非廣延統(tǒng)計(jì)的冪律分布律及其微觀動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)

鄭亞輝，梁法庫，羅旺，任曉輝

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非廣延統(tǒng)計(jì)的冪律分布律及其微觀動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)

鄭亞輝，梁法庫，羅旺，任曉輝

（齊齊哈爾大學(xué) 理學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

綜合介紹了非廣延統(tǒng)計(jì)中用以推導(dǎo)冪律分布函數(shù)的方法，分別是最大熵原理、系綜論和分子運(yùn)動(dòng)論等．從隨機(jī)動(dòng)力學(xué)角度分析了產(chǎn)生冪律分布的微觀機(jī)制，指出這種機(jī)制源于相空間的非均勻特征，也與溫度漲落相關(guān)聯(lián)．這２種機(jī)制分別聯(lián)系于加性噪聲和乘性噪聲．

冪律分布；非均勻性；乘性噪聲

非廣延統(tǒng)計(jì)是近幾十年出現(xiàn)的一種統(tǒng)計(jì)理論，它于1988年由巴西物理學(xué)家C Tsallis首次提出[1]，之后得到廣泛研究和認(rèn)同，并被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)[2]、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)[3]、經(jīng)濟(jì)學(xué)[4]和地震研究[5]等領(lǐng)域．非廣延統(tǒng)計(jì)理論不同于經(jīng)典玻爾茲曼-吉布斯統(tǒng)計(jì)理論，它給出的分布函數(shù)不是指數(shù)型而是冪律型的．在很多復(fù)雜的系統(tǒng)中，冪律分布現(xiàn)象被多次觀測和證實(shí)過，如在等離子體[6-7]、太陽磁場[8]、地震預(yù)測[9]、基因族譜[10]和股票市場[11]等系統(tǒng)中，都觀測到了冪律分布現(xiàn)象．

冪律分布函數(shù)是非廣延統(tǒng)計(jì)理論的基礎(chǔ)，它在非廣延統(tǒng)計(jì)的諸多領(lǐng)域扮演著核心角色，因此有關(guān)它的推導(dǎo)過程和正確性就顯得至關(guān)重要．本文旨在介紹迄今為止公認(rèn)的導(dǎo)出冪律分布函數(shù)的方法，這些方法都與經(jīng)典統(tǒng)計(jì)有著千絲萬縷的聯(lián)系．

１ 冪律分布函數(shù)的導(dǎo)出

1.1 最大熵原理方法

熵增加原理無論是在經(jīng)典統(tǒng)計(jì)還是在非廣延統(tǒng)計(jì)理論中都是成立的．所以，由金斯確立的最大熵原理在非廣延統(tǒng)計(jì)中也能使用．假定一個(gè)系統(tǒng)的微觀狀態(tài)是分立的，系統(tǒng)在第個(gè)微觀態(tài)上的概率用表示，非廣延熵和概率歸一化條件可分別寫為

根據(jù)歸一化條件和內(nèi)能的形式，定義泛函

求該泛函的極值，可得

整理后可得分布函數(shù)

其中的配分函數(shù)定義為

為了方便引入物理溫度概念[13]，定義

則分布函數(shù)可寫為

由最大熵原理方法給出的冪律分布函數(shù)是6維相空間的概率密度分布函數(shù)，可稱為廣義吉布斯分布．當(dāng)時(shí)，式（9）趨向于經(jīng)典統(tǒng)計(jì)中的指數(shù)分布，因此這種冪律形式的函數(shù)又稱廣義指數(shù)函數(shù)．下一種方法，是直接在系綜論中討論冪律分布函數(shù)．

1.2 系綜論方法

先考慮微正則系綜．微正則系綜的能量是確定的，在該系綜內(nèi)定義的泛函不受內(nèi)能限制的影響，即

很顯然，由泛函導(dǎo)致的分布函數(shù)是等概率形式

再考慮正則系綜．在正則系綜，系統(tǒng)與一個(gè)大熱源接觸，它與后者構(gòu)成一個(gè)復(fù)合系統(tǒng)．假定系統(tǒng)能量為，熱源能量為，則復(fù)合系統(tǒng)總能量．一般假設(shè)熱源很大，因此有．當(dāng)系統(tǒng)與熱源達(dá)到“平衡態(tài)”時(shí)，復(fù)合系統(tǒng)的微觀狀態(tài)數(shù)最多．當(dāng)系統(tǒng)處在某個(gè)特定的微觀態(tài)時(shí)，與它處在統(tǒng)計(jì)平衡的熱源的微觀狀態(tài)數(shù)為．這也是系統(tǒng)處在該微觀狀態(tài)時(shí)復(fù)合系統(tǒng)可能的微觀狀態(tài)數(shù)．因此，系統(tǒng)處在微觀態(tài)的概率可以表示為

