Capítulo 3 Fase Subcrítica: Decaimento Exponencial
Poderíamos definir outros pontos críticos no modelo de percolação. Por exemplo,
lembrando que é o valor esperado do volume do aglomerado aberto da origem,
seja
(3.1)
A prova da Proposição 1.2.1 mostra que está bem definido e é
positivo.
É claro que (pois se então ).
Neste capítulo, veremos que , eliminando a existência de uma fase
intermediária e estabelecendo a assim chamada unicidade do ponto
crítico.
Este resultado foi provado independentemente por Menshikov [4] e
Aizenman e Barsky [5] por argumentos diferentes (para geral; em 2 dimensões foi provado
por Kesten [3] como conseqüência de que, neste caso, ). Mostraremos a seguir o
argumento de Menshikov (com uma melhoria de Kesten, não publicada).
Sejam a esfera em de raio com centro na origem, isto é
e o evento de que existe um caminho
aberto da origem à fronteira de .
Teorema 3.1 (Menshikov)
Se , então para algum
(3.2)
Corolário 3.1
se .
Observação 3.1
Na fase supercrítica , obviamente.
Prova-se também [8] que
O Teorema 3.1 estabelece o decaimento exponencial da distribuição
do raio de .
De (3.2) concluimos que
(3.3)
com . Logo,
Observação 3.2
(3.3) estabelece decaimento subexponencial da distribuição de
. Com um pouco mais de trabalho, mostra-se o decaimento exponencial desta
distribuição (vide [8]).
A prova do Teorema 3.1 será apresentada em uma introdução mais
três partes.
Introdução
Defina
(3.4)
Note que quando . Logo, se , existe satisfazendo
e portanto
O problema é mostrar que para algum , se
então para
Queremos limitar superiormente em termos de e mais alguma coisa
(é preciso melhorar a cota trivial ).
Parte 1
Como já vimos no Capítulo 2, Seção 3, a fórmula de Russo produz a
seguinte desigualdade para .
(3.5)
onde é o número de elos pivotais para o evento .
Parte 2
Para um dado , seja o raio (aleatório) do aglomerado aberto da
origem (isto é, ou, equivalentemente,
ocorre}). Note que se , então com
probabilidade positiva e se então é uma variável aleatória
finita com valores inteiros.
Sejam variáveis aleatórias independentes
com a mesma distribuição de . Mostraremos mais adiante
que
(3.6)
para todo , o que relaciona (condicionado a
) a um processo de
renovação. Usando métodos usuais em tais processos, conclui-se que
(3.7)
Parte 3
Combinam-se as partes 1 e 2 para obter para :
(3.8)
Da desigualdade acima, concluiremos que
(3.9)
do que segue o teorema.
Em seguida apresentaremos as partes 2 e 3 em detalhes.
Parte 2
Sejam os elos pivotais abertos para na ordem
com que são atingidos por um caminho aberto da origem
até . (Note que a ordem é a mesma para qualquer tal caminho devido
à pivotalidade.) Escreva como (Na ”ordem correta”.
Veja a Figura 3.1.).
Figura 3.1: Figura do aglomerado da origem em . Há exatamente 4 elos
pivotais para nesta configuração, denotados , , e .
Os elos do aglomerado da origem entre os elos pivotais sucessivos formam
salsichas. O aglomerado da origem em pode ser visto então como
como salsichas de elos conectadas por elos pivotais.
Sejam
e para .
representam os raios das salsichas sucessivas.
Então se
ou seja,
Logo,
(3.10)
Queremos mostrar que
(3.11)
para todo e ,
onde são variáveis aleatórias independentes com distribuição
comum igual àquela do raio do aglomerado da origem (vamos denotar esta última
v.a. por ).
Para obter a última desigualdade, seria bom se bastasse provar
desigualdades envolvendo probabilidades condicionais do tipo
(3.12)
para todo , e .
O próximo lema mostra que este é o caso.
Lema 3.1
A desigualdade (3.12) implica a desigualdade (3.11)
quando Isto é equivalente a (denotando o evento
por )
(3.15)
Note que .
Para a desigualdade se torna
(3.16)
para .
No evento em que , a origem está conectada por dois caminhos
disjuntos a e está a distância pelo menos da origem
(veja a Figura 3.2).
Figura 3.2: Os elos pivotais são para Note que
nesta configuração. A linha tracejada é a superfície
de . Note os caminhos disjuntos da origem a
.
No evento , há dois caminhos disjuntos, um de a
e outro de a . Portanto,
e a desigualdade de BK produz a desigualdade (3.16).
Para , escreva
união disjunta sobre configurações (detalhadas) das salsichas até .
Então
(3.17)
e
(3.18)
Logo é suficiente mostrar para cada :
(3.19)
Mas a probabilidade à esquerda é menor ou igual a
onde é a esfera de centro em e raio .
Como no caso , da desigualdade de BK, desta vez aplicada substituindo
por (elos dos fechos das salsichas anteriores), segue
que a probabilidade acima é menor ou igual a
A última probabilidade é igual a . A primeira é menor ou igual a
que, pela invariância translacional do
modelo, é igual a
A conclusão de que (3.9), e portanto o Teorema 3.1,
segue de (3.8) se dá através do próximo lema, um resultado puramente analítico,
cuja prova será apresentada no apêndice a estas notas.
onde é uma constante positiva, o que implica (3.9).
É uma conseqüência imediata do Teorema 3.1 o decaimento exponencial
da função de conectividade.
Corolário 3.2
(3.23)
com para .
(Verifique!)
Em seguida apresentamos outro corolário ao Teorema 3.1
estabelecendo a suavidade de na fase
subcrítica.
Corolário 3.3
é vezes diferenciável em para todo .
Prova.
Como , podemos escrever como
(3.24)
A última probabilidade pode ser expressa como
(3.25)
onde é o número de animais de rede com sítios, elos
e elos de fronteira. Por animal de rede denotamos conjuntos
conexos de sítios da rede contendo a origem.
Para fixo, são válidas as seguintes cotas para
e (verifique-as!)
Vamos dividir o argumento em dois. Para ,
provaremos o fato mais forte de que é analítica (isto é, pode ser
escrita como série de potências convergente de , o que implica em suavidade).
Em seguida, provaremos suavidade para .
Estendendo formalmente ao plano complexo a partir de (3.28), temos
(3.29)
Para provarmos analiticidade de na origem, basta mostrarmos
(pelo Teorema de Vitali), que a série
acima é uniformemente convergente numa região do plano complexo
contendo a origem.
Para suficientemente pequeno, e concluimos que
a série definindo é uniformemente convergente numa vizinhança
complexa da origem e portanto é analítica em .
Em seguida, vamos diferenciar formalmente vezes
usando (3.28) para obter
(3.30)
Para obter a diferenciabilidade de em , basta mostrar que
a série acima é uniformemente convergente num intervalo fechado arbitrário de
. Para isto notemos que
onde . Logo,
e, portanto, (3.3) implica na convergência uniforme de (3.30) em
intervalos fechados de .
Observação 3.3
Um argumento semelhante ao da prova acima, mas usando o decaimento exponencial da distribuição de (como discutido na
Observação 3.2), prova analiticidade de em .
(Vide [8].)