عملية معالجة النقاط

في علم الاحتمالات والإحصاء ، تُعرف عملية تحويل النقاط بأنها نوع من العمليات الرياضية التي تُجرى على كائن عشوائي يُعرف باسم عملية النقاط ، والتي تُستخدم غالبًا كنماذج رياضية للظواهر التي يمكن تمثيلها بنقاط موزعة عشوائيًا في الفضاء. قد تكون هذه العمليات عشوائية تمامًا، أو حتمية ، أو كليهما، وتُستخدم لإنشاء عمليات نقاط جديدة، والتي يمكن استخدامها بدورها كنماذج رياضية. قد تشمل هذه العمليات إزالة أو تقليل عدد النقاط من عملية النقاط، أو دمج أو تراكب عمليات نقاط متعددة في عملية نقاط واحدة، أو تحويل الفضاء الأساسي لعملية النقاط إلى فضاء آخر. تُستخدم عمليات تحويل النقاط وعمليات النقاط الناتجة عنها في نظرية عمليات النقاط والمجالات ذات الصلة، مثل الهندسة العشوائية والإحصاء المكاني . [ 1 ]

تُعدّ عملية بواسون النقطية إحدى العمليات التي تُعطي نتائج ملائمة للغاية في ظل عمليات العمليات النقطية العشوائية. [ 2 ] غالبًا ما تُظهر عملية بواسون النقطية نوعًا من الإغلاق الرياضي، بحيث عند تطبيق عملية نقطية على عملية بواسون نقطية أخرى، مع مراعاة بعض الشروط على تلك العملية، فإن العملية الناتجة ستكون غالبًا عملية بواسون نقطية أخرى، ولذلك تُستخدم غالبًا كنموذج رياضي. [ 2 ] [ 1 ]

تمت دراسة عمليات النقاط في الحد الرياضي عندما يقترب عدد عمليات النقاط العشوائية المطبقة من اللانهاية. وقد أدى ذلك إلى ظهور نظريات تقارب عمليات النقاط، والتي تعود أصولها إلى العمل الرائد لكوني بالم في أربعينيات القرن العشرين، ثم ألكسندر خينشين في خمسينيات وستينيات القرن نفسه، حيث درس كلاهما عمليات النقاط على خط الأعداد الحقيقية، في سياق دراسة وصول المكالمات الهاتفية ونظرية الطوابير بشكل عام. [ 3 ] بافتراض أن عملية النقاط الأصلية وعملية النقاط تستوفيان شروطًا رياضية معينة، فعند تطبيق عمليات النقاط على العملية، غالبًا ما تتصرف عملية النقاط الناتجة بشكل عشوائي أقرب إلى عملية نقاط بواسون إذا كان لها مقياس متوسط ​​غير عشوائي ، والذي يمثل متوسط ​​عدد نقاط عملية النقاط الموجودة في منطقة معينة. بمعنى آخر، عندما يقترب عدد العمليات المطبقة من اللانهاية، فإن عملية النقطة ستتقارب في التوزيع (أو بشكل ضعيف) إلى عملية نقطة بواسون، أو إذا كان قياسها قياسًا عشوائيًا، إلى عملية نقطة كوكس . [ 4 ] تُستخدم نتائج التقارب، مثل نظرية بالم-خينشين لعمليات التجديد، لتبرير استخدام عملية نقطة بواسون كنموذج رياضي لظواهر مختلفة.

