# Equazioni differenziali alle derivate parziali/Il moto browniano

Equazioni differenziali alle derivate parziali
Copertina Tutti i moduli · Sviluppo
Introduzione
* Scopo del corsoEquazioni differenziali alle derivate parziali/Scopo del corso
* L'equazione dei fluidi perfettiEquazioni differenziali alle derivate parziali/L'equazione dei fluidi perfetti
L'equazione delle onde
* Modello di D'AlembertEquazioni differenziali alle derivate parziali/Modello di D'Alembert
* Considerazioni sull'energia cineticaEquazioni differenziali alle derivate parziali/Considerazioni sull'energia cinetica
* Modello di LagrangeEquazioni differenziali alle derivate parziali/Modello di Lagrange
L'equazione di Fourier e l'equazione del calore
* L'equazione di FourierEquazioni differenziali alle derivate parziali/L'equazione di Fourier
* L'equazione del caloreEquazioni differenziali alle derivate parziali/L'equazione del calore
* Considerazioni sull'inversione temporaleEquazioni differenziali alle derivate parziali/Considerazioni sull'inversione temporale
* Il moto brownianoEquazioni differenziali alle derivate parziali/Il moto browniano
Soluzioni e proprietà nel caso monodimensionale
* Il teorema di D'AlembertEquazioni differenziali alle derivate parziali/Il teorema di D'Alembert
* L'equazione delle onde sulla rettaEquazioni differenziali alle derivate parziali/L'equazione delle onde sulla retta
* Il problema della corda vibrante con condizioni al bordo di DirichletEquazioni differenziali alle derivate parziali/Il problema della corda vibrante con condizioni al bordo di Dirichlet
* L'energia per la corda vibranteEquazioni differenziali alle derivate parziali/L'energia per la corda vibrante
* L'equazione del calore con condizioni al bordo di NeumannEquazioni differenziali alle derivate parziali/L'equazione del calore con condizioni al bordo di Neumann
* L'equazione del calore con condizioni al bordo periodicheEquazioni differenziali alle derivate parziali/L'equazione del calore con condizioni al bordo periodiche
Problemi agli autovalori
* L'operatore derivata secondaEquazioni differenziali alle derivate parziali/L'operatore derivata seconda
* Sviluppi di Fourier e identità di ParsevalEquazioni differenziali alle derivate parziali/Sviluppi di Fourier e identità di Parseval
Il problema di Sturm-Liouville
* Proprietà dell'operatore di Sturm-LiouvilleEquazioni differenziali alle derivate parziali/Proprietà dell'operatore di Sturm-Liouville
* Le soluzioni del problema di Sturm-LiouvilleEquazioni differenziali alle derivate parziali/Le soluzioni del problema di Sturm-Liouville
* Richiami sulla teoria operatorialeEquazioni differenziali alle derivate parziali/Richiami sulla teoria operatoriale
* Operatore di Hilbert-SchmidtEquazioni differenziali alle derivate parziali/Operatore di Hilbert-Schmidt
* ConclusioniEquazioni differenziali alle derivate parziali/Conclusioni
* Alcuni casi particolariEquazioni differenziali alle derivate parziali/Alcuni casi particolari
L'equazione di Laplace
* Formule di GreenEquazioni differenziali alle derivate parziali/Formule di Green
* Le soluzioni dell'equazione di Laplace: funzioni armonicheEquazioni differenziali alle derivate parziali/Le soluzioni dell'equazione di Laplace: funzioni armoniche
Le funzioni armoniche
* Proprietà generali delle funzioni armonicheEquazioni differenziali alle derivate parziali/Proprietà generali delle funzioni armoniche
* Proprietà della mediaEquazioni differenziali alle derivate parziali/Proprietà della media
* Principio del massimoEquazioni differenziali alle derivate parziali/Principio del massimo
* Regolarità delle funzioni armonicheEquazioni differenziali alle derivate parziali/Regolarità delle funzioni armoniche
