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Exact distributions of the maximum and range of random diffusivity processes

  • We study the extremal properties of a stochastic process xt defined by the Langevin equation ẋₜ =√2Dₜ ξₜ, in which ξt is a Gaussian white noise with zero mean and Dₜ is a stochastic‘diffusivity’, defined as a functional of independent Brownian motion Bₜ.We focus on threechoices for the random diffusivity Dₜ: cut-off Brownian motion, Dₜt ∼ Θ(Bₜ), where Θ(x) is the Heaviside step function; geometric Brownian motion, Dₜ ∼ exp(−Bₜ); and a superdiffusive process based on squared Brownian motion, Dₜ ∼ B²ₜ. For these cases we derive exact expressions for the probability density functions of the maximal positive displacement and of the range of the process xₜ on the time interval ₜ ∈ (0, T).We discuss the asymptotic behaviours of the associated probability density functions, compare these against the behaviour of the corresponding properties of standard Brownian motion with constant diffusivity (Dₜ = D0) and also analyse the typical behaviour of the probability density functions which is observed for a majority of realisations of theWe study the extremal properties of a stochastic process xt defined by the Langevin equation ẋₜ =√2Dₜ ξₜ, in which ξt is a Gaussian white noise with zero mean and Dₜ is a stochastic‘diffusivity’, defined as a functional of independent Brownian motion Bₜ.We focus on threechoices for the random diffusivity Dₜ: cut-off Brownian motion, Dₜt ∼ Θ(Bₜ), where Θ(x) is the Heaviside step function; geometric Brownian motion, Dₜ ∼ exp(−Bₜ); and a superdiffusive process based on squared Brownian motion, Dₜ ∼ B²ₜ. For these cases we derive exact expressions for the probability density functions of the maximal positive displacement and of the range of the process xₜ on the time interval ₜ ∈ (0, T).We discuss the asymptotic behaviours of the associated probability density functions, compare these against the behaviour of the corresponding properties of standard Brownian motion with constant diffusivity (Dₜ = D0) and also analyse the typical behaviour of the probability density functions which is observed for a majority of realisations of the stochastic diffusivity process.zeige mehrzeige weniger

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Verfasserangaben:Denis S. GrebenkovORCiD, Vittoria SposiniORCiD, Ralf MetzlerORCiDGND, Gleb OshaninORCiDGND, Flavio SenoORCiD
DOI:https://doi.org/10.1088/1367-2630/abd313
ISSN:1367-2630
Titel des übergeordneten Werks (Englisch):New Journal of Physics
Verlag:Dt. Physikalische Ges.
Verlagsort:Bad Honnef
Publikationstyp:Wissenschaftlicher Artikel
Sprache:Englisch
Datum der Erstveröffentlichung:19.04.2021
Erscheinungsjahr:2020
Datum der Freischaltung:19.04.2021
Freies Schlagwort / Tag:Brownian motion; diffusion; extremal values; maximum and range; random diffusivity
Band:23
Seitenanzahl:23
Fördernde Institution:Universität Potsdam
Fördernummer:PA 2021_006
Organisationseinheiten:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik und Astronomie
DDC-Klassifikation:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
Peer Review:Referiert
Fördermittelquelle:Publikationsfonds der Universität Potsdam
Publikationsweg:Open Access / Gold Open-Access
Lizenz (Deutsch):License LogoCC-BY - Namensnennung 4.0 International
Externe Anmerkung:Zweitveröffentlichung in der Schriftenreihe Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe ; 1142
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