تدوين عملية النقطة

عمليات النقاط هي كائنات رياضية يمكن استخدامها لتمثيل مجموعات من النقاط المتناثرة عشوائيًا على فضاء رياضي أساسي . ولها عدد من التفسيرات، وهو ما ينعكس في الأنواع المختلفة لترميز عمليات النقاط . [ 1 ] [ 5 ] على سبيل المثال، إذا كانت النقطةx{\displaystyle \textstyle x}ينتمي إلى عملية نقطية أو هو عضو فيها، ويرمز له بـشمال{\displaystyle \textstyle {N}}، عندئذٍ يمكن كتابة ذلك على النحو التالي: [ 1 ]

xشمال،{\displaystyle \textstyle x\in {N},}

ويمثل عملية النقاط كمجموعة عشوائية . أو بدلاً من ذلك، عدد نقاطشمال{\displaystyle \textstyle {N}}موجود في بعض مجموعات بوريلب{\displaystyle \textstyle B}غالباً ما تُكتب على النحو التالي: [ 1 ] [ 6 ] [ 7 ]

شمال(ب)،{\displaystyle \textstyle {N}(ب)،}

وهو ما يعكس تفسيرًا عشوائيًا لعمليات النقاط.

يجب تعريف عملية النقطة على فضاء رياضي أساسي. غالبًا ما يكون هذا الفضاء هو الفضاء الإقليدي ذو البعد والذي يُرمز إليه هنا بـRد{\displaystyle \textstyle {\textbf {R}}^{d}}على الرغم من أنه يمكن تعريف عمليات النقاط على فضاءات رياضية أكثر تجريدًا . [ 4 ]

أمثلة على العمليات

لتطوير نماذج مناسبة باستخدام عمليات النقاط في الهندسة العشوائية والإحصاء المكاني والمجالات ذات الصلة، توجد عدة تحويلات مفيدة يمكن إجراؤها على عمليات النقاط، بما في ذلك: التخفيف، والتراكب، والتحويل المكاني، والتجميع، والإزاحة العشوائية. [ 2 ] [ 1 ] [ 7 ] [ 8 ]

رقيق

تتضمن عملية التخفيف استخدام قاعدة محددة مسبقًا لإزالة النقاط من عملية النقاطشمال{\displaystyle \textstyle {N}}لتشكيل عملية نقطية جديدةشمالص{\displaystyle \textstyle {N}_{p}}قد تكون قواعد التخفيف هذه حتمية، أي ليست عشوائية، وهو الحال بالنسبة لإحدى أبسط القواعد المعروفة باسمص{\displaystyle \textstyle p}-الترقيق: [ 1 ] كل نقطة منشمال{\displaystyle \textstyle {N}}يتم إزالته (أو الاحتفاظ به) بشكل مستقل باحتمالية معينةص{\displaystyle \textstyle p}(أو1-ص{\displaystyle \textstyle 1-p}يمكن تعميم هذه القاعدة بإدخال دالة غير سالبة.ص(x)1{\displaystyle \textstyle p(x)\leq 1}من أجل تحديد التبعية الموقعيةص(x){\displaystyle \textstyle p(x)}- التخفيف حيث يكون احتمال إزالة نقطة ما هوص(x){\displaystyle \textstyle p(x)} ويعتمد ذلك على مكان نقطةشمال{\displaystyle \textstyle {N}}يقع في الفضاء الأساسي. ومن التعميمات الأخرى أن يكون احتمال التخفيفص{\displaystyle \textstyle p}عشوائية بحد ذاتها.

تُعدّ هذه العمليات الثلاث جميعها أنواعًا من التخفيف المستقل، ما يعني أن التفاعل بين النقاط لا يؤثر على مكان إزالة النقطة (أو الاحتفاظ بها). وهناك تعميم آخر يتمثل في التخفيف التابع، حيث تُزال نقاط عملية النقاط (أو تُحتفظ بها) بناءً على موقعها بالنسبة إلى نقاط أخرى في عملية النقاط. ويمكن استخدام التخفيف لإنشاء عمليات نقاط جديدة، مثل عمليات النواة الصلبة، حيث لا توجد نقاط (بسبب التخفيف) ضمن نصف قطر معين حول كل نقطة في عملية النقاط المُخفّفة. [ 1 ]

