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Title Author(s) Citation Issue Date URL 連続スペクトル発生源の情報エントロピーと構造の測度 : 小宇宙系、物質系、生体系(研究会「複雑系」,研究会報 告) 谷塚, 昇 物性研究 (1992), 59(3): 310-316 1992-12-20 http://hdl.handle.net/2433/95010 Right Type Textversion Departmental Bulletin Paper publisher Kyoto University 研究会報告 連 続 ス ペ ク トル発 生 源 の 情 報 エ ン トロ ピー と構 造 の 測 度 - 小 宇 宙 系 、物 質 系 、生 休 系 一 大 阪府 立 大学 総 合 科 学 部 谷塚 昇 (〒5 93 堺 市 学 園 町 1- 1) 1. は じめ に 複雑 な シス テ ム を理 解 す る ため に は、 そ め シス テ ムか ら発 生 す る情 報 に着 目 し、 そ の情 報 か ら定量 化 す る事 の出来 る、 "測度 " を探 し求 め な けれ ばな らな い。 その測 度 に よ って、 システ ム の性 質 を知 る 。例 えば 、 シス テ ムが英 文 ア ル フ ァベ ッ ト文 字 空 間 Rに あ る場 合 、 そ の シ ス テ ム は記号 の 二次 元 列 び で あ るが 、平 均 情 報 量 H (エ ン トロ ピー ) とい う制 度 で 定量 化 す る こ とが 出来 る。空 間 Rが無 法 則 な らば H=- ∑ plogp( p-1 /27)-4. 75 bi t、 03bi t、単 純 マ ル コフ確 率 に従 うな らば H =3. 32 無 記憶 記 号 出現 確 率 に従 うな らば H =4. bi tとい うふ うに変 化 し/1 /、エ ン トロ ピー の 減 少 と ともに 、 シス テ ム は英 文 様 構 造 に近 ず く。 この場 合L 注 意 しな けれ ば な らな い こ とは 」人 間 が "構 造 ' 'を認 め得 る ため に は 、す で に人 間 の悩 に空 間 Rに 関 す る知識 ・法 則 が川PUTされ て いな けれ ば な らな い。 さて シス テ ムが物 理 空 間 N に あ る場 合 、 そ の複 雑 な シス テ ムが発 生 す る情 報 とは 、物 理 量 の ゆ らぎ とか単純 でな い変動 で あ る。変 化 の大 きさ (数 値 )は空 間 Rの記号 に相 当す る。 そ の時 系 列 (サ ンプ リング値 ) を X :x l.x 2,X 。,・ ・ ・,X m と し、時 系 列 X のエ ン トロ ピー H を考 え る。 列 び Ⅹお よび X の 同時 確 率 分 布 p (X)は 、空 間 N にあ る シス テ ムの 法 則 ・現 象 に支 配 され る。 X のエ ン トロ ピー は、 Hニ ー ) ; p (Ⅹ)logp (Ⅹ)d v ( 1) で与 え られ る。複雑 な シス テ ムの時 系列 の 変 化 は予 測 し難 く、 そ の ま まで は扱 い難 い 。 時 系列 をパ ワー スペ ク トル密 度 関数 P (f)、又 は そ の対 数 N (f)-10logP (f)に変 換 す れ ば 、扱 い易 い。 fは周 波 数 で あ る。 P(f)は ウイ ナー ・キ ンチ ンの定 理 に よ り、 自己相 関 関数 C rで)と等価 で あ りタイ ム ラグ Tとい った記 憶 減 衰 に関 す る情 報 を含 む 。 f は雑 音 発生 源 にお け るエ ネル ギー の大 きさ と関係 し、 Tは衝 突 時 間 に関係 す る。 この報 告 書 で は P (f)の一 般 化 関数 を求 め た後 、エ ン トロ ピー H との 関係 を導 く。 