Fiziğin Muhteşem DünyasıEtkileşimli fizik simülasyonları
Ana sayfa › İstatistik Fizik › Olasılık ve İstatistik

Olasılık ve İstatistik: Galton Tahtası, Merkezi Limit, Rastgele Yürüyüş

Bir top $n$ sıra çividen geçerken her çivide $p$ olasılıkla sağa sapar. Sağa sapma sayısı $k$ binom dağılımına uyar: $$P(k) = \binom{n}{k}p^k(1-p)^{n-k},\qquad \langle k\rangle = np,\qquad \sigma^2 = np(1-p).$$ Büyük $n$ için bu dağılım Gauss eğrisine yaklaşır. Bağıl genişlik $\sigma/n \propto 1/\sqrt n$ küçülür; istatistik fizikteki makroskopik niceliklerin keskinliğinin kökeni budur.

Merkezi limit teoremi: ortalaması $\mu$, varyansı $\sigma^2$ olan herhangi bir dağılımdan alınan $n$ elemanlı örneğin ortalaması, büyük $n$ için ortalaması $\mu$ ve standart sapması $\sigma/\sqrt n$ olan bir Gauss dağılımına uyar.

Rastgele yürüyüş ve difüzyon

Birim adımlarla rastgele yürüyen bir parçacık için $\langle x\rangle = 0$, $\langle x^2\rangle = t$ (adım sayısı) olur. Bu, difüzyon denkleminin çözümü $P(x,t) = \frac{1}{\sqrt{4\pi Dt}}e^{-x^2/4Dt}$ ile $\langle x^2\rangle = 2Dt$ (1B), $\langle r^2\rangle = 4Dt$ (2B) eşitliklerine karşılık gelir; burada $D = 1/2$ (1B) ve $D = 1/4$ (2B kare örgü) adım²/adım'dır.

Parametreler

simülasyonkesin (binom / kuram)Gauss yaklaşımı

Hesaplama

Bunu dene

1. Galton tahtasında $n = 20$, $p = 0.5$ seçip en az 2000 top düşürün. Ölçülen ortalama ve standart sapmayı kuramla karşılaştırın. Sonra $p = 0.2$ yapın: dağılım neden asimetrikleşir?

Açıklama
$\langle k\rangle = np = 10$, $\sigma = \sqrt{np(1-p)} = \sqrt5 \approx 2.24$. $p = 0.2$ için $\langle k\rangle = 4$, $\sigma = 1.79$; dağılım $k = 0$ sınırına yaklaştığı için sağa çarpık olur ve Gauss yaklaşımı (kırmızı) binomdan (turuncu noktalar) belirgin biçimde ayrılır. Gauss yaklaşımı ancak $np(1-p) \gg 1$ iken iyidir.

2. Merkezi limit modunda üstel dağılımı seçin. $n = 1, 2, 5, 30$ için örnek ortalamalarının histogramının biçimine bakın. $n = 30$ için genişliği ölçüp $\sigma/\sqrt n$ ile karşılaştırın.

Açıklama
Üstel dağılım için $\mu = \sigma = 1$. $n = 1$'de histogram üstel, $n = 2$'de hâlâ çarpık; $n = 30$ için Gauss'a çok yakındır ve standart sapma $1/\sqrt{30} \approx 0.183$ çıkmalıdır. Hafif sağa çarpıklık (çarpıklık katsayısı $2/\sqrt n \approx 0.37$) hâlâ seçilebilir.

3. Rastgele yürüyüşte 1B, 1000 yürüyücü ile 400 adım ilerletin. $\langle x^2\rangle$ grafiğinin eğimini okuyun. 2B'ye geçince $\langle r^2\rangle$ eğimi ne olur? $D$ değerlerini bulun.

Açıklama
Her iki durumda da birim adımlarla $\langle r^2\rangle = t$, yani eğim $\approx 1$. 1B'de $\langle x^2\rangle = 2Dt$ ⇒ $D = 0.5$; 2B'de $\langle r^2\rangle = 4Dt$ ⇒ $D = 0.25$. Ölçülen eğim istatistiksel olarak yaklaşık $\pm\sqrt{2/M}$ bağıl hata taşır (1000 yürüyücüde ~%4–5).

İstatistik Fizik dersindeki diğer simülasyonlar