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Máster y doctorado

Ergodicidad y mezcla

Repetiremos un mapa y observaremos sus estadísticas. Conservar una distribución, no dividirla en dos partes invariantes y perder correlaciones son tres propiedades distintas. Un intervalo que se duplica y un círculo que gira permitirán ver la diferencia.

1. Conservar una medida no significa dejar quietos sus puntos

Una transformación medible T conserva una probabilidad μ cuando μ(T⁻¹A)=μ(A) para todo conjunto medible A. T⁻¹A reúne los puntos que terminarán en A después de un paso. Se usan preimágenes, que están definidas aunque T no sea invertible.

Dos ramas de preimagen conservan la medida aunque el mapa no sea invertible
D(x)=2x mod 1A=[1/4,1/2)1/41/21/81/45/83/4Preimagen: dos intervalos de 1/81/8+1/8=1/4μ(D⁻¹A)=μ(A)
La franja azul superior es el intervalo de un cuarto a un medio. Bajo duplicación módulo uno, sus preimágenes son de un octavo a un cuarto y de cinco octavos a tres cuartos, ambas de longitud un octavo. Las dos rectas usan la misma escala de cero a uno. Se ilustran intervalos semiabiertos; sus extremos no cambian la medida. La suma de longitudes muestra invariancia de Lebesgue en este ejemplo, no por sí sola la prueba de mezcla para todos los conjuntos.

Si escogemos un punto al azar con distribución μ y aplicamos T, su nueva distribución sigue siendo μ. Los puntos sí pueden moverse y los conjuntos no tienen por qué quedar fijos. Para D(x)=2x mod1, dos ramas de preimagen compensan su menor longitud; esto preserva Lebesgue en [0,1).

Calcular una preimagen con dos ramas

A=[1/4,1/2), D(x)=2x mod1.

  1. Primera rama

    Si 0≤x<1/2, pedimos 1/4≤2x<1/2: x∈[1/8,1/4).
  2. Segunda rama

    Si 1/2≤x<1, pedimos 1/4≤2x−1<1/2: x∈[5/8,3/4).
  3. Medir

    Cada intervalo mide 1/8; juntos miden 1/4, igual que A.

Resultado

Duplicación no es invertible, pero puede conservar la medida.

Lo comprobamos

La misma cuenta para intervalos y la extensión a conjuntos medibles prueba la invariancia completa.

El mismo mapa puede conservar otra medida

D(0)=0 y μ=δ₀, toda la probabilidad en cero.

  1. Distribución

    El punto escogido siempre es cero.

  2. Aplicar

    D lo deja en cero.

  3. Conservar

    La distribución sigue siendo δ₀; es distinta de Lebesgue.

Resultado

Las propiedades estadísticas se formulan respecto de una medida concreta.

Lo comprobamos

No se cambia de medida silenciosamente al hablar de una órbita típica.

2. Ergodicidad excluye una división invariante de probabilidad intermedia

T es ergódica respecto de μ si todo A con T⁻¹A=A, salvo conjuntos nulos, tiene μ(A)=0 o uno. No exige que los únicos conjuntos invariantes sean el vacío y el espacio: permite otros de medida cero o total. La propiedad ignora cambios en partes nulas.

Una parte invariante con probabilidad entre cero y uno guarda para siempre la información de haber empezado allí. Equivalentemente, toda función invariante g∘T=g en L² debe ser constante casi en todas partes. Las indicadoras y los conjuntos de nivel conectan ambas formulaciones.

La identidad deja una división permanente

T(x)=x en [0,1] con Lebesgue.

  1. Conjunto

    Tomamos A=[0,1/2].
  2. Invariancia

    T⁻¹A=A exactamente.
  3. Medida

    μ(A)=1/2: no es cero ni uno.
Resultado

La identidad no es ergódica para Lebesgue.

Lo comprobamos

Conservar una medida no implica ser ergódico.