P (f) と して 、小 宇 宙 (ク ェー サ ー )、抵 抗 体 、半導 体 、神 経 系 の連 続 スペ ク トル を扱 い 、測度 を計 算 し、発 生 源 の構 造 との 関係 につ い て 、考 察 す る。 2・連 続 ス ペ ク トル密 度 の一 般 化 関数 とエ ン トロ ピー密 度 関数 連 続 ス ペ ク トル の周 波数 領 域 fn- 1 < f≦ f n での スペ ク トル指 数 a n を定 義 し Pn c <fIAh とす る。次 に単 位 関数 un ( f)= 1( 上 記 領 域 内),=0( 領 域 外 )を定 義 す る と、 す べ て の連 2 / 続 スペ ク トル は 、 (2)式 の 関数 で表 示 す る こ とが で きる 。/ -3 1 0- 「 複雑系」 図1 ス ペ ク トル形 とエ ン トロ ピー密 度 k P(f)- ∩ p n=0 n n( f) u n(f) ( 2) =0, kはそ れ ぞれ 、スペ ク トル の始 ま りの最 小 周 波 数 、終 りの 最 大 周 波 数 に対 応 す る。時 系 列 X の 同時確 率 分 布 p (Ⅹ)を正 規 分 布 とす る と、 エ ン トロ ピー密 度 h す な わ ち h =1im H/ m m→ ∞ が計算 で き、収 束 し (3)式 の よ うに 、時 系 列 のパ ワー ス ペ ク トル か ら求 め られ る 。/3 / h= 4fk 二 gP( f )d f・i f : lo log 2 f (3) k (3)式 に (2)式 を代 入 して計 算 す る と、 す っ き りと した関数 hを得 る 。/2 / 一 室, E !。 (a n・1- αn)・( l ogfn h-0・ 5{l ogPo(fo ,+n +l og2fkI , た だ し α。 =0 (4) (4 )式 か ら部 分 エ ン トロ ピー ( 一 部 の周 波 数 帯 域 の値 , f k- ∞ ) △h- ∑ (α。+1- α 。) l o gfn n (5) に着 目す る。 (5)式 は、特 定 周 波数 帯 域 に お け る時 系列 の エ ン トロ ピー密 度 を与 え 、 ス ペ ク トル指数 が変 化 す る点 の周 波 数 値 の対 数 と、 これ を は さむ ス ペ ク トル の指 数 差 との 積 か ら計 算 で きる。 1H z以 上 の変 動 の系 を考 え る と、 (5)式 は 、上 に 凸 の ス ペ ク トル 形 を持 つ 情 報 源 は に対 して △ h> 0を与 え 、下 に凸 の スペ ク トル 形 を持 つ もの に対 して △ h < 0を与 える (図 1) 。 これ は、 シス テ ム に お ける特 定 周 波 数 領 域 の変 動 が 、情 報 (ま た は構造 ) を捨 て て い る 、 あ る い は生成 して い るの に対 応 す る と考 え る 。 実 際 の観 潮 デ ー タを対 象 に して考 察 す る。 - 3 11- 研究会報告 3.宇 宙 電 波 とエ ン トロ ピー 特 定 周 波数 領 域 0.01< f < 100GH z にお け る ク ェー サ ー (Q S 0) か らの連 続 スペ ク トル雑 音 電 波 (宇 宙 雑 音 ) を我 々は持 って い る (図 2)。/4 / Q S Oは 、宇 宙 の最 外 郭 に あ る (数 十 億 光 年 以 遠 )銀 河様 天 体 で 、強 い電 波 を放 出 して い る もの が あ る。 プ ラズ マ ジ ェ ッ トと磁 場 との相 互 作 用 に よる シ ンク ロ トロ ン放 射 と考 え られ て い るが 、電 波 源 は構 造 を持 つ こ とが VLBIの観 測 で知 られ始 め て きて い る。 この電 波 は数 十 億 年 前 の宇 宙 の 情 報 を持 つ の で興 味 深 い。式 (5) に赤 方 偏 移 Z に よる補 正 f= F (1+Z) [F :餐 信 値 周 波 数 】を必 要 とす る。 