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非完整统计系统中的概率分布

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第29卷第4期 兰州文理学院学报(自然科学版) V01.29 No.4 2015年7月 Journal of Lanzhou University of Arts and Science(Natural Sciences) Ju1.2015 文章编号:2095—6991(2015)04—0033—04 非完整统计系统中的概率分布 李亚亚,胡娅娅 (银川能源学院基础部,宁夏银川750105) 摘要:根据非完整统计的思想,利用最大熵原理,在约束条件下,推导了非广延参数相同和不同情况下正则系 统的统计分布,并借助MATLAB绘制概率分布曲线.结果显示,当约束条件中非广延参数相同时,其概率分布 为指数形式,这与Tsallis统计分布的幂率形式显然不一样;当约束条件中非广延参数不相同时,其概率分布不 能精确求解,用图像形式反映出概率与能量之间的趋势. 关键词:非完整统计;统计力学; MATLAB 中图分类号:O414.2 文献标识码:A 在Boltzman L,Gibbs J w等科学家建立起 他现象 . 来的广延统计力学中,将内能,熵等态函数默认为 由于系统内有大数粒子,粒子之间彼此相互 广延量,但是当考虑二体间长程相互作用时,广延 作用复杂性等的影响,要准确统计微观态可能出 量内能,熵不再是广延量了口].所谓广延量是指 现的数目是非常困难的.即有 与系统的总粒子数或总质量成正比的量.考虑r 为二体间的距离,它们之间的相互作用势为广 , ∑ —Q≠1, 空间的维数为d,当0≤导≤1时,相互作用是长 其中 可能大于硼,也可能小于叫;当 = 时, “ 程的;当导>l时,相互作用是短程的.如万用引 EP 一1.于是,2001年Q A Wang提出了非完 Ⅱ 整统计 。 ,对广延统计力学中的shannon熵进 力,库仑力(a一1,d一3)是长程力. 行了变形,得出非完整Shannon熵E1 5,16],即 1988年,巴西科学家C Tsallis(查理斯)通过 对熵进行数学变形l_2],提出了具有非广延性的式 s ===一是∑p ̄llnp , 子S 一k(1一∑ )/q-1上标 代表非完整统计.由此非完整统计成为非 i=1 .在该表达式中,s 称 广延统计力学的又一个分支[1s,16]. 为Tsallis熵,q为非广延参数,忌是Boltzman常 量,系统中可能出现的微观状态数目为叫,P 为 1 基于非完整Shannon熵的E分布 第i个微观态在系统中出现的概率.以Tsallis熵 假设外界与系统之间只有热量的交换,而没 为基础,在Tsallis等科学家的共同努力下,建立 有粒子数和质量的交换.那么,体系的体积V就是 了广义统计力学,也称为非广延统计力学 “].解 恒定的,同时各微观态的粒子数N也是恒定的. 决了一些广延统计力学不能解决的问题.如文献 由于外界热源很大,系统在源的作用下,各微观态 [1]中列出的长程相互作用和长时记忆效应,以 的能量£ 可能不同,但在系统和源达到平衡时,系 及电子等离子体的二维湍动 书],等等.同时,当q 统的平均能量E是一定的l_】 ,以p 表示系统微观 一1时,由其推导的概率分布回到广延统计力学. 态的概率,我们取约束条件: 还有,概率分布函数以幂率的形式代替了指数形 式,这种幂率形式的概率能够解释众多的物理现 EP 7—1, (1) i 象,如凝聚态物质中的分形行为或反常扩散, DNA和其他大分子的时间相关行为,以及许多其 ∑ —E. (2) 收稿日期:2015-05—27. 基金项目:银川能源学院科研基金资助项目(2013一KY—Y~23). 作者简介:李亚亚(1983一),男,甘肃静宁人,助教,硕士,主要从事物理教学和统计物理研究 34 兰州文理学院学报(自然科学版) 第29卷 根据非完整统计思想,式子(1),(2)可能具 有不同的q值,这里假定它们在相同的条件下,根 据最大熵原理,我们所求的统计分布应是非完整 Shannon熵 s ===一k∑p ̄lnp . 约束下取最大值.引入Lagrange函数: (13) 根据最大熵原理,应是式(13)在式(11),(12)的 s 一一k∑pTlnp . (3) L 一∑p)lnp +),(∑P7—1)+ 在式(3)中,下标q表示非广延参数,上标 表示非完整统计.在约束条件下取极值,就可得到 正则系统的统计分布,也称为E分布.引入 Lagrange函数: L一一 +)一一 +),(∑P7(>: 一)P7—1)+ + 』9(∑PTe 一E). (4) 求条件极值, 0L一。,得 户 一 , ㈣ Zq( ,N, )=[∑exp(一卢q£ )] 。,(6) 其中 ,),是Lagrange乘子.(5)、(6)分别为E分 布的概率分布函数和配分函数.而Tsallis统计的 概率分布为幂率形式,这一点有明显的不同Ⅲ. 将(5)带人(3),并应用(1)、(2),可将式(3)化为 s 一是[ +lnZ。( ,N,V)]. (7) 依据热力学基本关系: ( ) 一 一亍1, (8) 可得 一寿・ (。 则系统的平均热力学公式为 E一一O@lnz ( ,N, ), (10) 其中,T为绝对温度,k为玻尔兹曼常数.很显然, 当q一1时,就回到广延统计力学. 2 不同非广延参数下的E分布 由于系统内粒子相互作用的复杂性,根据非 广延统计的思想,不论是约束条件,还是非完整 shannon熵所对应的非广延参数可能不相同,由 此将式(1),(2),(3)改为: ∑p 一1, (11) ∑倦 一E, (12) 卢(∑船 一E). (14) 求条件极值,.O L'一O,得 d口 ln :=: 丛 ,fP 一 (15) 其中a,b,c为不等于零的实数,式(15)是不同非 广延参数下E的分布函数.由于a,b,c取值的变 化性,要计算某一能量为£ 的微观态所对应的概 率P 是非常困难的.但是,借助于MATLAB强大 的计算功能、绘图函数,就能很容易解决计算中的 困难.下面对a,b,C进行赋值绘图,如图1. 