1.2 Primeiros Resultados

Em auxílio à prova do Teorema 1.1.1, vamos discutir propriedades de monotonicidade da função θ⁢(p)\theta(p). Para isto, construiremos um modelo probabilístico em que os modelos de percolação com os diversos valores de pp possíveis estão acoplados. Esta construção, a que chamaremos de modelo padrão, será útil também em outros casos.

Seja 𝒵:={Ze,e∈𝔼d}{\cal Z}:=\{Z_{e},e\in\mathbb{E}^{d}\} uma família de v.a.’s i.i.d. com distribuição comum uniforme em [0,1][0,1]. ℙ\mathbb{P} denotará a probabilidade neste modelo.

Um elo ee da rede será dito pp-aberto se

Ze<pZ_{e}<p

e pp-fechado caso contrário. Podemos então construir o modelo de percolação com parâmetro pp usando elos pp-abertos e pp-fechados deste modelo, da mesma forma como na seção anterior.

Lema 1.2.1

θ⁢(p)\theta(p) é não-decrescente em pp.

Prova

Seja CpC_{p} o aglomerado da origem no modelo acima (com a conectividade através de elos pp-abertos). Temos que

θ⁢(p)=ℙ⁢(|Cp|=∞).\theta(p)=\mathbb{P}(|C_{p}|=\infty).

Por outro lado,

Cp⊂Cp′C_{p}\subset C_{p^{\prime}}

quando p<p′p<p^{\prime}, pois neste caso um elo pp-aberto está necessariamente p′p^{\prime}-aberto. Concluimos que

θ(p)=ℙ(|Cp|=∞)≤ℙ(|Cp′|=∞)=θ(p′).△\theta(p)=\mathbb{P}(|C_{p}|=\infty)\leq\mathbb{P}(|C_{p^{\prime}}|=\infty)=% \theta(p^{\prime}).\quad\triangle

Para o próximo resultado, monotonicidade na dimensão, notemos que podemos construir o modelo de percolação em dd dimensões num hiperplano dd-dimensional da rede d+1d+1-dimensional contendo a origem, declarando fechados os elos ligando o hiperplano ao restante do espaço e usando 𝒳{\cal X} para os demais elos. Denotando por C~\tilde{C} o aglomerado da origem neste modelo, temos claramente que C~⊂C\tilde{C}\subset C e logo

θ⁢(p):=θ⁢(p,d)=Pp,d+1⁢(|C~|=∞)≤Pp,d+1⁢(|C|=∞)=θ⁢(p,d+1).\theta(p):=\theta(p,d)=P_{p,d+1}(|\tilde{C}|=\infty)\leq P_{p,d+1}(|C|=\infty)% =\theta(p,d+1).

Isto prova o seguinte.

Lema 1.2.2

θ⁢(p,d)\theta(p,d) é não-decrescente em dd.

Pelos dois lemas acima, torna-se suficiente, para provarmos o Teorema 1.1.1, mostrarmos os seguintes resultados.

Proposição 1.2.1

Para d≥2d\geq 2 e pp suficientemente próximo de 0

θ⁢(p)=0.\theta(p)=0.
Proposição 1.2.2

Para d=2d=2 e pp suficientemente próximo de 11

θ⁢(p)>0.\theta(p)>0.

Como veremos nas demonstrações destes resultados, abaixo, é suficiente no primeiro tomarmos p<1/(2⁢d−1)p<1/{(2d-1)} e no segundo p>2/3p>2/3.

Prova da Proposição 1.2.1

É suficiente mostrar que χp:=Ep⁢|C|<∞\chi_{p}:=E_{p}|C|<\infty para pp próximo de 0.

Podemos escrever

|C|=∑x∈ℤdI{0↔x},|C|=\sum_{x\in\mathbb{Z}^{d}}\mbox{\bf I}_{\{0\leftrightarrow x\}},

onde I{⋅}\mbox{\bf I}_{\{\cdot\}} é a função indicadora, isto é,

IA⁢(ω)={1,se ω∈A0,caso contrário,\mbox{\bf I}_{A}(\omega)=\cases{1,&se $\omega\in A$\cr 0,&caso contrário,}

e logo

χp=∑x∈ℤdPp(0↔x).\chi_{p}=\sum_{x\in\mathbb{Z}^{d}}P_{p}(0\leftrightarrow x). (1.2.1)

Podemos reescrever a probabilidade acima como Pp⁢(∪γ{γ⁢ está aberto}),P_{p}(\cup_{\gamma}\{\gamma\mbox{ está aberto}\}), onde a união é sobre caminhos conectando 0 a xx. Temos então de (1.2.1) e a subaditividade que

χp≤∑x∈ℤd∑γPp⁢(γ⁢está aberto),\chi_{p}\leq\sum_{x\in\mathbb{Z}^{d}}\sum_{\gamma}P_{p}(\gamma\,\mbox{está % aberto}),

onde a segunda soma é sobre os caminhos γ\gamma conectando 0 a xx. A dupla soma pode ser então reordenada em

∑n≥0∑|γ|=nPp⁢(γ⁢está aberto),\sum_{n\geq 0}\sum_{|\gamma|=n}P_{p}(\gamma\,\mbox{está aberto}),

onde a segunda soma é sobre os caminhos γ\gamma partindo da origem e de comprimento nn (isto é, caminhos γ={e1,…,en}\gamma=\{e_{1},\ldots,e_{n}\} em que x1=0x_{1}=0). A probabilidade acima vale pnp^{n} independentemente de γ\gamma. Portanto temos que

χp=∑n≥0σ⁢(n)⁢pn,\chi_{p}=\sum_{n\geq 0}\sigma(n)p^{n}, (1.2.2)

onde σ⁢(n)\sigma(n) denota o número de caminhos partindo da origem e de comprimento nn.

