布函数。特别地,本书将详细探讨爱因斯坦关系(Einstein relation)的SDE推导,展示在稳态下,耗散项和扩散项之间的精妙平衡,从而将随机性与温度(热力学平衡)紧密联系起来。 2.2 随机力学与系统弛豫 系统如何从非平衡态演化到平衡态?本书将利用随机微分方程来模拟弛豫过程,例如磁性材料的磁化过程、化学反应中的随机碰撞等。我们将应用福克-普朗克方程(Fokker-Planck Equation, FPE),将其视为描述概率密度随时间演化的“连续性方程”,并将其与直接的朗之万模拟进行对比,强调两者在物理图像上的互补性。 2.3 随机力学在场论中的初步应用 虽然SDEs通常用于描述粒子动力学,本书也会探讨其在涉及场论概念时的初步应用。例如,在描述界面粗糙化(如随机生长模型)时,我们如何将场变量的演化写成具有空间相关性的随机偏微分方程(SPDEs)的形式,以及如何通过有效的场论手段来近似求解这些方程。 第三部分:从时间演化到空间分布:随机性的几何与统计 本部分的重点是更高级的应用,涉及到高维系统和系统在相空间中的统计分布。 3.1 随机流与相空间几何 随机过程在相空间中描绘出“随机流”。我们将探讨随机流的平均特性,例如,如何计算一个随机动力学系统在某一特定区域停留时间的统计平均值。这对于理解化学反应的产物分布、或粒子在势垒中的穿越时间至关重要。我们着重于如何将随机性引入到更复杂的势能结构中,例如双势阱系统中的隧穿效应。 3.2 随机共振与非平衡现象 随机共振是一个引人入胜的现象,它表明适度的噪声(随机性)非但无害,反而可以增强系统对微弱周期性信号的响应。本书将利用随机振子模型,通过详细的数值模拟和分析,清晰地展示这种非直觉的增强机制,这对于信号处理和生物物理中的弱信号检测具有深刻的启发意义。 3.3 随机方程与量子力学的联系(定性探讨) 虽然本书主体基于经典随机过程,但我们会在结尾处定性地探讨随机性在量子力学中的体现。我们将讨论薛定谔方程的经典极限(即对应于宏观尺度的运动方程),以及随机过程如何作为解释量子测量中波函数坍缩的一种非标准但直观的“物理图像”进行探讨。 结语:物理学家的工具箱 《物理学家之眼:随机方程的透视》旨在将随机微分方程从一个数学概念转化为一个充满物理洞察力的工具箱。通过将严格的数学框架与熟悉的物理直觉相结合,本书使读者能够自信地应对现实世界中充满不确定性的复杂问题,从而真正掌握现代物理学研究不可或缺的语言。本书适合高年级本科生、研究生以及需要将随机建模技术应用于研究的物理学家和工程师。

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