تراكب

تُستخدم عملية التراكب لدمج عمليتين نقطيتين أو أكثر معًا في فضاء رياضي أساسي واحد أو فضاء حالة واحد. إذا كانت هناك مجموعة قابلة للعد أو مجموعة من العمليات النقطيةشمال1،شمال2...{\displaystyle \textstyle {N} _ {1}، {N} _ {2} \dots }مع مقاييس متوسطةΛ1،Λ2،...{\displaystyle \textstyle \Lambda _{1},\Lambda _{2},\dots }ثم تراكبهما

شمال=أنا=1شمالأنا،{\displaystyle {N}=\bigcup _{i=1}^{\infty }{N}_{i},}

يشكل أيضًا عملية نقطية. في هذا التعبير، يُرمز لعملية التراكب باتحاد مجموعة ، مما يعني تفسير العمليات النقطية على أنها مجموعة عشوائية؛ انظر تدوين العمليات النقطية لمزيد من المعلومات.

حالة عملية بواسون النقطية

في حالة كلشمالأنا{\displaystyle \textstyle {N}_{i}}إذا كانت عملية بواسون النقطية، فإن العملية الناتجةشمال{\displaystyle \textstyle {N}}وهي أيضًا عملية بواسون النقطية ذات الكثافة المتوسطة

Λ=أنا=1Λأنا.{\displaystyle \Lambda =\sum \limits _{i=1}^{\infty }\Lambda _{i}.}

التجميع

تتضمن عملية النقاط المعروفة باسم التجميع استبدال كل نقطةx{\displaystyle \textstyle x}في عملية نقطية معينةشمال{\displaystyle \textstyle {N}}مع مجموعة من النقاطشمالx{\displaystyle \textstyle N^{x}}كل مجموعة هي أيضًا عملية نقطية، ولكن بعدد محدود من النقاط. يشكل اتحاد جميع المجموعات عملية نقطية عنقودية.

شمالج=xشمالشمالx.{\displaystyle {N}_{c}=\bigcup _{x\in {N}}N^{x}.}

غالباً ما يُفترض أن التجمعاتشمالx{\displaystyle \textstyle N^{x}} جميعها مجموعات من النقاط المحدودة، كل مجموعة مستقلة وموزعة توزيعًا متطابقًا . علاوة على ذلك، إذا كانت عملية النقطة الأصليةشمال{\displaystyle \textstyle {N}}له شدة ثابتةλ{\displaystyle \textstyle \lambda }ثم شدة عملية نقطة التكتلشمالج{\displaystyle \textstyle {N}_{c}}سيكون

λج=جλ،{\displaystyle \lambda _{c}=c\lambda ,}

حيث الثابتج{\displaystyle \textstyle c}هو متوسط ​​عدد النقاط في كلشمالx{\displaystyle \textstyle N^{x}}.

الإزاحة والانتقال العشوائيان

قد يتطلب النموذج الرياضي تحريك نقاط عملية نقطية عشوائيًا من مواقع معينة إلى مواقع أخرى في الفضاء الرياضي الأساسي . [ 2 ] تُعرف عملية العملية النقطية هذه بالإزاحة العشوائية [ 2 ] أو الانتقال . [ 4 ] إذا تم إزاحة أو انتقال كل نقطة في العملية بشكل مستقل إلى جميع النقاط الأخرى في العملية، فإن العملية تُشكل إزاحة أو انتقالًا مستقلًا . [ 4 ] يُفترض عادةً أن جميع الانتقالات العشوائية لها توزيع احتمالي مشترك ؛ وبالتالي، تُشكل الإزاحات مجموعة من المتجهات العشوائية المستقلة والمتطابقة التوزيع في الفضاء الرياضي الأساسي.

يمكن استخدام تطبيق الإزاحات أو الانتقالات العشوائية على العمليات النقطية كنماذج رياضية لحركة الأجسام في مجالات مثل علم البيئة [ 2 ] أو الشبكات اللاسلكية. [ 5 ]

نظرية الإزاحة

النتيجة المعروفة باسم نظرية الإزاحة [ 2 ] تقول بشكل فعال أن الإزاحة العشوائية المستقلة لنقاط عملية بواسون النقطية (على نفس الفضاء الأساسي) تشكل عملية بواسون نقطية أخرى.