Um argumento combinatório simples revela que, para n≥1n\geq 1,

σ⁢(n)≤2⁢d⁢(2⁢d−1)n−1.\sigma(n)\leq 2d(2d-1)^{n-1}.

De fato, o primeiro passo do caminho tem 2⁢d2d possíveis sítios de destino, enquanto que a partir do segundo até o final, cada passo tem no máximo 2⁢d−12d-1 possíveis sítios de destino (devido à ausência de loops). Temos

χp≤∑n≥12⁢d⁢p⁢[(2⁢d−1)⁢p]n−1+1\chi_{p}\leq\sum_{n\geq 1}2dp[(2d-1)p]^{n-1}+1

e para a série ser convergente, basta termos p<1/(2d−1).△p<1/{(2d-1)}.\quad\triangle

Prova da Proposição 1.2.2 Consideremos a rede bidimensional dual de ℤ2\mathbb{Z}^{2},

ℤ∗2=ℤ2+(1/2,1/2).\mathbb{Z}^{2}_{\ast}=\mathbb{Z}^{2}+(1/2,1/2).

ℤ∗2\mathbb{Z}^{2}_{\ast} é um deslocamento de ℤ2\mathbb{Z}^{2} por 1/21/2 unidade em cada direção coordenada. Volumes finitos superpostos de ℤ2\mathbb{Z}^{2} e ℤ∗2\mathbb{Z}^{2}_{\ast} são ilustrados abaixo, o de ℤ2\mathbb{Z}^{2} em linhas cheias, linhas tracejadas para ℤ∗2\mathbb{Z}^{2}_{\ast}.

Notemos que há uma relação 1 a 1 entre os sítios e elos de ℤ2\mathbb{Z}^{2} e aqueles de ℤ∗2\mathbb{Z}^{2}_{\ast}. Seja a relação (1 a 1) e→e∗e\to e_{\ast} entre elos de ℤ2\mathbb{Z}^{2} e ℤ∗2\mathbb{Z}^{2}_{\ast} que associa a cada elo da primeira rede o elo secante da rede dual, como na figura a seguir.

Definiremos um modelo de percolação em ℤ∗2\mathbb{Z}^{2}_{\ast} induzido pelo modelo em ℤ2\mathbb{Z}^{2} declarando e∗e_{\ast} aberto ou fechado conforme ee esteja aberto ou fechado, respectivamente.

No que se segue, um circuito será um caminho {e1,e2,…,en}\{e_{1},e_{2},\ldots,e_{n}\} tal que yn=x1y_{n}=x_{1}, isto é, um caminho que se fecha sobre si mesmo.

A ocorrência de um aglomerado da origem finito em ℤ2\mathbb{Z}^{2} está associada à existência de um circuito fechado (isto é, um circuito de elos fechados) na rede dual ao redor da origem. Isto se deve ao fato de que se o aglomerado da origem for finito, os elos da fronteira do aglomerado (isto é, elos ligando sítios do aglomerado a sítios fora do aglomerado), obviamente fechados, estão sempre dispostos de tal forma que os elos correspondentes do dual formam um circuito, que será então fechado. A figura a seguir ilustra este fato geométrico elementar, bastante intuitivo (o aglomerado da origem aparece em linhas cheias, sua fronteira em linhas pontilhadas e o circuito no dual em linhas tracejadas) e, como a prova é longa e tediosa (vide [10] página 386 e a Proposição 5.1 na página 5.1 destas notas), não a apresentaremos neste texto.

Seguimos com a demonstração da Proposição 1.2.2.

Vamos mostrar que a probabilidade de o aglomerado da origem ser finito é estritamente menor do que 1 para pp suficientemente próximo de 1. Para isto, em vista do fato geométrico acima, bastará argumentar que a probabilidade de haver algum circuito fechado na rede dual ao redor da origem é estritamente menor do que 1 para pp suficientemente próximo de 1. O argumento é semelhante ao argumento de Peierls para demonstrar a ocorrência de magnetização no modelo de Ising.

