गाऊसी मुक्त क्षेत्र

संभाव्यता सिद्धांत और सांख्यिकीय यांत्रिकी में, गाऊसी मुक्त क्षेत्र (जीएफएफ) एक गाऊसी यादृच्छिक क्षेत्र है, जो यादृच्छिक सतहों (यादृच्छिक ऊंचाई कार्यों) का एक केंद्रीय मॉडल है। गॉसियन मुक्त क्षेत्र का गणितीय सर्वेक्षण देता है।

असतत संस्करण को किसी भी ग्राफ (असतत गणित) पर परिभाषित किया जा सकता है, आमतौर पर डी-आयामी यूक्लिडियन अंतरिक्ष में एक जाली ग्राफ। सातत्य संस्करण 'आर' पर परिभाषित किया गया हैdया 'R' के एक सीमित उपडोमेन परघ. इसे वीनर प्रक्रिया के प्राकृतिक सामान्यीकरण के रूप में सोचा जा सकता है | एक आयामी ब्राउनियन गति से डी समय (लेकिन अभी भी एक स्थान) आयाम: यह 'आर' से एक यादृच्छिक (सामान्यीकृत) फ़ंक्शन हैd से 'R'. विशेष रूप से, एक-आयामी सातत्य जीएफएफ एक अंतराल पर मानक एक-आयामी ब्राउनियन ब्रिज या ब्राउनियन पुल है।

यादृच्छिक सतहों के सिद्धांत में इसे 'हार्मोनिक क्रिस्टल' भी कहा जाता है। यह क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत में कई निर्माणों का प्रारंभिक बिंदु भी है, जहां इसे 'यूक्लिडियन बोसोनिक क्षेत्र द्रव्यमान रहित मुक्त क्षेत्र' कहा जाता है। 2-आयामी जीएफएफ की एक प्रमुख संपत्ति अनुरूप समूह है, जो इसे श्राम-लोवेनर विकास के साथ कई तरीकों से जोड़ती है, देखें और.

ब्राउनियन गति के समान, जो असतत यादृच्छिक वॉक मॉडल की एक विस्तृत श्रृंखला की स्केलिंग सीमा है (डोंस्कर का प्रमेय देखें), सातत्य जीएफएफ न केवल जाली पर असतत जीएफएफ की स्केलिंग सीमा है, बल्कि कई यादृच्छिक ऊंचाई फ़ंक्शन मॉडल की भी है, जैसे समान वितरण (असतत) प्लेनर डोमिनोज़ टाइलिंग  की ऊंचाई फ़ंक्शन के रूप में, देखें. प्लेनर जीएफएफ एक यादृच्छिक मैट्रिक्स मॉडल के विशेषता बहुपद के उतार-चढ़ाव की सीमा भी है, गिनिब्रे पहनावा, देखें.

किसी भी ग्राफ़ पर असतत GFF की संरचना रैंडम वॉक#ऑन ग्राफ़ के व्यवहार से निकटता से संबंधित है। उदाहरण के लिए, असतत GFF प्रमाण में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है ग्राफ़ के कवर समय के बारे में कई अनुमान (सभी शीर्षों पर जाने के लिए यादृच्छिक चलने के लिए आवश्यक कदमों की अपेक्षित संख्या)।

असतत GFF की परिभाषा
मान लीजिए कि P(x, y) एक परिमित ग्राफ़ G(V, E) पर यादृच्छिक चलने द्वारा दी गई मार्कोव श्रृंखला का संक्रमण कर्नेल है। मान लीजिए कि U शीर्ष V का एक निश्चित गैर-रिक्त उपसमुच्चय है, और सभी वास्तविक-मूल्यवान फलनों का समुच्चय लें $$\varphi$$ यू पर कुछ निर्धारित मूल्यों के साथ। फिर हम गिब्स माप को परिभाषित करते हैं


 * $$H( \varphi ) = \frac{1}{2} \sum_{(x,y)} P(x,y)\big(\varphi(x) - \varphi(y)\big)^2. $$

फिर, संभाव्यता घनत्व फ़ंक्शन के साथ यादृच्छिक फ़ंक्शन आनुपातिक होता है $$\exp(-H(\varphi))$$ लेब्सग्यू उपाय के संबंध में $$\R^{V\setminus U}$$ सीमा यू के साथ असतत जीएफएफ कहा जाता है।

यह दर्शाना कठिन नहीं है कि अपेक्षित मूल्य क्या है $$\mathbb{E}[\varphi(x)]$$ यू से सीमा मानों का असतत हार्मोनिक फ़ंक्शन विस्तार है (संक्रमण कर्नेल पी के संबंध में हार्मोनिक), और सहप्रसरण $$\mathrm{Cov}[\varphi(x),\varphi(y)]$$ असतत ग्रीन के फ़ंक्शन G(x,y) के बराबर हैं।

तो, एक वाक्य में, असतत जीएफएफ वी पर गाऊसी यादृच्छिक क्षेत्र है जिसमें संक्रमण कर्नेल पी से जुड़े ग्रीन के फ़ंक्शन द्वारा दी गई सहप्रसरण संरचना है।