* Teorema di LiouvilleEquazioni differenziali alle derivate parziali/Teorema di Liouville
L'equazione di Poisson
* Le soluzioni dell'equazione di PoissonEquazioni differenziali alle derivate parziali/Le soluzioni dell'equazione di Poisson
* Soluzioni limitate dell'equazione di PoissonEquazioni differenziali alle derivate parziali/Soluzioni limitate dell'equazione di Poisson
Formula di rappresentazione
* La formula di rappresentazioneEquazioni differenziali alle derivate parziali/La formula di rappresentazione
* Il metodo delle cariche immagine nel semipianoEquazioni differenziali alle derivate parziali/Il metodo delle cariche immagine nel semipiano
* Il metodo delle cariche immagine in più dimensioniEquazioni differenziali alle derivate parziali/Il metodo delle cariche immagine in più dimensioni
* Cariche immagine per la sfera: la riflessione di KelvinEquazioni differenziali alle derivate parziali/Cariche immagine per la sfera: la riflessione di Kelvin
Principio di Dirichlet
Gli autovalori del laplaciano
* Proprietà generaliEquazioni differenziali alle derivate parziali/Proprietà generali
* Il quoziente di RayleighEquazioni differenziali alle derivate parziali/Il quoziente di Rayleigh
L'equazione delle onde sul disco
* L'equazione delle onde sul discoEquazioni differenziali alle derivate parziali/L'equazione delle onde sul disco
* Dipendenza dai dati inizialiEquazioni differenziali alle derivate parziali/Dipendenza dai dati iniziali
La trasformata di Fourier
* La trasformata di FourierEquazioni differenziali alle derivate parziali/La trasformata di Fourier
* Definizione della trasformata di FourierEquazioni differenziali alle derivate parziali/Definizione della trasformata di Fourier
* Proprietà della trasformata di FourierEquazioni differenziali alle derivate parziali/Proprietà della trasformata di Fourier
* L'equazione del calore con FourierEquazioni differenziali alle derivate parziali/L'equazione del calore con Fourier
* L'equazione delle ondeEquazioni differenziali alle derivate parziali/L'equazione delle onde
* Considerazioni sull'energia delle ondeEquazioni differenziali alle derivate parziali/Considerazioni sull'energia delle onde
Teoria delle distribuzioni
* IntroduzioneEquazioni differenziali alle derivate parziali/Introduzione
* Caratterizzazione delle distribuzioniEquazioni differenziali alle derivate parziali/Caratterizzazione delle distribuzioni
* La delta di DiracEquazioni differenziali alle derivate parziali/La delta di Dirac
* Il valor principaleEquazioni differenziali alle derivate parziali/Il valor principale
* Operazioni con le distribuzioniEquazioni differenziali alle derivate parziali/Operazioni con le distribuzioni
* Soluzioni fondamentali e distribuzioniEquazioni differenziali alle derivate parziali/Soluzioni fondamentali e distribuzioni
* Trasformata di Fourier di una distribuzioneEquazioni differenziali alle derivate parziali/Trasformata di Fourier di una distribuzione
* ConvoluzioniEquazioni differenziali alle derivate parziali/Convoluzioni
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Visti i modelli di D'Alembert e di Lagrange per derivare l'equazione delle onde e visto il modello deduttivo che porta alle equazioni di Fourier e del calore, in questo modulo ci si occuperà di un altro modello descrittivo che consente di ricavare un'equazione alle derivate parziali atta a descrivere un particolare fenomeno fisico: il moto browniano. Per moto browniano si intende un moto erratico, con derivata discontinua, di una qualsiasi specie di particelle in un solvente. Per la prima volta questo fenomeno venne studiato da Brown e, successivamente nel 1905, da Einstein, il cui modo di operare è descritto in questo modulo.