Pp⁢(há um circuito fechado na rede dual ao redor da origem)\displaystyle P_{p}(\mbox{há um circuito fechado na rede dual ao redor da % origem})
≤∑γPp⁢(γ⁢está fechado),\displaystyle\leq\sum_{\gamma}P_{p}(\gamma\,\mbox{está fechado}),\quad\quad% \quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad

onde a soma é sobre todos os circuitos γ\gamma ao redor da origem. Ela pode ser reordenada da seguinte maneira

∑n≥4∑|γ|=nPp⁢(γ⁢está fechado),\sum_{n\geq 4}\sum_{|\gamma|=n}P_{p}(\gamma\,\mbox{está fechado}),

onde a segunda soma é sobre circuitos γ\gamma ao redor da origem de comprimento nn.

Está claro que a probabilidade no interior das somas depende apenas de nn e vale (1−p)n(1-p)^{n}. Portanto, a expressão acima fica

∑n≥4λ⁢(n)⁢(1−p)n,\sum_{n\geq 4}\lambda(n)(1-p)^{n},

onde λ⁢(n)\lambda(n) denota o número de circuitos na rede dual ao redor da origem de comprimento nn.

O seguinte argumento produz uma cota superior útil para λ⁢(n)\lambda(n). Qualquer circuito de comprimento nn da rede dual ao redor da origem deve cruzar um elo da rede original da forma ((0,k),(0,k+1))((0,k),(0,k+1)), para algum −n/2≤k≤n/2-n/2\leq k\leq n/2. A partir deste elo secante, cada um dos n−1n-1 elos subseqüentes pode ser colocado de no máximo 33 maneiras diferentes. Por isto

λ⁢(n)≤n⁢3n−1.\lambda(n)\leq n3^{n-1}.

Substituindo na soma acima, temos

∑n≥4n3⁢[3⁢(1−p)]n,\sum_{n\geq 4}\frac{n}{3}[3(1-p)]^{n},

que é uma função contínua e decrescente em pp quando p>2/3p>2/3, anulando-se quando p=1p=1. Segue-se que existe p0<1p_{0}<1 tal que a expressão acima é estritamente menor do que 1 para p>p0p>p_{0}.△\quad\triangle

Uma melhoria do argumento acima que mostra que a probabilidade de o aglomerado da origem ser infinito (θ⁢(p)\theta(p)) é estritamente positiva para p>2/3p>2/3 é o seguinte.

Denotemos por QMQ_{M} o quadrado centrado na origem e de lado 2⁢M+12M+1. Seja AMA_{M} o evento que todos os elos de QMQ_{M} estejam abertos e BMB_{M} o evento de haver um circuito fechado na rede dual completamente fora de QMQ_{M}.

Repetindo o argumento da demonstração acima, temos

Pp⁢(BM)≤∑n≥8⁢M+4n3⁢[3⁢(1−p)]n.P_{p}(B_{M})\leq\sum_{n\geq 8M+4}\frac{n}{3}[3(1-p)]^{n}.

Dado p>2/3p>2/3, esta expressão pode ser tornada estritamente menor do que 1 escolhendo-se MM suficientemente grande, digamos M0M_{0}. Portanto

Pp⁢(BM0c)>0.P_{p}(B_{M_{0}}^{c})>0. (1.2.3)

Agora, na intersecção dos eventos AM0A_{M_{0}} e BM0cB_{M_{0}}^{c}, o aglomerado da origem é infinito. Além disso, AM0A_{M_{0}} e BM0cB_{M_{0}}^{c} são independentes, pois dependem de conjuntos disjuntos de elos. Logo, de (1.2.3) concluimos que

θ⁢(p)≥Pp⁢(AM0∩BM0c)=Pp⁢(AM0)⁢Pp⁢(BM0c)>0,\theta(p)\geq P_{p}(A_{M_{0}}\cap B_{M_{0}}^{c})=P_{p}(A_{M_{0}})P_{p}(B_{M_{0% }}^{c})>0,

pois Pp⁢(AM0)>0P_{p}(A_{M_{0}})>0 (ainda que próximo de 0). O argumento está completo.

A probabilidade crítica pcp_{c} depende da dimensão e podemos denotá-la pc⁢(d)p_{c}(d). As proposições acima mostram que

12⁢d−1≤pc⁢(d)≤23.\frac{1}{2d-1}\leq p_{c}(d)\leq\frac{2}{3}.

Kesten [11] mostrou que

pc⁢(d)∼12⁢dp_{c}(d)\sim\frac{1}{2d}

para dimensões grandes.

O Teorema 1.1.1 não diz nada sobre o que acontece em p=pcp=p_{c}. Como veremos no Capítulo 4, θ⁢(p)\theta(p) é uma função contínua, exceto possivelmente em p=pcp=p_{c}. Se θ⁢(pc)=0\theta(p_{c})=0, então θ⁢(p)\theta(p) será contínua e seu gráfico se parecerá com o da figura à esquerda a seguir. Caso contrário, o gráfico será mais parecido com o da figura à direita.

Qual caso vale é uma questão em aberto para dd genérico, mas se acredita que θ⁢(p)\theta(p) seja contínua. Isto está de fato provado em 2 dimensões e em dimensões grandes. Veremos o caso bidimensional no Capítulo 5 e discutiremos um método de ataque ao problema em mais dimensões no Capítulo 6.