सातत्य क्षेत्र
सातत्य क्षेत्र की परिभाषा आवश्यक रूप से कुछ अमूर्त मशीनरी का उपयोग करती है, क्योंकि यह यादृच्छिक ऊंचाई फ़ंक्शन के रूप में मौजूद नहीं है। इसके बजाय, यह एक यादृच्छिक सामान्यीकृत फ़ंक्शन है, या दूसरे शब्दों में, वितरण (गणित) पर एक संभाव्यता वितरण (वितरण शब्द के दो अलग-अलग अर्थों के साथ)।

एक डोमेन Ω⊆R दिया गया हैn, डिरिचलेट ऊर्जा पर विचार करें


 * $$\langle f, g\rangle := \int_\Omega (Df(x), Dg(x)) \, dx $$

Ω पर सुचारु कार्यों के लिए और जी, कुछ निर्धारित सीमा फ़ंक्शन के साथ मेल खाता है $$\partial \Omega$$, कहाँ $$Df\,(x)$$ पर ग्रेडिएंट वेक्टर है $$x\in \Omega$$. फिर इस आंतरिक उत्पाद के संबंध में हिल्बर्ट स्थान  क्लोजर लें, यह  सोबोलेव स्थान  है $$H^1(\Omega)$$.

सातत्य GFF $$\varphi$$ पर $$\Omega$$ द्वारा अनुक्रमित एक गाऊसी यादृच्छिक क्षेत्र है $$H^1(\Omega)$$, यानी, सामान्य वितरण यादृच्छिक चर का एक संग्रह, प्रत्येक के लिए एक $$f \in H^1(\Omega)$$, द्वारा चिह्नित $$\langle \varphi,f \rangle$$, जैसे कि सहप्रसरण संरचना है $$\mathrm{Cov}[\langle \varphi,f \rangle, \langle \varphi,g \rangle] = \langle f,g \rangle$$ सभी के लिए $$f,g\in H^1(\Omega)$$.

ऐसा यादृच्छिक क्षेत्र वास्तव में मौजूद है, और इसका वितरण अद्वितीय है। किसी भी अलौकिक आधार को देखते हुए $$\psi_1, \psi_2, \dots$$ का $$H^1(\Omega)$$ (दी गई सीमा शर्त के साथ), हम औपचारिक अनंत योग बना सकते हैं


 * $$ \varphi := \sum_{k=1}^\infty \xi_k \psi_k,$$

जहां $$\xi_k$$ क्या आई.आई.डी. मानक सामान्य चर। यह यादृच्छिक योग लगभग निश्चित रूप से एक तत्व के रूप में मौजूद नहीं होगा $$H^1(\Omega)$$, क्योंकि इसका विचरण अनंत है। हालाँकि, यह एक यादृच्छिक वितरण (गणित) के रूप में मौजूद है, क्योंकि किसी के लिए भी $$f \in H^1(\Omega)$$ हमारे पास है


 * $$f=\sum_{k=1}^\infty c_k \psi_k,\text{ with }\sum_{k=1}^\infty c_k^2 < \infty,$$

इस तरह


 * $$\langle \varphi,f \rangle := \sum_{k=1}^\infty \xi_k c_k$$

एक सुपरिभाषित परिमित यादृच्छिक संख्या है।

विशेष मामला: एन = 1
हालाँकि उपरोक्त तर्क यह दर्शाता है $$ \varphi $$ के एक यादृच्छिक तत्व के रूप में मौजूद नहीं है $$H^1(\Omega)$$, यह अभी भी हो सकता है कि यह एक यादृच्छिक फ़ंक्शन है $$\Omega$$ कुछ बड़े फ़ंक्शन स्थान में। वास्तव में, आयाम में $$n=1$$, का एक अलौकिक आधार $$H^1[0,1]$$ द्वारा दिया गया है


 * $$\psi_k (t):= \int_0^t \varphi_k(s) \, ds\,,$$ कहाँ $$(\varphi_k)$$ का असामान्य आधार बनाएं $$L^2[0,1]\,,$$

और तब $$\varphi(t):=\sum_{k=1}^\infty \xi_k \psi_k(t)$$ इसे आसानी से एक-आयामी ब्राउनियन गति (या ब्राउनियन ब्रिज, यदि सीमा मान के लिए) के रूप में देखा जाता है $$\varphi_k$$ इस तरह स्थापित किए गए हैं)। तो, इस मामले में, यह एक यादृच्छिक निरंतर कार्य है। उदाहरण के लिए, यदि $$(\varphi_k)$$ हार आधार है, तो यह लेवी की ब्राउनियन गति का निर्माण है, उदाहरण के लिए, धारा 3 देखें.

दूसरी ओर, के लिए $$n \geq 2$$ इसे वास्तव में केवल एक सामान्यीकृत कार्य के रूप में अस्तित्व में दिखाया जा सकता है, देखें.

विशेष मामला: n = 2
आयाम n = 2 में, सातत्य GFF का अनुरूप अपरिवर्तनीयता डिरिचलेट आंतरिक उत्पाद के अपरिवर्तनीयता से स्पष्ट है। संबंधित द्वि-आयामी अनुरूप क्षेत्र सिद्धांत दो आयामों में द्रव्यमान रहित मुक्त अदिश बोसॉन का वर्णन करता है।

यह भी देखें

 * ब्राउनियन शीट