QSO電 波 の フ ラ ックス密 度 (J y ) 、 周 波 数 (0.01くFく100G Hz)は、 国立 天文 台 ・野 辺 山で 多数 の文 献 か ら収 集 ・編 集 され たデ ー タベ ー ス を使 い 、赤 方 偏移 は文 献 5を参 考 に した。表 1に 8個 の QSO とそ の赤 方 偏 移 、図 2の よ うな ス ペ ク トル か ら計 算 で きる △ h、 QSOの特 徴 を掲 げ る。 図 3 に QSOの赤 方 偏 移 Z と情 報 の測 度 △ h の 関係 をプ ロ ッ トした。 Ah=-12.7bit a=.63 I \ ト loo 0 F コ I 1 ug:I -.i 1; 5 「、 7 ・ \L 〓 S H )0 ト \ ㌢o 珊 X 1 コ ) Ah:-I.1 9bit 3C48 △h=H lbit 3 C 2 7 3 △h三一8・7bit α…O \l l \ 〇 rArJL I . . I : 」. _ . . , . 、 αコ.41 ' 一 、 、 1 0 上.. . . . -1 \ ・ \ ' ' 9 、' I I J T . . ・ 一卜 叫 。_ _.5 c r;.78 〓 \. S NUO a=-.16 qP : 三・ c E=0 \I. Xr I13 、, 巨、 Ol O1 図2 1 . 1, F A 【 O U E N C T t G H Z J F・ 一・ 0.I 0 1 000 1 〇・l●. t ・ l ・ FReOUENCTt CMZ) F- t O ・ l O¢ , 01 0・l 1 0. l . FAEOU帥 CTt GHZ) F- ク ェー サ ー の電 波 フラ ックス密 度 ( Jy)と戟 潮 周 波 数 ( 0.01くFく100GHz) - 31 2- 1 00 「 複雑系」 表I Q S Oの電 波 源 に関 す る情 報 の 測 度 と発生 渡 の構 造 aS03C446 特徴 l 3C454.3 3C380 3C216 3C345 3C279 3C48 3C273 1.40 0.86 0.692 0.595 0.54 0.37 0.16 -13 -6.5 0 0.67 -7.5 -7.7 -1.2 +11 -8.7 * 1 *2 *3 *4 *5 *6 1等 級 / 1日) *1 激 変 光 天 体 ( 。 *4 構 造 が観 測 され て い な い。 *2 変 動 の大 きい天 体 。 *3 無 視 出 来 る程 度 の変 動 。 *5 安 定 。 *6 7 .ラス● マシーェヴトが 片方 だ け しか観 測 さ れ 6 /(普 通 の Q SO で は、対 の ジ ェ ッ トを観 測)。 な い/ 図 3で は、表 Ⅰの Q S O以外 に電 波 銀 河 ( 3C84: セイブアート,Z=0.017,△h--20bit,3C274: M87, Z=0.0043,△h-0)の計 算 結果 も示 した。 この うちセ イ フ アー ト銀 河 は 、活 動 の激 しい極 め て特 異 な 天体 で あ る (△h=-20と低 い値 で あ る こ とに注 意 )。 図 3 で 、 Q S Oの 内 、 ジ ェ ッ トが 片方 しか な い3C273以 外 は 、右 下 が りの傾 向 を持 って い る 。 す な わ ち 、 Z が増 す と △ hが減 じる。 これ は、古 い宇宙 は ど活動 が激 しく構造生 成 が激 しい こと を意 味 す る、 と考 え られ る。 図 の傾 斜 (右 点 線 ) か ら、測 度 と赤 方 偏 移 の 関係 式 △ h=-7.0-32logl。Z (6) が得 られ る。参 考 まで に電 波 銀 河 の傾 斜 (左 点 線 ) は 、式 (6) の -32と同 じで あ る が 、 左 の群 の性 質 を知 る た め に は 、 も う少 しデー タが必 要 で あ る 。 ヽ● \3C48 \ \- 図3 \ \ 3 C 2 7 lIl l , O ーl -t 4 皿 \ 6 』 l 0 8 D l 1. 0 I 2 血. d 6 D 8' . 