顯然，它對所有微觀態(tài)求和等于1．

根據(jù)式（12），非廣延熵與微觀狀態(tài)數(shù)之間有如下關(guān)系

引入勒讓德變換

因系統(tǒng)與熱源處于“熱平衡”中，有

這樣系統(tǒng)的平衡態(tài)分布函數(shù)就變成

顯然，配分函數(shù)可以定義為

與第3能量定義中的配分函數(shù)（7）一樣，式（20）配分函數(shù)也是物理溫度的函數(shù)．

以上推導(dǎo)用了近似方法，即假定熱源的能量較大．介紹一種較精確的方法，這種方法不依賴于大熱源，卻需要預(yù)先給出一個(gè)假定，即Almeida假定[14]

其中的展開系數(shù)為

由式（16）可得

根據(jù)式（24），并考慮到式（21），可得

將式（13）中復(fù)合系統(tǒng)的微觀狀態(tài)數(shù)進(jìn)行泰勒展開，有

考慮到式（25），式（26）可進(jìn)一步寫為[15]

該式與用近似法得到的式（17）是完全相同的．由此可見，從Almeida假定出發(fā)，可以精確地推導(dǎo)出廣義吉布斯分布函數(shù)．

廣義吉布斯分布函數(shù)是正則系綜分布函數(shù)，它是6維相空間內(nèi)的概率密度分布函數(shù)．在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，如在處理輸運(yùn)和弛豫問題時(shí)，更希望應(yīng)用單粒子分布函數(shù)，即6維相空間內(nèi)的概率密度分布函數(shù)．較好的、能推導(dǎo)單粒子冪律分布函數(shù)的方法，是在分子運(yùn)動(dòng)論中，借助廣義玻爾茲曼方程來實(shí)現(xiàn)的．

1.3 分子運(yùn)動(dòng)論方法

要想在非廣延統(tǒng)計(jì)中得到冪律形式的單粒子分布函數(shù)，較好的方法是將玻爾茲曼方程加以推廣．這個(gè)推廣后的玻爾茲曼方程形式為[16] 2939

很顯然，廣義分子混沌假設(shè)實(shí)際上意味著單分子分布函數(shù)之間的關(guān)聯(lián)．

因此，相應(yīng)的廣義H函數(shù)或說熵函數(shù)可取為

它的時(shí)間全導(dǎo)數(shù)為

將廣義玻爾茲曼方程（28）代入后可得

可以看出，式（33）右邊的第2項(xiàng)和第3項(xiàng)可以分別化為位形空間和速度空間的面積分．物理上要求將分布函數(shù)的邊界條件取為零，因此右邊后2項(xiàng)必然為零，也就是說

注意到廣義分子混沌假設(shè)（29）滿足2種對稱性，一是對分布函數(shù)對稱，即分子交換其所滿足的分布函數(shù)時(shí)，分子混沌假設(shè)的形式不變；另一種是分子位置或碰撞前后的時(shí)間反對稱性，即交換碰撞的前后順序時(shí)，分子混沌假設(shè)的形式改變符號．

在這種對稱性下，熵的時(shí)間導(dǎo)數(shù)變成

考慮到分子混沌假設(shè)的形式，可知必有

這就是熵增加原理，符合物理直覺，這說明推廣的分子混沌假設(shè)是合理的．取等號，即熵達(dá)到最大值時(shí)的條件是且僅是

可以修改為

如果定義

熵取最大值的態(tài)，即平衡態(tài)時(shí)的分布函數(shù)為[16]2941

這是速度空間的冪律分布函數(shù)，與之前得到的正則分布函數(shù)形式類似．它與通過將麥克斯韋因式分解法推廣得到的廣義麥克斯韋速度分布函數(shù)是完全相同的[17]．