Un ciclo finito sí puede ser ergódico

T intercambia dos puntos a y b con probabilidades iguales.

  1. Conjuntos

    Ni {a} ni {b} es invariante: su preimagen es el otro singleton.

  2. Invariantes

    Solo el vacío y el conjunto {a,b} son invariantes.

  3. Medidas

    Sus probabilidades son cero y uno.

Resultado

El ciclo es ergódico para esa medida uniforme.

Lo comprobamos

T² es la identidad; eso no contradice la ergodicidad de T en este espacio finito.

3. Birkhoff relaciona una media temporal con una media espacial

Para g∈L¹(μ), los promedios Aₙg(x)=n⁻¹Σⱼ₌₀ⁿ⁻¹g(Tʲx) convergen para casi todo x a una función invariante. En general es la esperanza condicional E(g|I), que puede depender de la componente invariante. Si T es ergódica, el límite es ∫g dμ.

Para g=1A, el promedio cuenta la fracción de tiempos en A.

Ergodicidad identifica esa frecuencia con μ(A) para casi todo punto, no cada órbita. El conjunto excepcional puede depender de g; para una familia numerable de observables se pueden intersectar los conjuntos de medida total.

Promediar en el ciclo de dos puntos

T intercambia a y b, g(a)=0 y g(b)=2.

  1. Órbita

    Los valores observados son 0,2,0,2,… o empiezan al revés.

  2. Promedio

    En 2m pasos, la suma es 2m y el promedio uno.

  3. Espacio

    La integral con probabilidades iguales es (0+2)/2=1.
Resultado

La media temporal coincide con la espacial en ambos puntos de este sistema.

Lo comprobamos

Una cantidad impar de pasos produce un pequeño error que tiende a cero.

Sin ergodicidad la media depende de dónde empezamos

Identidad en [0,1], g(x)=x.

  1. Órbita

    Todos los valores observados son x.

  2. Promedio

    Aₙg(x)=x para cualquier n.
  3. Comparar

    La media espacial es 1/2, pero el límite temporal no es esa constante en casi todo punto.

Resultado

Birkhoff no afirma una media constante sin ergodicidad.

Lo comprobamos

El límite x es una función invariante, como exige el teorema general.

4. Mezcla significa independencia en el límite de tiempos lejanos

Mezcla exige \mu(T^{-n}A\cap B)\longrightarrow\mu(A)\mu(B) para todos A y B medibles. La intersección describe comenzar en B y llegar a A después de n pasos. El producto es el valor que tendrían esos dos sucesos si fuesen independientes.

Equivalentemente, para g,h∈L² las correlaciones centradas tienden a cero. En observables complejos se conjuga h. La definición no fija una velocidad de decaimiento y no exige independencia exacta en cada n finito. Una tasa exponencial o polinómica necesita más hipótesis y una clase de observables.

Calcular el límite, no una intersección de tiempo fijo

μ(A)=1/3 y μ(B)=1/2, en un sistema mezclante.

  1. Regla

    El límite es el producto de medidas.

  2. Cuenta

    (1/3)(1/2)=1/6.
  3. Alcance

    La intersección en n=1 no tiene por qué medir 1/6.
Resultado

La mezcla describe el comportamiento asintótico.

Lo comprobamos

Sin la hipótesis de mezcla no se puede insertar el producto como respuesta general.

Centrar un observable elimina la media constante

g=1A y h=1B.

  1. Producto

    ∫(g∘Tⁿ)h=μ(T⁻ⁿA∩B).
  2. Medias

    ∫g=μ(A) y ∫h=μ(B).
  3. Correlación

    El error centrado es la intersección menos μ(A)μ(B); mezcla pide que tienda a cero.

Resultado

La definición por conjuntos y la correlación coinciden en indicadoras.

Lo comprobamos

La extensión a L² usa aproximación y Cauchy–Schwarz.

