Un análisis teórico de las tasas de producción de área como estadísticas de prueba para detectar dinámicas no equilibradas en procesos de Ornstein-Uhlenbeck
Autores: Strang, Alexander
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2024
Acceso abierto
Artículo científico
2024
Un análisis teórico de las tasas de producción de área como estadísticas de prueba para detectar dinámicas no equilibradas en procesos de Ornstein-Uhlenbeck
Categoría
Matemáticas
Subcategoría
Análisis matemático
Palabras clave
Equilibrio termodinámico
Simetría de inversión temporal
Procesos fuera de equilibrio
Corrientes de probabilidad
Uso de energía
Tasas de producción de área
Licencia
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Consultas: 23
Citaciones: Sin citaciones
Un proceso estocástico está en equilibrio termodinámico si cumple con la simetría de inversión temporal; el tiempo hacia adelante y hacia atrás son estadísticamente indistinguibles en un estado estacionario. Los procesos no equilibrados rompen la simetría de inversión temporal al mantener corrientes de probabilidad circulantes. En procesos físicos, estas corrientes requieren un uso y intercambio continuo de energía. En consecuencia, las señales de comportamiento no equilibrado son marcadores importantes del uso de energía en sistemas biofísicos. En este artículo, consideramos una firma particular de comportamiento no equilibrado: las tasas de producción de área. Estas son la tasa promedio a la cual un proceso estocástico traza área firmada en sus proyecciones en planos de coordenadas. La producción de área es un ejemplo de un observable lineal: una integral de trayectoria sobre un campo vectorial lineal observado. Proporcionamos una revisión resumida de las tasas de producción de área en procesos Ornstein-Uhlenbeck (OU). Luego, mostramos que, dado un proceso OU, una norma de Frobenius ponderada de la matriz de tasa de producción de área es la estadística de prueba óptima para detectar comportamiento no equilibrado en el sentido de que su coeficiente de variación decae más rápidamente en la longitud del tiempo observado que el coeficiente de variación de cualquier otro observable lineal. Concluimos mostrando que esta estadística de prueba estima la tasa de producción de entropía del proceso.
Descripción
Un proceso estocástico está en equilibrio termodinámico si cumple con la simetría de inversión temporal; el tiempo hacia adelante y hacia atrás son estadísticamente indistinguibles en un estado estacionario. Los procesos no equilibrados rompen la simetría de inversión temporal al mantener corrientes de probabilidad circulantes. En procesos físicos, estas corrientes requieren un uso y intercambio continuo de energía. En consecuencia, las señales de comportamiento no equilibrado son marcadores importantes del uso de energía en sistemas biofísicos. En este artículo, consideramos una firma particular de comportamiento no equilibrado: las tasas de producción de área. Estas son la tasa promedio a la cual un proceso estocástico traza área firmada en sus proyecciones en planos de coordenadas. La producción de área es un ejemplo de un observable lineal: una integral de trayectoria sobre un campo vectorial lineal observado. Proporcionamos una revisión resumida de las tasas de producción de área en procesos Ornstein-Uhlenbeck (OU). Luego, mostramos que, dado un proceso OU, una norma de Frobenius ponderada de la matriz de tasa de producción de área es la estadística de prueba óptima para detectar comportamiento no equilibrado en el sentido de que su coeficiente de variación decae más rápidamente en la longitud del tiempo observado que el coeficiente de variación de cualquier otro observable lineal. Concluimos mostrando que esta estadística de prueba estima la tasa de producción de entropía del proceso.