エルゴード理論

エルゴード理論（エルゴードりろん、）は、ある力学系がエルゴード的（ある物理量に対して、長時間平均とある不変測度による位相平均が等しい）であることを示す、すなわちエルゴード仮説の立証を目的とする理論。この仮説は、SinaiらのDynamical billiardsの例などで正しいという証明が与えられているが、統計力学の基礎とは無関係である。また、物理学でのエルゴード性を抽象化した、数学における保測変換の理論をそう呼ぶこともある。
上記2つの平均が同じような値（あるいは関数）を得られるものについて、エルゴード的ということが出来る。
保測変換.
確率測度Ｐにおいて保測変換Ｔは任意の事象Ａにおいて
formula_1
といった具合にＡの起こりうる確率を変化させずに別又は同じ事象TAに変換するものをいう。即ち、確率測度という大きさの測り方を指定したときに、大きさを変えずに変化させる操作の総称をいう。ただし、
formula_2
であることはmeasure preserving（邦訳：測度保存）という名がついており、可逆性を満たせば保測変換になるという広いクラスとなる。
エルゴード仮説.
エルゴード仮説とは、長い時間尺度 (time scale) でみると、微小状態からなる位相空間内で同じエネルギーをもった領域に費やされる時間は位相空間でしめる体積に比例するというもの。すなわち、そのようなすべての実現可能な微小状態は長い目で見ると等しい確率で起こるということ。さらに言いかえれば、時間平均と、統計力学でいうアンサンブル（起こりうる微小状態の数だけある系のレプリカの集まり）内での平均は等しくなるということ。
証明されていないため仮説の域は出ないものの、この仮説を採用してシミュレーションを行うと現実を非常にうまく説明できることを疑うものはいない。その意味で特に工学分野において、証明を必要とするという意味のある「仮説」の字を避けエルゴード仮設と書くことがある。
問題点.
「エルゴード仮説は統計力学の基礎としては的を外している」という主張も、専門家である田崎晴明によってなされている。
数学におけるエルゴード理論.
エルゴード理論は確率論にもとづいた力学系の一つの分野である。
物理のみならず数論など数学の他分野への応用も多い。
上記のエルゴード仮説との直接の関係は薄い。
重要な概念.
エルゴード理論での基本的な事柄を説明する。
主に離散力学系を扱うが、連続力学系についても同様のことを考えることが出来る。
可測力学系.
確率空間 formula_3 を考える。即ち、"X" をある集合、formula_4 を "X" 上の完全加法族、そしてμを確率測度とする。
さらに formula_5 を formula_4-可測な写像とする。
全ての formula_7 に対して formula_8 を満たすとき、μは("T"-)不変測度であるという。
このとき、 formula_9 を"可測力学系"と呼ぶ。
ここでの興味の対象は、任意の始点 formula_10 からの軌道 formula_11 の振舞いである。
エルゴード性.
"T"-不変な formula_4 の部分集合を formula_13 とする。
ある可測力学系 formula_9 が以下の同値な条件の一つを満たすとき"エルゴード的"であるという。
1.は、測度論の視点から見れば空間 "X" の自明でない"T"-不変な部分空間を持たないということを意味している。
3.で formula_32 の場合はポアンカレの回帰定理である。
5.は混合性と呼ばれる性質の一つである。
このような力学系をエルゴード的と呼ぶ結縁は各種エルゴード定理にある。
エルゴード性は重要な概念であるが、エルゴード理論で扱う力学系はエルゴード的な物に限られるわけではない。
混合性.
エルゴード性より強力な性質としては以下のものがある。
任意の formula_23 に対して
formula_34 が成り立つとき、 formula_35 は"弱混合的"であるという。
また、任意の formula_23 に対して formula_37 が成り立つとき、 formula_35 は"強混合的"であるという。
エルゴード定理.
最も代表的なのは以下の定理である。
ビーコフのエルゴード定理: formula_9 を可測力学系とする。
任意の formula_40 に対して、ある formula_41 を満たす formula_42 が存在し
がμ-殆ど全ての formula_10 で成り立つ。
さらに、μがエルゴード的なら右辺を formula_45 と定数関数にとれる。
例.
以下に可測力学系の例を示す。
連分数への応用.
写像 formula_59 を formula_60 を formula_61 の小数部分に写す写像とする。
つまり
と定義する。この写像は連分数変換やGauss写像と呼ばれることがある。ここでformula_63は床関数である。
このとき formula_64 を formula_65 と定めると、これは formula_66 と formula_60 の連分数表現を与える。
つまり任意の formula_68 は
と表される。
さらに、 formula_70 上のボレル確率測度 formula_71 を
と定義する。これはガウス測度と呼ばれることがある。
この formula_71 は formula_74-不変であるので formula_75 は可測力学系となっている。
この力学系はエルゴード的であることも知られている。