1 Z- ∴ Q S Oの構 造 の測 度 △ h と 赤方 偏 移 Z (電波 銀 河 2例 含 む ) 8 . _, C3 : 2 . 1 3 C ? , i : 1 . 8 1 (△ h と Z に相 関 が あれ ば 、小 宇 宙く Q SO等 の銀 河 様 天 休 〉の 年 齢 と構 造 に相 関 関係 が あ る と推 定 \\ \ \ ふ \ . 1 3 C \ …. 3 i 3 C HS \ 3… 5 1 C 之l ふ \ \ \ . \ も C 8 4 - 31 3 - で きる事 にな る ) 研究会報告 ス ペ ク トル 図 2で 、周 波 数 が高 い程 、電 波 源 の電子 エ ネ ル ギ ー が高 い 。図 の 凹 凸 は 、異 な る電 波 源 の電 波 の重 ね合 わせ で あ り、 Q S O か ら数 珠 つ な ぎの よ うに して 、連 続 して 出 て い る と考 え られ る 。エ ネル ギー は 、 Q S O の 重 力エ ネ ル ギー か ら供 給 され る と考 え られ て お り. 、図 の右 に位 置 す る電 波程 Q S O の深 い と ころか らエ ネ ル ギー を得 て い る と考 え ら れ る。 以 上 の事 か ら∴ △ h の値 が 負側 に深 くな る ほ ど、構 造 の は っ き りした活 動 の激 しい 電波源 ジ ェ ッ トか らの宇宙雑音 で ある との措 像 が得 られ、既 に知 られて いる Q S O 描像 と、 定性 的 に合 う。 4.物 質 系 ・生 体 系 の ゆ らぎ とエ ン トロ ピー密 度 物 理 量 の 変 動 のパ ワー ス ペ ク トル が f αの形 を した ス ペ ク トル を出 す ゆ ら ぎ は、物 質 系 や生 体 系 に存 在 す る。表 ⅠⅠに 、抵 抗 体 の低 周 波 数側 の 雑 音 / 7 /、MOSFETの テ レグ ラ フ雑 8 /、 Q プ ラズ マ装 置 の ラ ング ミ ュア短 針 にお け る電 位 ゆ ら ぎ/ 9 /、有 髄神 経 軸 索 の膜 電 音/ 位 の静 電 位 ゆ ち ぎ/ 1 0 /、 巨大 神 経 細 胞 の 自励 発 振 電位 パ ル ス列 の ゆ ち ぎ/ l l / につ い て 、 周 波 数 領 域 ・α ・スペ ク トル形状 ・△ h を示 す 。 表 ⅠⅠ 物 質 系 ・生 休 系 の ゆ らぎの スペ ク トル MOSFET Q7'ラス ●マ 神経 軸 索 神経 細胞 fく1000 周 波 数 領 域 暮 1Hz 1く 10-3くfく10+5 10kくfく100 k 16くfく3. 2X O.0005くfく0.5 特 徴 周 波 数 暮2 Hz 200 0. 3 20k 1. 3k 無し 凸 0,2 -2. 0 凸 0,4. 8 +37 凹 1,d -5.3 線分 l 系 #uF'r3 a+4 A h bi t+5 抵抗体 凹 1,0 -3. 8 0 *2 スペ ク トル線 が折 れ 曲 が る点 の周 波 数 。 *3 凹 は下 に 凸の こ と。 *4 例 え ば抵 抗 体 の α-1,0は 、周波 数 200Hzでフリッカノイス ■か ら 白色 雑 音 に変 化 す る事 を表 す 。 *5MOSFETの形 状 が 凸 で △ hく0とな るの は特 徴 周 波 数 が 1Hz以 下 で あ る ため 。 神 経 細 胞 の △ h=0は 、観 測 周 波 数 領 域 内 で α=1 以外 の ゆ らぎ *1 測 定 ま た は観 測 周 波 数 領 域 。 が現 れ な い ため であ る。 表 ⅠⅠに列 挙 した もの は 、種 類 の異 な った物 質 ・生 体 の系 で あ る。観 測 周 波数 帯 域 もそ れ ぞ れ異 な り、 △ hの値 の 直接 的 な比 較 は意 味 が な い。 同- の種 類 の系 、周 波数 帯 域 で の △ h に は物 理 的 な意 味 (現 象 を支 配 す る物 理 的 な構 造 )が含 まれ て くる。