Verrà trattato, per questioni di semplicità, il caso monodimensionale. Ciò che si vuole fare è discutere il moto di un soluto impregiudicato in un solvente. Sia $\Phi ^{(\tau )}(y)$ la densità di probabilità che una particella di soluto si sposti nel solvente di una quantità $y$ in un tempo $\tau$. La probabilità che la particella, che al tempo $t$ si trovava in $x$, si trovi in $(x+y,\,x+y+dy)$ al tempo $t+\tau$ è data da:
$\Psi ^{(\tau )}(y)dy$
In quanto funzione densità di probabilità, essa deve soddisfare le seguenti proprietà:
* deve essere indipendente da $x$, dal momento che descrive un processo omogeneo. Tale proprietà è valida fintanto che si considerano particelle senza carica;
* essendo una probabilità, è necessario che essa sia normalizzata:
    $\int _{\mathbb {R} }\Psi ^{(\tau )}(y)dy=1$
* proprietà di simmetria per cui $\Psi ^{(\tau )}(y)=\Psi ^{(\tau )}(-y)$, che implica:
    $\int _{\mathbb {R} }y\Psi ^{(\tau )}(y)dy=0$
Sia $\rho (x;t)dx$ la probabilità che la particella di soluto si trovi in $(x,x+dx)$ al tempo $t$. Allora si ha la validità della seguente legge, detta di Champman-Kolmorogov:
$\rho (x,t+\tau )=\int _{\mathbb {R} }\rho (x-y,t)\Psi ^{(\tau )}(y)dy$
È anche possibile, sotto l'ipotesi che $x\gg y$ e $t\gg \tau$, scrivere:
$\rho (x;t+\tau )=\rho (x;t)+{\frac {\partial }{\partial t}}\rho (x;t)\tau +\dots$
$\rho (x-y;t)=\rho (x;t)-{\frac {\partial }{\partial x}}\rho (x;t)y+{\frac {y^{2}}{2}}{\frac {\partial ^{2}}{\partial x^{2}}}\rho (x;t)+\dots$
Sostituendo questi due sviluppi nella legge di Champman-Kolmorogov, si ottiene:
$\rho (x;t)+{\frac {\partial }{\partial t}}\rho (x;t)\tau =\int _{\mathbb {R} }\left[\rho (x;t)-{\frac {\partial }{\partial x}}\rho (x;t)y+{\frac {y^{2}}{2}}{\frac {\partial ^{2}}{\partial x^{2}}}\rho (x;t)\right]\Psi ^{(\tau )}(y)dy=$
$=\rho (x;t){\underset {=1}{\underbrace {\int _{\mathbb {R} }\Psi ^{(\tau )}(y)dy} }}-{\frac {\partial \rho (x;t)}{\partial t}}{\underset {=0}{\underbrace {\int _{\mathbb {R} }y\Psi ^{(\tau )}(y)dy} }}+{\frac {\partial ^{2}\rho }{2\partial x^{2}}}\int _{\mathbb {R} }y^{2}\Psi ^{(\tau )}(y)dy=$
$=\rho (x;t)+{\frac {\partial ^{2}\rho }{\partial x^{2}}}{\underset {={\frac {\sigma ^{(\tau )}}{2}}}{\underbrace {\int _{\mathbb {R} }{\frac {y^{2}}{2}}\Psi ^{(\tau )}(y)dy} }}$
Detta $D={\frac {\sigma ^{(\tau )}}{2\tau }}$ si ottiene l'equazione di moto browniano:
$\rho _{t}=D\rho _{xx}$
Si definisce libero cammino medio la radice quadrata di $\sigma ^{(\tau )}$:
$\lambda ^{(\tau )}=\left(\int _{\mathbb {R} }\Psi ^{(\tau )}(y)y^{2}dy\right)^{\frac {1}{2}}=(2D\tau )^{\frac {1}{2}}$
Si nota anche che il libero cammino medio è proporzionale alla radice quadrata del tempo e non al tempo stesso: ciò ci consente di dare validità anche alla definizione di $D$ fatta sopra per ricavare l'equazione di moto browniano. Einstein, nella sua derivazione, dà anche una definizione empirica di $D$:
$D={\frac {kt}{6\pi \eta a}},\;\eta {\text{ viscosità; }}a{\text{ raggio particella}}$