1 0.9 0.8 0.7 0.6 《0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 O (b) 图1 对“。b。c取相同值和不同值时的概率分布图 第4期 李亚亚等:非完整统计系统中的概率分布 35 1 l O.9 0.8 0。7 0.6 0.5 O.4 0。3 0 O 0 0 O 0.9 0.8 0.7 0.6 O 5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.2 O.1 O 图2 保持6=c,且n取不同值时的概率分布图 l}’~ …… ~一一 l}……一 ~7~ 】 1 ~一i~ ~ 一~一] 1 一 j…一 0.9l { : f f 0.9  j 《? 1 i 0.9f i :  l1  10.9 { a=2  -0.8 } 0.7 } 《i n:2  f{ 0.8  l0.7}  If口:2 f  if 6一l1 』  }j  fl 0.8 { 0.7 l o.5; a 2 l 6:l 1 } i 0.8 r 2  ii — 1 0.7} i 6 } 0,5 1 ; 0.6 l o.5} i f 《o・  } Io.5} 。 《o.6  ;i 1 o.4} :  I{ - 2 { 《o 8 } {j  :0.4} f ; 0.4  I ll ; 0.4  ;0.3 } 【  :o.3l  Ii  Io.3 ;  ; 1} o.3i I o.2 0.1l 0I—j …~一一一5 0 5 ~o.2f 0.1} 0 L—L —5  I{ {  lo.2 0.1 。 o.  I 1 i0.1 、  j一£一一一 0 5 0 ---一一i ~…f—J —5 O 5 0 J 一 一: —5 0 5 卢£ p£ 筘£ 奔£ 图3 保持n—c,且b≠0,b取不同值时的概率分布图 l …  ll l 1. r;  : fi 0 0 0 O.9 』 j  }0.9;  ; }}0.9  :i 0 0・8_  ij d=2{0.8 :a=2 } { 0.8 口 2 j o a=2 0.7 / 6=2 0.7 b=2 1 0.7  fb-2 j 0 b=2 c=3 0 0 0 0 0 o・6 / =一1 { 《o.6 0.5  i0.5 l { 《o.6 0.5 =2 ; ≮o 0 0. 0¨。3  L; 1 I I0.4 j 0.3  j; { l { 0.  !j {  l l0 0 1 『 0,3 0.2 1 0.2 0.2 j 0 O 0i 1i .一 Il  {0.1 0。、 j 、、 4 l 0.1  :l \、 ; 0 5 0 5 O ……一~一一i 5 0 5 L1 0 一…… 一 2 一- —5 0 5 一*5 0 5 芦£ 口e 口£ 声£, 图4 保持n—b。且c≠0。b取不同值时的概率分布图 36 兰州文理学院学报(自然科学版) 第29卷 3 结论 根据非完整统计思想,对不同的非广延参数 赋值,借助MATLAB的绘图功能,形象地解决了 实际计算中的困难.从图1可以看出,当a—b:c ≠1时回到式(5),(6)所反映的结果;当n—b— mas by rotating electric fields[J].Phys Rev Lett, 1997,78:875-878. [7]ANTENEODO C,TSALI IS C.Two—dimensional turbulence in pure—electron plasma:A nonextensive thermostatistical description[J].J Mol Liq,1997,71: 255—267. [8]TSALLIS C,MENDES R S,PLASTINO A R.The role of constraints within generalized nonextensive c一1时便回到广延统计力学.若保持非广延参数 两个不变或者相等,另外一个非广延参数取不同 值时,从图2,图3,图4中就能观察出概率随能量 的分布趋势.但具体涉及到自然界的某种复杂物 理现象,a,b,c到底取什么值,且a,b,c的值具体 有什么样的物理意义,是一个开放性问题,有待于 做深入的研究. statistics[J].Physica A,1998,261:534—554. [9]Qiuping A.Wang.Incomplete statistics and nonex— tensive generalizations of statistical mechanics[J]. Chaos,Solitons and Fractals,2001,12:1431—1437. Qiuping A.Wang.Nonextensive statistics and in— complete information[J].Euro Phys J B,2002(2 6): 357—368. Qiuping A.Wang.Incomplete information and frac— 参考文献: [1]杨斌,王亚妮,李鹤龄.非广延性对传统广延统计力学 的几点修正[J].西南师范大学学报:自然科学版, 2013,38(I1):i-2. tal phase space[J].Chaos,Solitons and Fractals, 2004(19):639—644. 李亚亚,胡娅娅.非完整统计在完全开放系统中的概 [12] 率分布I-j].大理学院学报,2013,l2(4):34. Qiuping A.Wang.Correlated electrons and general— [13] r 2]TSALLIS C.Possible generalization of Boltzmann— ized statistics I-J].Euro Phys J B,2003(31):75—79. 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Key words:incomplete statistics;statistical mechanics;MATLAB 

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