5. Mezcla obliga a ergodicidad, pero promediar no equivale a mezclar

Si A es invariante y p=μ(A), todas sus preimágenes coinciden con A módulo nulos. La intersección T⁻ⁿA∩A tiene medida p. Mezcla exige que ese mismo valor tienda a p². Luego p=p² y p solo puede ser cero o uno: queda probada ergodicidad.

Ergodicidad da convergencia del promedio de correlaciones, no necesariamente de cada término. Mezcla débil pide que el promedio del valor absoluto del error tienda a cero. Se tiene mezcla ⇒ mezcla débil ⇒ ergodicidad; los recíprocos fallan en general. Las versiones topológicas con abiertos son propiedades diferentes.

Resolver la condición de un conjunto invariante

p=p², con 0≤p≤1.

  1. Pasar de lado

    p²−p=0.
  2. Factorizar

    p(p−1)=0.
  3. Alternativas

    p=0 o p=1.
Resultado

Un sistema mezclante no admite una parte invariante de medida un medio.

Lo comprobamos

La invariancia módulo nulos se mantiene al iterar porque T conserva la medida.

Un sistema ergódico que no mezcla

El ciclo de dos puntos, A={a}.

  1. Medida

    μ(A)=1/2, así que μ(A)²=1/4.
  2. Intersecciones

    Si n es par, T⁻ⁿA=A y la intersección mide 1/2; si n es impar mide cero.

  3. Límite

    Alterna y no converge a 1/4, aunque su promedio sí tiende a 1/4.

Resultado

La ergodicidad permite oscilaciones de correlación persistentes.

Lo comprobamos

El promedio del error absoluto aquí es 1/4, así que tampoco hay mezcla débil.

6. Una rotación racional del círculo deja partes invariantes de medida un medio

Rα(x)=x+α mod1 conserva Lebesgue.

Si α=p/q es racional, cos(2πqx) no cambia al aplicar Rα: su argumento aumenta en 2πp. Por tanto A={cos(2πqx)>0} es invariante y tiene medida un medio.

Esto prueba que esa rotación no es ergódica para Lebesgue. La sola igualdad Rαᵠ=id no sería una prueba válida en cualquier espacio de probabilidad, como muestra el ciclo finito de dos puntos. La construcción del conjunto de medida intermedia usa la estructura continua del círculo.

Una media vuelta con un conjunto invariante

α=1/2 y A={cos(4πx)>0}.

  1. Rotar

    cos[4π(x+1/2)]=cos(4πx+2π)=cos(4πx).
  2. Medir

    En cada periodo el coseno es positivo la mitad del tiempo, por lo que μ(A)=1/2.

  3. Concluir

    A es un conjunto invariante de medida intermedia.

Resultado

La media vuelta no es ergódica para Lebesgue.

Lo comprobamos

Los puntos donde el coseno vale cero no afectan la medida.

Un observable que conserva memoria

α=2/3 y g(x)=cos(6πx).

  1. Traslación

    El argumento cambia en 6π·(2/3)=4π.
  2. Invariancia

    g∘Rα=g.
  3. No constante

    g toma valores distintos sobre conjuntos de medida positiva.

Resultado

Una función invariante no constante da otro criterio de no ergodicidad.

Lo comprobamos

La función está en L² y se usa la medida de Lebesgue del círculo.

7. La rotación irracional es ergódica y aun así no mezcla

Si α es irracional y g∈L² es invariante por Rα, sus coeficientes de Fourier cumplen (e^{2\pi i k\alpha}-1)\widehat g(k)=0. Para k≠0 el factor no es cero; desaparecen todas las frecuencias no constantes. Por completitud de Fourier, g es constante casi en todas partes: la rotación es ergódica.

