这两条定理是"统计力学为什么可行"的数学基础:大数定律说宏观量几乎是确定的;中心极限定理说它的涨落几乎总是高斯型的。正文用到它们的地方:二项分布的高斯极限(§2.4);随机行走与扩散(§P5.2);高分子末端距的高斯分布(§30.1 的 (30.2));蒙特卡罗方法的统计误差(§32.2)。
下面设 X1,X2,…,XN 相互独立、分布相同(简称"独立同分布"),均值 μ,方差 σ2(有限)。记 SN=∑iXi,样本平均 XˉN=SN/N。
§C6.1大数定律
由线性性与 (C3.5):
⟨XˉN⟩=μ,Var(XˉN)=Nσ2(C6.1)
再用切比雪夫不等式 (C2.3):对任意 ϵ>0,
P(∣XˉN−μ∣≥ϵ)≤Nϵ2σ2 N→∞ 0(C6.2)
样本平均依概率收敛于期望值:偏离超过任意 ϵ 的概率趋于零(这是"弱"大数定律;"强"大数定律断言以概率 1 收敛,并且只要求均值有限)。物理含义:
- 宏观量(大量微观贡献的平均)几乎是确定的,相对涨落 ∝N−1/2(§2.2)。
- 频率趋于概率:N 次试验中事件 A 发生的比例(指示变量的平均)趋于 P(A)。
- 蒙特卡罗方法:用随机样本的平均值估计期望值,误差按 N−1/2 减小(§32.2)。
只要关联随距离(或时间)足够快地衰减,(C6.1) 中的 σ2 换成 σ2(1+2∑kρk)(§C3.5)后结论仍成立;这是宏观系统中有相互作用的粒子仍然服从大数定律的原因。
§C6.2中心极限定理
定理:标准化的和
ZN=σNSN−Nμ
的分布在 N→∞ 时趋于标准正态分布 N(0,1),与 Xi 本身的分布形状无关(只要方差有限)。等价地说,SN 近似服从 N(Nμ, Nσ2)。
证明(特征函数法)。令 Yi=(Xi−μ)/σ,均值 0、方差 1。它的特征函数在 k=0 附近展开(附录 C2;ϕ(k)=⟨eikY⟩=1+ik⟨Y⟩−2k2⟨Y2⟩+⋯):
ϕY(k)=1−2k2+o(k2)
ZN=∑iYi/N 是独立变量之和,特征函数相乘(§C3.6):
ϕZN(k)=[ϕY(Nk)]N=[1−2Nk2+o(N1)]N N→∞ e−k2/2
(最后一步是 (A10.5)。)e−k2/2 正是 N(0,1) 的特征函数,而特征函数唯一地确定分布。□
累积量的观点。独立变量之和的累积量相加:κn(SN)=Nκn(X)。标准化后(n≥2 时;平移 −Nμ 只改变 κ1,所以 κ1(ZN)=0)
κn(ZN)=(σN)nNκn(X)∝N1−n/2
n=2 时为 1,n≥3 时都趋于零——只剩下高斯分布的前两个累积量。还可以看出收敛的速度:偏度(n=3)按 N−1/2 消失。这与 (C2.6) 后面关于能量分布的讨论是同一回事。
ZN 的直方图(2 万个样本)标准正态分布 ZN=(SN−Nμ)/σN 偏度(样本)—
偏度(κ3/σ3N)—
超出峰度(样本)—
图 C6.1N 个独立同分布变量之和,标准化以后的分布。不论每个变量服从什么分布,N 增大时都趋于标准正态分布;偏度按 N−1/2 消失,所以不对称的分布(指数、稀有事件)收敛得慢。取离散值的变量在 N 较小时直方图呈梳状。
§C6.3正文中的例子
- 二项分布(§2.4):n=∑xi,xi∈{0,1},μ=1/2,σ2=1/4;所以 n 近似服从 N(N/2, N/4),即 (2.15)。§2.4 用斯特林公式直接证明了这一点;中心极限定理说明它不是巧合。
- 随机行走与扩散(§P5.2):每步位移 ±a,Ns=t/τ 步后位置近似服从 N(0, Nsa2),与扩散方程的解 (P5.5) 对比得 D=a2/(2τ)。
