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布朗测

概率论给复分析递来的一面镜子:盘内调和函数 u(z) 恰是 布朗粒子从 z 出发、撞出单位圆时落在边界数据 φ 上的期望 u(z) = E_z[φ(B_τ)]。而出盘落点的分布密度,正是泊松核 P_z(e^{it}) = (1−|z|²)/|e^{it}−z|² —— 同一个积分核, 一半是分析、一半是概率。拖动探针、按下"跑蒙特卡洛",两条路线当场对账。

边界数据 φ

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圆盘内金钉 = 探针起点 z(可拖,锁在盘内);外圈彩条 = 边界 φ 的取值,橙柱 = 出口角直方图,青线 = 泊松核 P_z。

φ = 偶极 cosθ
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  • 金钉 = 探针起点 z(拖动,锁盘内 r<0.97)
  • 橙柱 = 出口角直方图(蒙特卡洛实测)
  • 青线 = 泊松核 P_z(θ)(理论密度 ×2π)

对账台

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u(z) 解析(泊松积分)
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u(z) 蒙特卡洛(N 条游走)
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误差 | 理论尺度 1/√N
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出口直方图 vs 泊松核(L1)
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均值性质 u(0) vs 边界均值
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z=0 时泊松核退化为常数 1 —— u(0) 就是边界 φ 的圆周平均,蒙特卡洛则数"落进高弧段的游走比例"。

图层

关掉热图只看轨迹:几十条乱走的路,出口统计却精确服从光滑的泊松核 —— 混乱里长出解析。

两次撞线,一个答案

把一枚粒子从盘内 z 放手做平面布朗运动,它几乎必然在有限时间 τ 撞上单位圆周并停下。落点在弧段 [t, t+dt] 的概率密度 恰是泊松核 P_z(e^{it}) dt/2π —— 于是 E_z[φ(B_τ)] = (1/2π)∫φ(e^{it})P_z(e^{it})dt 就是 Dirichlet 问题的解 u(z)。分析侧的积分公式与概率侧的期望 是同一个数,本页把两边都算出来摆在一起。

步进布朗 每步 ΔB=(√Δt·ξ₁, √Δt·ξ₂),ξ 标准正态;撞 |B|≥1 停 —— 蒙特卡洛路线,慢但"亲眼见随机"
泊松积分 u(z)=1/(2π)∫₀²π φ(θ)P_z(θ)dθ,Simpson 800 段 —— 解析路线,一次到位
对账 |MC − 解析| ≲ σ/√N:样本数翻 4 倍误差对半砍,中心极限定理的现场直播

怎么玩

  1. 把探针拖到圆心。泊松核变成平的(青线拉成常高),出口均匀 —— u(0) = 边界均值,均值性质肉眼可见。
  2. 拖近边界。青线在探针正对方向尖峰化:粒子多半就近撞出,u(z) 被"头顶那一段"边界值统治。
  3. 换"三角波"案卷再跑。边界有折角、内部却丝滑 —— 泊松核是天然的低通滤波器,高频在盘内指数衰减。
  4. 连点两次"跑蒙特卡洛"。N=100 的散落点 vs N=4000 的贴合柱 —— 1/√N 收敛不用背,看两次就有体感。
  5. 关热图开轨迹。每条橙色折线都是一枚粒子的死亡之旅;它们的终点分布,就是那条青色泊松核。

为什么共形映射在这里"免费"?

布朗运动在共形映射下只改变走时、不改变路径像 —— 所以 u∘φ 仍是调和函数。 这正是"调和性随共形映射走"的概率证明:本页任何盘→盘的映射自动继承, 也是双曲盘里布朗步长成双曲测地线的根由。