表 は 白色 雑 音 か ら α が1,2等 の ゆ ち ぎに変 化 す る例 が示 さ れて い る。 αの連 いは 、現象 の物 理 的性 質 の違 いで 、 (5)式 右 辺 の差 の項 はゆ らぎ発 生 源 の物 理 的構 造 を数 量 化 した もの と考 え られ る。 αの 変化 す る点 の周 波数 値 は、例 えば衝 突 が ドミナ ン トに き いて くる現 象 (衝 突 周 波 数 )へ の - 31 4 - 「 複雑系」 入 口で あれ ば、密度 や温度 、エ ネ ルギー とい う大 きさを示 し、 そ の対 数 値 は系 の活 性 (発 ) 度 の数 量 化 で あ る。従 って 、 (5)式 △hは 、系 の物 理 的構 造 、活 性 を表 す測 度 と考 え る こ とが 出来 る 。MOSFETと Q プ ラズ マ の指 数 差 (αの差 ) を見 る と、 一 方 は+2、他 方 は+4.8 と異 な り、現 象 の物 理 的構 造 の違 いが数 値 に現 れ て い る 。抵 抗 体 と神 経 軸 索 とは 、指 数 差 が いず れ も-1と等 し く、更 に 同様 な周 波数 帯 域 で のエ ン トロ ピー △ h は 、 そ れ ぞ れ -3. 8、 -5. 8と近 い値 で 、 同周 波 数 帯 域帯 域 に お け る現 象 の物 理 構 造 が似 て い る こ とが示 唆 さ れ て い る。神 経細 胞 の △ h は0で、3桁 にわ た る低周 波 数 の広 帯 域 で ゆ ら ぎ の 構 造 が無 い こ とが 示 され て い る。 これ は神 経 系情 報 処 理 の場 に お いて 、数 秒 か ら数 10分 に か けて ゆ ちぎ に構 造 が あ れ ば不 利 で 奉 る こ とが示 され て い る。 凸 (△h〉0) と凹 (△hく0)の意 味 につ いて 、輝 線 ・吸 収 線 ス ペ ク トル の意 味 す る と ころ か ら考 え る。輝 線 ス ペ ク トル は a D一 一∞ かつ 吸収線 ス ペ ク トル は a n- +∞ かつ a n.1 - +∞ α D.1- -∞ に相 に相 当 し 、凸 形 の極 限 で あ る . 当 し、 凹形 の極 限 で あ る。 前 者 は原 子 ま たは分 子 のエ ネル ギ ー場 (不 連 続 ) の電 子 に関 して励 起 状 態 か らエ ネ ル ギー の低 い レベ ル に遷 移 す る時 に生 じる (系 か らエ ネ ル ギー を放 出 、系 のエ ネル ギ ー の 減 衰 ) 。輝 線 ス ペ ク トル のエ ン トロ ピー は △h- ( +∞ -く-∞ 〉 )l o gん/ 27 こ(九:スペ ク トル波 長 )で あ るo これ は 、2エ ネ ル ギー レベ ル を もつ構 造 (レベ ル 間 に壁 が あ る。 これ が構 造 の存 在 の証 拠 。係 数 の∞ は不 連 続 構 造 に対 応 す る。 ) の存在 を示 し、エ ネ ル ギ ー放 出 の系 で あ る。 吸収 線 ス ペ ク トル の場 合 △hニ ト∞-く+∞ 〉 )l o gん/ 27 tで 、逆 符 号 、上 記 と同 じ く構 造 存 在 (係 数 に ∞ が入 る ため不 連続 構 造 ) を示 す が 、エ ネル ギ ー 吸収 の 系 で あ る 。 △ h の係 数 に∞ が 入 ら な い一般 の場 合 、構 造 は存在 す るが隔 ての壁 が連 続 的 に変化 す る よ うな系 で あ る と考 え る. 符 号 の 区別 は 、エ ネ ル ギ ー放 出系 、吸 収 系 に対 応 す る と考 え る。放 出 、 吸 収 に よ って 系 に 構 造 変 化 が生 じる と、 スペ ク トル形 状 や △ h の値 に変化 が生 じる 。 以 上 の 見 方 を す る と、 表 ⅠⅠの抵 抗 体 、神 経 軸 索 は壁 が連 続 的 に変化 す る構 造 を も っ たエ ネ ル ギ ー 吸収 系 、 そ して MOSFET、 Q プ ラズ マ は壁 が連 続 的 に変 化 す る構 造 を もったエ ネ ル ギ ー放 出 系 と見 る こ とが 出来 る 。 