- 高分子链(§30.1):末端距 R=∑ibi,每个键的分量方差为 b2/3;由多元中心极限定理,R 服从协方差为 3Nb2I 的三维高斯分布 (30.2)。注意单个键的分布(固定长度、方向均匀)与高斯分布相差甚远,而 N 个键之和却是高斯的。
- 蒙特卡罗误差(§32.2):M 个独立样本的平均值的误差为 Var(A)/M,并且这个误差本身近似服从高斯分布,所以可以给出"68% 置信区间"之类的陈述。
- 正则系综中的能量:宏观系统可以看成许多弱耦合的子系统,总能量是许多近似独立的贡献之和,所以能量分布是窄的高斯峰,宽度 ∝N(§4.4)。
§C6.4适用条件与失效
(a) 方差必须有限。 洛伦兹分布(柯西分布)p(x)=π11+x21 的方差(甚至均值)不存在。它的特征函数是 e−∣k∣(由 (A14.10) 的第二式与反演公式)。N 个独立柯西变量的平均值的特征函数为 [e−∣k∣/N]N=e−∣k∣——与单个变量完全相同:平均了一百万次,分布一点也没有变窄。重尾分布在物理中确实出现(洛伦兹线形的随机频率、"莱维飞行"型的随机行走),这时既没有大数定律的 N−1/2,也没有高斯极限。
(b) 关联必须足够短程。 在临界点,关联长度 ξ 发散,大量自旋强烈关联。此时总磁化强度的涨落不再 ∝N(χ 发散,(18.3)),其分布也不是高斯的。这正是临界现象需要重整化群而不能用简单统计处理的原因(第20章)。
(c) 只适用于"典型"涨落。 中心极限定理描述的是偏离平均值约 σN 的涨落。偏离与 N 成正比的"大偏差"概率按 e−NI(x) 衰减,其中速率函数 I(x) 一般不是二次函数(§22.6 的硬币例子)。
§C6.5大偏差的一个简单估计
马尔可夫不等式:对非负随机变量 Y 与 a>0,P(Y≥a)≤⟨Y⟩/a(证明与切比雪夫不等式相同:⟨Y⟩≥∫y≥aypdy≥aP(Y≥a))。把它用于 Y=esSN(s>0):
P(XˉN≥x)=P(esSN≥esNx)≤esNx⟨esSN⟩=e−N[sx−K(s)]
(用了 ⟨esSN⟩=⟨esX⟩N=eNK(s),K 为累积量生成函数。)对 s 取最紧的界:
P(XˉN≥x)≤e−NI(x),I(x)=smax[sx−K(s)](C6.3)
(这里 x>μ;此时对 s>0 取极大与对全体 s 取极大结果相同。这称为切尔诺夫界;克拉默定理进一步说明在对数意义下它就是严格的渐近式。)速率函数是累积量生成函数的勒让德变换(附录 A5)。在 x 接近 μ 时,K(s)≈μs+21σ2s2,求极大得 I(x)≈2σ2(x−μ)2,于是 P≈e−N(x−μ)2/2σ2——回到中心极限定理。对硬币(K(s)=ln21+es),(C6.3) 给出 (22.18)(附录 A5 的自测题 5 做过反方向的变换)。
自测题
- 设 U1,…,U12 是 [0,1] 上独立的均匀变量。说明 ∑Ui−6 近似服从 N(0,1)。[提示:均值 12×21−6=0,方差 12×121=1。这是早期计算机产生高斯随机数的方法。]
- 掷 104 次硬币,正面超过 5100 次的概率约为多少?[答:σ=50,超出 2σ,约 2.3%。]
- 用特征函数证明:N 个独立柯西变量的平均值仍服从同一个柯西分布。
- 在 [0,1]2 中随机撒 106 个点,用落在四分之一圆内的比例乘以 4 来估计 π。估计的统计误差是多少?[答:比例 p=π/4,误差 p(1−p)/106≈4.1×10−4,乘以 4 得约 1.6×10−3。]
- 对 K(s)=ln21+es 计算 (C6.3) 的 I(x),验证它等于 (22.18),并验证 I′′(1/2)=4=1/σ2。
这一篇已记为读完。