Una rotación puede ser ergódica y conservar una correlación de módulo uno
Rotación irracional: α=(√5−1)/2Cₙ=exp(2πinα), |Cₙ|=1012Los puntos no se acercan a cero.Ergódica para Lebesgue.Esta correlación impide la mezcla.
Diez valores exactos de la correlación del observable complejo exp de dos pi i x con él mismo bajo la rotación irracional de ángulo alpha igual a raíz de cinco menos uno sobre dos. Cada valor exp de dos pi i n alpha está en la circunferencia unidad del plano complejo. Cero es el punto gris central. Que no se acerquen al centro se demuestra por su módulo uno, no por una simulación de diez puntos. La ergodicidad para Lebesgue se verifica por Fourier y no implica mezcla.

Pero para e₁(x)=exp(2πix), de media cero, la correlación con su copia desplazada es C_n=e^{2\pi i n\alpha}. Tiene módulo uno y no tiende a cero: no hay mezcla. El promedio de las fases sí tiende a cero por la suma geométrica, mientras que el promedio de sus módulos sigue siendo uno.

La frecuencia que impide mezclar

g=h=e₁ en la rotación irracional.

  1. Componer

    e₁(Rαⁿx)=exp(2πinα)e₁(x).
  2. Integrar

    Multiplicar por el conjugado de e₁ deja la constante exp(2πinα).

  3. Módulo

    |Cₙ|=1 para todo n, y no puede acercarse a cero.
Resultado

La correlación prueba ausencia de mezcla.

Lo comprobamos

Diez puntos en un dibujo ilustran la fórmula; la prueba es el módulo constante.

Promediar fases no es promediar sus módulos

z=exp(2πiα), con z≠1.

  1. Suma geométrica

    1+z+···+zⁿ⁻¹=(1−zⁿ)/(1−z).
  2. Promedio

    Su módulo dividido por n es como máximo 2/[n|1−z|], que tiende a cero.

  3. Valor absoluto

    En cambio (|1|+|z|+···+|zⁿ⁻¹|)/n=1.
Resultado

La media puede cancelar oscilaciones sin que cada correlación desaparezca.

Lo comprobamos

Esto distingue la consecuencia ergódica de la mezcla débil y de la mezcla.

8. La duplicación mezcla porque separa frecuencias fijas

Para D(x)=2x mod1, eₖ(x)=exp(2πikx) satisface e_k\circ D^n=e_{2^n k}. Su producto con el conjugado de eℓ integra uno si 2ⁿk=ℓ y cero en otro caso. Para frecuencias fijas no nulas, esa igualdad deja de ocurrir cuando n crece.

La factorización límite vale para polinomios trigonométricos y se extiende a L² por densidad. Como D conserva medida, componer con Dⁿ conserva la norma L² y los errores de aproximación se controlan uniformemente por Cauchy–Schwarz. Esa isometría no exige que D sea invertible. Así se prueba mezcla para Lebesgue, no solo para algunos intervalos.

Una coincidencia temporal no impide la mezcla

k=1 y ℓ=8.

  1. Igualdad

    2ⁿ·1=8 ocurre en n=3.
  2. Correlación

    El producto de esas frecuencias integra uno en ese tiempo.

  3. Después

    Para todo n>3 integra cero, que coincide con el producto de sus medias nulas.

Resultado

Mezcla no significa correlación cero desde el primer paso.

Lo comprobamos

Las frecuencias k y ℓ se mantienen fijas al tomar el límite.

Un cálculo de un paso no es una órbita estadística completa

D(3/4).

  1. Duplicar

    2·(3/4)=3/2.
  2. Módulo uno

    Restar la parte entera da 1/2.

  3. Continuar

    D(1/2)=0 y después queda fijo.
Resultado

Esta órbita acaba en un punto periódico.

Lo comprobamos

No contradice mezcla para Lebesgue: un conjunto excepcional nulo puede tener otra estadística.

9. Volver, ser denso y mezclar son afirmaciones diferentes

Poincaré asegura que casi todo punto de un conjunto A vuelve a él infinitas veces si se conserva una probabilidad. No necesita ergodicidad ni mezcla. La recurrencia evita perder de forma permanente una parte de probabilidad finita; la mezcla trata la pérdida de correlaciones.