تحويل الفضاء

ومن الخصائص الأخرى المفيدة القدرة على تحويل عملية نقطية من فضاء أساسي إلى آخر. على سبيل المثال، يمكن تحويل عملية نقطية معرفة على المستوى من الإحداثيات الديكارتية إلى الإحداثيات القطبية . [ 2 ]

نظرية التحويل

بشرط أن يلتزم التعيين (أو التحويل) ببعض الشروط، فإن النتيجة المعروفة أحيانًا باسم نظرية التعيين [ 2 ] تقول أنه إذا كانت العملية الأصلية هي عملية نقاط بواسون مع مقياس كثافة معين، فإن مجموعة النقاط المعينة (أو المحولة) الناتجة تشكل أيضًا عملية نقاط بواسون مع مقياس كثافة آخر.

تقارب عمليات المعالجة النقطية

يمكن، بشكل عام، تكرار عملية نقطية تُجرى مرة واحدة على عملية نقطية ما مرارًا وتكرارًا. في نظرية العمليات النقطية، تم التوصل إلى نتائج لدراسة سلوك العملية النقطية الناتجة، من خلال نتائج التقارب ، عندما يقترب عدد العمليات المُنفذة من اللانهاية. [ 4 ] على سبيل المثال، إذا تم إزاحة كل نقطة في عملية نقطية عامة بشكل متكرر بطريقة عشوائية ومستقلة، فإن العملية النقطية الجديدة، بشكل غير رسمي، ستُصبح أقرب فأقرب إلى عملية بواسون النقطية. وقد تم تطوير نتائج تقارب مماثلة لعمليتي التخفيف والتراكب (مع إعادة تحجيم مناسبة للفضاء الأساسي). [ 4 ]

مراجع

  1. 1 2 3 4 5 6 7 8 د. ستويان، و. س. كيندال، ج. ميكي، و ل. روشندورف. الهندسة العشوائية وتطبيقاتها ، المجلد 2. وايلي تشيتشستر، 1995.
  2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ج. ف. س. كينغمان. عمليات بواسون ، المجلد 3. مطبعة جامعة أكسفورد، 1992.
  3. أو. كالينبيرغ. القياسات العشوائية . الصفحات 173-175، دار النشر الأكاديمية، 1983.
  4. 1 2 3 4 5 6 د. ج. دالي ود. فير-جونز. مقدمة في نظرية العمليات النقطية. المجلد الثاني . الاحتمالات وتطبيقاتها (نيويورك). سبرينغر، نيويورك، الطبعة الثانية، 2008.
  5. 1 2 ف. باتشيلي وب. بلاشتشيزين. الهندسة العشوائية والشبكات اللاسلكية، المجلد الثاني - التطبيقات ، المجلد 4، العدد 1-2 من أسس واتجاهات الشبكات . دار نشر ناو، 2009.
  6. مولر، ج.؛ بلينج واجيبترسن، ر. (2003). الاستدلال الإحصائي والمحاكاة لعمليات النقاط المكانية . سلسلة دراسات C&H/CRC في الإحصاء والاحتمالات التطبيقية. المجلد  100. CiteSeerX 10.1.1.124.1275 . doi : 10.1201/9780203496930 . ISBN  978-1-58488-265-7.
  7. 1 2 ف. باتشيلي وب. بلاشتشيزين. الهندسة العشوائية والشبكات اللاسلكية، المجلد الأول - النظرية ، المجلد 3، العدد 3-4 من أسس واتجاهات الشبكات . دار نشر ناو، 2009.
  8. أ. بادلي، إ. باراني، و ر. شنايدر. عمليات النقاط المكانية وتطبيقاتها. الهندسة العشوائية: محاضرات ألقيت في المدرسة الصيفية لمركز CIME التي عقدت في مارتينا فرانكا، إيطاليا، 13-18 سبتمبر 2004 ، الصفحات 1-75، 2007.