Q プ ラズ マ の場 合 の △ hの係 数 は他 よ り高 いが 、変 化 の割 合 が高 い と思 わ れ 、壁 はプ ラズ マ ・シー ス に相 当す る 。/ 1 2 / 5.結 論 は じめ に文 字 空 間 に お ける記 号 系 列 (時 系 列 を意 識 して呼 ぶ ) に 対 して 、 そ の構 造 を測 る測 度 、情 報 エ ン トロ ピー H が存 在 す る こ と を示 した。 H は文 字 空 間 (記 号 系 列 が 発 生 す る空 間 ) を作 った法 則 (統 計 的 、無 記 憶 、記 憶 等 ) に支 配 さ れ 、法 則 が 精 密 な ほ ど H の 値 は減少 し、構 造 が現 れ て くる。 これ でエ ン トロ ピー H が 、文 字 空 間 の構 造 の測 度 で あ る と 理 解 した。つ ぎ に物 理 空 間 にお け る時 系 列 は 、 そ れ を発 生 す る シス テ ム の現 象 の物 理 法 則 に支配 さ れ て いな けれ ば な らず 、時 系 列 のパ ワー スペ ク トル密 度 関 数 か らエ ン トロ ピー 密 度 hを導 き、 そ の部 分 関数 △ hが シス テ ムの 物 理 構 造 の測 度 で あ る こ とを 、小 宇 宙 系 、物 質 系 、生 体 系 よ り観 測 さ れ る連 続 スペ ク トル の デ ー タを取 り上 げ 、 例 証 した。 ク ェー サー の電 波 の デ ー タ と貴 重 な コメ ン トを頂 い た 、川 口別 事 氏 、井 上 允氏 、 森 本 雅 樹教 授 (国立 天文 台 ・野 辺 山 )、亀 野 誠 二 氏 (東 大 ・理 )、加 藤 龍 二 氏 、 田原 博 人 教 授 - 3 15 - 研 究会報告 (宇 都 宮 大 ・教 育 ) 、 ま たMOSFETの テ レグ ラ フ ・ノ イ ズ に 関 して 教 示 頂 い たM.Schulz教 授 ( univ. Erlangen) に感 謝 します 。 文 献 /1/ N.Abramson著 ,宮 川 洋 訳 :情 報 理 論 入 門 ( InformationTheory and Co°ing),1986, 好学社. p39. /2/ N.Ta ・ nizuka: Proc.I nt. Cons. OnNoise in Physical Systemsand i /iFluctuations. 1991,Ohmsha Ltd‥p401. /3/ 日野 幹 雄 :ス ペ ク トル 解 析 ,1986,朝 倉 書 店 ,p83. /4/ 谷 塚 昇 ,川 口別 事 .御 子 柴 鹿 ,井 上 允 :VLBI国内わ ト ワークシンポ シ ナウム収 録 , 1 992. 国 立 天 文台 ・ 野辺 山. p136. /5/ R.A. Preston,etal.: Astronm. J..1985. vol. 90, nun.9, p1599. /6/ R.J. Davis,etal.: Nature,1991. vol.354.p374. /7/ 武 者 利 光 :応 用 物 理 ,1977,第 46巻 .pl144. /8/ M.Schulzand A. Papas: Proc.tnt. Conf. On Noise in PhysicalSystems and 1/f Fluctuations,1991,Ohmsha Ltd‥p265. /9/ N.D'Angelo andL. Enriques: Phys.Flui ds.1966. vo1.9. p2290. /10/H. E. Derksenand A. A. Verveen: Science.1966. vol.151, p1388. p429. /ll/武 者 利 光 :応 用 物 理 .1985.第 54巻 , /12/N. Tanizuka: Jpn. J. Appl. Phys‥1991. vol.30.p.171. -3 16 -