Densidad de una órbita es una propiedad topológica individual. Con soporte total y una base numerable de abiertos, ergodicidad permite deducir densidad para casi todas las órbitas. Sin indicar medida y soporte, esa inferencia puede cambiar. Las simulaciones no sustituyen invariantes, criterios de Fourier y teoremas con hipótesis.

Ser recurrente sin mezclar

La identidad en [0,1] con Lebesgue.

  1. Volver

    Cada punto de A permanece en A y vuelve en todo tiempo entero.

  2. Ergodicidad

    A=[0,1/2] sigue siendo invariante de medida intermedia.
  3. Conclusión

    La recurrencia no ha implicado ni ergodicidad ni mezcla.

Resultado

Una propiedad de retorno es más débil que las otras dos.

Lo comprobamos

El teorema de recurrencia no exige que el regreso sea a un lugar distinto.

Una órbita excepcional en un mapa mezclante

Duplicación y A=[0,1/2), empezando en cero.

  1. Órbita

    Dⁿ(0)=0 para todo n.
  2. Frecuencia

    La proporción de visitas a A es uno.

  3. Comparar

    Lebesgue asigna medida 1/2 a A; Birkhoff da esa frecuencia para casi todo punto, no para este punto excepcional.

Resultado

Una órbita sola no invalida un resultado de casi todas.

Lo comprobamos

Si se elige δ₀ en vez de Lebesgue cambia la media espacial del problema.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

La identidad no es ergódica

En [0,1] con Lebesgue, muestra que T(x)=x no es ergódica.

  1. Sistema

    T(x)=x en [0,1] con Lebesgue.
  2. Definición

    Para ser ergódico, todo conjunto invariante debe tener medida cero o uno, módulo nulos.

  3. Elegir

    A=[0,1/2].
  4. Preimagen

    T⁻¹A=A exactamente.
  5. Medida

    μ(A)=1/2, distinta de cero y uno.
  6. Conclusión

    La identidad no es ergódica para esta medida; el conjunto construido viola la condición.

Resultado

La identidad no es ergódica.

Lo comprobamos

El contraejemplo satisface la definición exactamente.

EJEMPLO RESUELTO 2

Límite de una mezcla

Si μ(A)=1/3 y μ(B)=1/2 en un sistema mezclante, calcula el límite.

  1. Hipótesis

    El sistema es mezclante y conserva la probabilidad μ.

  2. Definición

    μ(T⁻ⁿA∩B) tiende a μ(A)μ(B).

  3. Datos

    μ(A)=1/3 y μ(B)=1/2.
  4. Multiplicar

    (1/3)(1/2)=1/(3·2).
  5. Resultado

    El límite es 1/6.

  6. Alcance

    No se ha afirmado igualdad para un número finito de pasos; esa sería una condición más fuerte.

Resultado

El límite es 1/6.

Lo comprobamos

No afirma igualdad para cada n finito.

Los símbolos que hemos usado

(X,ℬ,μ)
Espacio de probabilidad: ℬ es la colección de conjuntos medibles y μ(X)=1.
T:X→X
Transformación medible que preserva μ: μ(T⁻¹A)=μ(A). No se exige invertibilidad.
T⁻ⁿA
Preimagen de A bajo Tⁿ: estados que llegan a A después de n pasos.
A△B
Diferencia simétrica de conjuntos; μ(A△B)=0 expresa igualdad salvo un conjunto nulo.
𝓘
σ-álgebra de conjuntos invariantes módulo medida cero.
U g=g∘T
Operador de Koopman sobre observables; es una isometría de L² cuando μ es invariante.
Cₙ(g,h)
Correlación centrada ∫(g∘Tⁿ)conj(h)dμ−(∫g dμ)conj(∫h dμ).
eₖ(x)=e^{2πikx}
Frecuencia de Fourier k∈Z sobre el círculo R/Z, identificado con[0,1).

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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