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在不同维度下,Ising模型的可解析解与计算复杂性有何差异?

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伊辛模型 Ising Model - 集智百科 - 复杂系统|人工智能|复杂科学|复杂网络|自组织 伊辛模型 Ising Model 来自集智百科 - 复杂系统|人工智能|复杂科学|复杂网络|自组织 [math]\displaystyle{ E_{\{s_i\}}=-J\sum_{\lt i,j\gt }{s_is_j}-H\sum_{i}^N{s_i} }[/math] [math]\displaystyle{ \{s_i\}=\{+1+1+1,+1+1-1,+1-1+1,+1-1-1,-1-1+1,-1+1+1,-1+1-1,-1-1-1\} }[/math] [math]\displaystyle{ p(\{s_i\})=\frac{1}{Z}\exp(-\frac{E_{\{s_i\}}}{kT}) }[/math] [math]\displaystyle{ Z=\sum_{\{s_i\}}\exp(-\frac{E_{\{s_i\}}}{kT}) }[/math] [math]\displaystyle{ \sum_{\{s_i\}}p(\{s_i\})=1 }[/math] 2. https://blog.csdn.net/wwxy1995/article/details/78774853)。 [math]\displaystyle{ M_{\{s_i\}}=\sum_{i=1}^N{s_i} }[/math] [math]\displaystyle{ \langle M\rangle =\sum_{\{s_i\}}{M_{\{s_i\}}p_{\{s_i\}}}=\frac{1}{Z} \sum_{\{s_i\}}{M_{\{s_i\}}\exp (-E_{\{s_i\}}/(kT))} }[/math] [math]\displaystyle{ m=\frac{\langle M\rangle}{N} }[/math] 上图表示了[math]\displaystyle{ m }[/math]随归一化温度呈现出幂律规律的变化,可以用如下公式表示: [math]\displaystyle{ m_0\sim (\frac{T_C-T}{T_C})^{\frac{1}{\beta}} }[/math] [math]\displaystyle{ \chi{(T,H)}=\frac{\langle M^2\rangle -\langle M\rangle^2}{NkT} }[/math] 类似地,我们将磁导率与归一化温度曲线画在双对数坐标下得到一条直线(当[math]\displaystyle{ H=0 }[/math]): [math]\displaystyle{ \chi\sim (|T-T_C|/T_C)^{-\gamma} }[/math] 表示,其中指数[math]\displaystyle{ \gamma }[/math]约等于7/4。 [math]\displaystyle{ \langle E\rangle =\frac{1}{Z} \sum_{\{s_i\}}{E_{\{s_i\}}\exp (-E_{\{s_i\}}/(kT))} }[/math] [math]\displaystyle{ c=\frac{\langle E^2\rangle-\langle E\rangle^2}{NkT^2} }[/math] [math]\displaystyle{ c\sim (|T-T_C|/T_C)^{-\alpha} }[/math] [math]\displaystyle{ g(r_{ij})\sim \exp(-r/r_0) }[/math] [math]\displaystyle{ r_0\sim |\frac{T_C-T}{T_C}|^{-\nu} }[/math] 这是在外场[math]\displaystyle{ H=0 }[/math],温度刚好等于临界温度的时候各个小磁针构成的一个构型。该图中,同一种颜色(即状态一致)的小磁针形成了彼此连通的团簇。这些团簇的尺寸有大有小。单独一个团簇具有一定的自相似性,它构成了一个分形。并且团簇的形态会在多个尺度重现类似的模式。假如我们将系统放大或者缩小,我们将无法分辨出不同之处,这就是无标度性这个名词的来源。 然而,如果我们稍作变化,只要每个村民在每个周期都会有一个小概率v发生政治观点的随机变化(并不拷贝邻居的颜色)。那么这个系统就将持续演化下去,不会停留在固定的状态上。不难看出,在这种改进的模型中,Voter模型与伊辛模型很相似。其中,村民拷贝邻居的观点相当于伊辛模型中,小磁针朝能量减小的方向演化。而每个村民按小概率v发生观点随机变化就相当于环境噪声的影响。如果适当地选择v参数的大小,Voter模型将会达到和伊辛模型类似的效果,即存在着临界的概率[math]\displaystyle{ v_C }[/math],使得系统处于临界状态。与伊辛模型不同的是每个村民的状态取值可以更多。 [math]\displaystyle{ s_i(t+1)=\left\{\begin{array}{ll} 1 & \mbox {if }\sum_{j}{w_{ij}s_j(t)}\gt \theta_i, \\ -1 & \mbox {otherwise.}\end{array}\right. [math]\displaystyle{ E_{\{s_i\}}=-\sum_{ij}w_{ij}s_is_j - \sum_{i} \theta_i s_i }[/math] [math]\displaystyle{ w_{ij}=\sum_{\nu=1}^{m}V_{\nu}(i)V_{\nu}(j) }[/math] 关于集智百科 - 复杂系统|人工智能|复杂科学|复杂网络|自组织

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Moonshot回答

Ising模型是一个在统计物理中用来描述铁磁相变等现象的数学模型,它在不同维度下展现出不同的可解析性和计算复杂性。

在一维Ising模型中,由于其简单性,可以得到精确的解析解。一维Ising模型的配分函数可以被精确计算,从而得到模型的热力学性质,例如自由能、磁化率和比热容等。一维模型的解析解揭示了其相变行为,例如在临界温度以下,系统会发生相变,从无序相转变为有序相。

然而,在二维Ising模型中,尽管没有外部磁场时也可以得到精确的解析解,但这些解是通过复杂的数学方法得到的,例如利用共形场理论和二维统计物理中的精确可解性。二维Ising模型的解析解揭示了其临界现象和普适性,例如在临界点附近,系统的物理量会按照幂律变化,显示出无标度性。

对于三维和更高维度的Ising模型,精确的解析解变得难以获得。这些模型的计算复杂性显著增加,通常需要借助数值模拟和近似方法来研究。例如,可以使用蒙特卡洛模拟来研究三维Ising模型的相变和临界现象。这些数值方法虽然不能提供精确的解析解,但可以给出非常精确的物理量的估计。

总的来说,Ising模型在不同维度下的可解析性和计算复杂性有显著差异。一维模型相对简单,可以得到精确的解析解;而高维模型,尤其是三维模型,通常需要数值模拟和近似方法来研究。这些模型的解析解和数值研究对于理解相变、临界现象以及复杂系统的行为都具有重要意义。

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