以上3種方法都有堅(jiān)實(shí)的物理基礎(chǔ)，已經(jīng)發(fā)展成為非廣延統(tǒng)計(jì)理論的三大領(lǐng)域．此外，還有一些與一定物理基礎(chǔ)無關(guān)的方法，也可以導(dǎo)出非廣延統(tǒng)計(jì)中的冪律分布函數(shù)．如最速下降法[18]、計(jì)數(shù)法[19]和中心極限定理法[20-21]等．這些方法沒有直接的物理根源，在某種程度上可以說是純粹的數(shù)學(xué)方法．

可以看出，推導(dǎo)的分布函數(shù)之所以會呈現(xiàn)出冪律特征，其根本原因是非廣延參數(shù)偏離了1一定的數(shù)值．上述推導(dǎo)過程只是說明了在非廣延參數(shù)偏離了1的情況下分布函數(shù)是怎樣的，并沒有說明該參數(shù)為什么會偏離1．也就是說還沒有從根本上弄清楚產(chǎn)生冪律分布的物理根源是什么．弄清楚了這個(gè)問題，也就同時(shí)弄清了非廣延參數(shù)的物理起源問題．為此，將從隨機(jī)動(dòng)力過程出發(fā)進(jìn)行分析．

2 冪律分布的微觀動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)

2.1 乘性噪聲及溫度漲落

從乘性噪聲角度討論非廣延冪律分布產(chǎn)生的物理機(jī)制，考慮同時(shí)包含加性和乘性噪聲的隨機(jī)過程，它由無量綱隨機(jī)微分方程描述

與隨機(jī)微分方程（42）對應(yīng)的?？?普朗克方程，按照Stratonovich規(guī)則可以表示成

非廣延參數(shù)定義為

可見，溫度與加性和乘性噪聲都有關(guān)系．這在物理上是合理的，溫度總是與某種隨機(jī)運(yùn)動(dòng)有關(guān)．式（49）實(shí)際上是乘性噪聲環(huán)境下的愛因斯坦?jié)q落擴(kuò)散關(guān)系．

乘性噪聲其實(shí)意味著摩擦力系數(shù)的漲落，為了看得更清楚些，令，考慮式（46），隨機(jī)微分方程變成了

方括號內(nèi)的項(xiàng)就是漲落摩擦系數(shù)．根據(jù)這一點(diǎn)，C Beck提出了另一種導(dǎo)出冪律分布函數(shù)的方法[23]．他將摩擦系數(shù)的漲落與溫度倒數(shù)，即拉格朗日乘子的漲落聯(lián)系起來．為了方便，將隨機(jī)微分方程改寫為

按照經(jīng)典步驟，該微分方程導(dǎo)致的分布函數(shù)是指數(shù)型的

其中的拉格朗日乘子與漲落摩擦系數(shù)的關(guān)系是

很顯然，這個(gè)拉格朗日乘子已經(jīng)成為了一個(gè)隨機(jī)變量．既然關(guān)于它沒有任何物理上的特殊要求，C Beck假定這個(gè)隨機(jī)變量服從自由度為的分布，它的概率密度函數(shù)為

這個(gè)分布函數(shù)是冪律形式的，只需要做變換

它就可以轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)的廣義麥克斯韋速度分布函數(shù)（41）．

2.2 加性噪聲及相空間的非均勻性

給出冪律分布的另一種解釋，為此，引入二變量隨機(jī)微分方程，形式為

這里只考慮加性噪聲，不考慮乘性噪聲，即摩擦系數(shù)與時(shí)間無關(guān)．在經(jīng)典統(tǒng)計(jì)中，摩擦系數(shù)與隨機(jī)力跟位置和動(dòng)量都無關(guān)，這樣得出的分布函數(shù)是指數(shù)形式的．但是，如果二者與位置和動(dòng)量都有關(guān)（相空間依賴）的話，情況就不同了，這種相空間依賴性是可能的．在復(fù)雜系統(tǒng)中，噪聲有可能表現(xiàn)為相空間的函數(shù)[24]．為了方便而且不影響結(jié)論，假定加性噪聲是高斯白噪聲，也就是說它的一階矩和二階矩分別是

按照Zwanzig規(guī)則[25]，與上述二變量隨機(jī)微分方程對應(yīng)的福克-普朗克方程為

定態(tài)分布函數(shù)總是可以表示成能量（粒子動(dòng)能與勢能之和）的某種函數(shù)，因此有

考慮到動(dòng)量的任意性，式（61）的積分常數(shù)為零，因此能量依賴分布函數(shù)為

在一些復(fù)雜系統(tǒng)的反常擴(kuò)散過程已經(jīng)表明，擴(kuò)散系數(shù)不僅與粒子動(dòng)能有關(guān)[26]還與其勢能有關(guān)[27-28]，所以一般地可以假設(shè)

這就是在非均勻相空間的漲落擴(kuò)散關(guān)系[29]

將其代入式（62）可得解析形式的定態(tài)分布函數(shù)

上述解釋假定摩擦系數(shù)與噪聲關(guān)聯(lián)強(qiáng)度同時(shí)依賴于位置和動(dòng)量（速度）．與2.1中摩擦系數(shù)依賴于時(shí)間（溫度漲落）不同，這次它依賴于一定的相空間位置．其物理根據(jù)可能是這樣的，當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)長程相互作用或關(guān)聯(lián)時(shí)，摩擦力不再與速度成簡單的正比關(guān)系，而是呈現(xiàn)出復(fù)雜的非線性關(guān)系．另一方面，當(dāng)系統(tǒng)中存在長程作用力（或類似的等效長程力）時(shí)，隨機(jī)力（噪聲）也多少會帶有一定的長程性質(zhì)，這意味著長程力強(qiáng)的地方噪聲關(guān)聯(lián)也越強(qiáng)[30]．因此，這次冪律分布起因于相空間的不均勻性．

3 結(jié)語

在本文中，綜述了3種在非廣延統(tǒng)計(jì)理論中導(dǎo)出冪律分布函數(shù)的方法，分別是最大熵原理方法、系綜論方法和分子運(yùn)動(dòng)論方法．最大熵方法依賴于熵增加原理，孤立系統(tǒng)的熵總是趨向于增加，一旦熵達(dá)到最大值，系統(tǒng)就處在平衡態(tài)，且具有唯一的分布函數(shù)．系綜論方法的基礎(chǔ)是等概率原理和各態(tài)遍歷原理，通過等概率原理，只需計(jì)算系統(tǒng)的微觀狀態(tài)數(shù)就能確定某個(gè)能級出現(xiàn)的概率，各態(tài)遍歷性保證了系綜平均與時(shí)間平均的一致性．分子運(yùn)動(dòng)論方法從粒子的微觀運(yùn)動(dòng)出發(fā)，在分析其微觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)上給定其動(dòng)理方程，即玻爾茲曼方程，最終通過求解該方程得到分布函數(shù)．從隨機(jī)動(dòng)力學(xué)角度來看，分布函數(shù)的冪律特征來源于相空間的非均勻性，同時(shí)也跟摩擦力漲落或溫度漲落有關(guān)．根本來說，這2種機(jī)制是統(tǒng)一的．因?yàn)榧有栽肼晱?qiáng)度的相空間依賴部分可以單獨(dú)從噪聲項(xiàng)中提出來，這樣加性噪聲就變成乘性噪聲了．

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The power law distribution function of nonextensive statistics and its microscopic dynamic foundation

ZHENG Ya-hui，LIANG Fa-ku，LUO Wang，REN Xiao-hui

（School of Science，Qiqihar University，Qiqihar 161006，China）

Summarized several methods to be used to deduce power law distribution in nonextensive statistics，such as maximum entropy principle，ensemble theory，molecular kinetics，and so on．Analyze the microscopic mechanism to produce such power law distribution from stochastic dynamics，and conclude that this mechanism is derived from the inhomogeneous character of phase space，also related to the fluctuation of temperature．They are associated to additive noise and multiplicative noise，respectively．

power law distribution；inhomogeneity；multiplicative noise

1007-9831（2016）07-0034-08

O41

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2016.07.009

2016-05-31

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（12541883）；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11405092）

鄭亞輝（1979-），男，河北保定人，講師，博士，從事非廣延統(tǒng)計(jì)理論及其應(yīng)用研究．E-mail：zhengyahui1979@163.com