analyze-diffusion-dynamics
について
このスキルは、確率微分方程式とフォッカー・プランク方程式を用いて拡散過程のダイナミクスを解析します。境界のある拡散に対して、確率密度の時間発展、平均初到達時間、およびパラメータ感度を計算します。閉形式解をシミュレーション結果と照合して検証する必要がある場合や、ドリフト/拡散パラメータがシステムの挙動にどのように影響するかを分析する際にご利用ください。
クイックインストール
Claude Code
推奨npx skills add pjt222/agent-almanac -a claude-code/plugin add https://github.com/pjt222/agent-almanacgit clone https://github.com/pjt222/agent-almanac.git ~/.claude/skills/analyze-diffusion-dynamicsこのコマンドをClaude Codeにコピー&ペーストしてスキルをインストールします
ドキュメント
析擴散動力
以隨機微分方程、Fokker-Planck 方程、首達時分布、參靈敏度析,描擴散過程之行。
用時
- 推連時擴散過程之概密演化乃用
- 算有界擴散之均首達時或全首達時分布乃用
- 析漂、擴散、邊參如何影過程之行乃用
- 驗閉式解對隨機模擬乃用
- 建漂擴散模或生成擴散過程之動力直觀乃用
入
- 必要:SDE 之規(漂函、擴散係、域/邊)
- 必要:漂函與擴散函之參值或範
- 必要:邊條件(吸收、反射、或混)
- 可選:瞬態析之時界(默:按動力自察)
- 可選:數值 PDE 解之空間離散率(默:dx=0.001)
- 可選:模擬驗之蒙特卡洛軌數(默:10000)
法
第一步:定 SDE 模
明漂函、擴散係、邊條件。
- 以標 Ito 式書 SDE:
dX(t) = mu(X, t) dt + sigma(X, t) dW(t)
其中 mu 為漂函,sigma 為擴散係,W(t) 為標 Wiener 過程。
- 以碼實 SDE 諸元:
import numpy as np
class DiffusionProcess:
"""A one-dimensional diffusion process specified by drift and diffusion functions."""
def __init__(self, drift_fn, diffusion_fn, lower_bound=None, upper_bound=None,
boundary_type="absorbing"):
self.drift = drift_fn
self.diffusion = diffusion_fn
self.lower_bound = lower_bound
self.upper_bound = upper_bound
self.boundary_type = boundary_type
# Example: Ornstein-Uhlenbeck process on [0, a]
ou_process = DiffusionProcess(
drift_fn=lambda x, t: 2.0 * (0.5 - x), # mean-reverting drift
diffusion_fn=lambda x, t: 0.1, # constant diffusion
lower_bound=0.0,
upper_bound=1.0,
boundary_type="absorbing"
)
# Example: Standard DDM (constant drift and diffusion)
ddm_process = DiffusionProcess(
drift_fn=lambda x, t: 0.5, # drift rate v
diffusion_fn=lambda x, t: 1.0, # unit diffusion (s=1, convention)
lower_bound=0.0, # lower absorbing boundary
upper_bound=1.5, # upper absorbing boundary (a)
boundary_type="absorbing"
)
- 定初條:
# Point source at x0
x0 = 0.75 # starting point (e.g., midpoint between boundaries for DDM with z=a/2)
# Or a distribution
initial_distribution = lambda x: np.exp(-50 * (x - 0.75)**2) # narrow Gaussian
- 驗參一致:
def validate_process(process, x0):
"""Check that the SDE specification is self-consistent."""
assert process.lower_bound < process.upper_bound, "Lower bound must be less than upper bound"
assert process.lower_bound <= x0 <= process.upper_bound, \
f"Initial position {x0} outside bounds [{process.lower_bound}, {process.upper_bound}]"
test_drift = process.drift(x0, 0)
test_diff = process.diffusion(x0, 0)
assert np.isfinite(test_drift), f"Drift is not finite at x0={x0}"
assert test_diff > 0, f"Diffusion coefficient must be positive, got {test_diff}"
print(f"Process validated: drift={test_drift:.4f}, diffusion={test_diff:.4f} at x0={x0}")
validate_process(ddm_process, x0=0.75)
得: SDE 全規有定,漂有限,擴散係嚴正,初位於域邊內。
敗則: 若擴散係於域中某處為零或負,過程退化——察函式。若漂於邊為無限,察反射邊是否更宜。
第二步:推 Fokker-Planck 方程
轉 SDE 為概密度之等效偏微方程。
- 書概密度 p(x, t) 之 Fokker-Planck 方程(FPE):
dp/dt = -d/dx [mu(x,t) * p(x,t)] + (1/2) * d^2/dx^2 [sigma(x,t)^2 * p(x,t)]
- 恆係之標 DDM 則簡為:
dp/dt = -v * dp/dx + (s^2 / 2) * d^2p/dx^2
- 以有限差分實 FPE 之數值解:
from scipy.sparse import diags
from scipy.sparse.linalg import spsolve
def solve_fokker_planck(process, x0, t_max, dx=0.001, dt=None):
"""Solve the FPE numerically using Crank-Nicolson scheme."""
x_grid = np.arange(process.lower_bound, process.upper_bound + dx, dx)
N = len(x_grid)
if dt is None:
max_sigma = max(process.diffusion(x, 0) for x in x_grid)
dt = 0.4 * dx**2 / max_sigma**2 # CFL-like stability condition
# Initial condition: narrow Gaussian centered at x0
p = np.exp(-((x_grid - x0)**2) / (2 * (2*dx)**2))
p[0] = 0 # absorbing boundary
p[-1] = 0 # absorbing boundary
p = p / (np.sum(p) * dx)
t_steps = int(t_max / dt)
survival = np.zeros(t_steps)
density_snapshots = []
for step in range(t_steps):
mu_vals = np.array([process.drift(x, step*dt) for x in x_grid])
sigma_vals = np.array([process.diffusion(x, step*dt) for x in x_grid])
D = 0.5 * sigma_vals**2
# Finite difference operators (interior points)
advection = -mu_vals[1:-1] / (2 * dx)
diffusion_coeff = D[1:-1] / dx**2
main_diag = 1 + dt * 2 * diffusion_coeff
upper_diag = dt * (-diffusion_coeff[:-1] - advection[:-1])
lower_diag = dt * (-diffusion_coeff[1:] + advection[1:])
A = diags([lower_diag, main_diag, upper_diag], [-1, 0, 1], format="csc")
p[1:-1] = spsolve(A, p[1:-1])
p[0] = 0
p[-1] = 0
survival[step] = np.sum(p[1:-1]) * dx
if step % (t_steps // 10) == 0:
density_snapshots.append((step * dt, p.copy()))
return x_grid, survival, density_snapshots
- 行而繪密演:
import matplotlib.pyplot as plt
x_grid, survival, snapshots = solve_fokker_planck(ddm_process, x0=0.75, t_max=5.0)
fig, (ax1, ax2) = plt.subplots(1, 2, figsize=(14, 5))
for t_val, density in snapshots:
ax1.plot(x_grid, density, label=f"t={t_val:.2f}")
ax1.set_xlabel("x")
ax1.set_ylabel("p(x, t)")
ax1.set_title("Fokker-Planck Density Evolution")
ax1.legend()
t_vals = np.linspace(0, 5.0, len(survival))
ax2.plot(t_vals, survival)
ax2.set_xlabel("Time")
ax2.set_ylabel("Survival probability")
ax2.set_title("Survival Probability S(t)")
fig.tight_layout()
fig.savefig("fokker_planck_solution.png", dpi=150)
得: 密自 x0 之窄峰起,依 SDE 係而漂散,以概率於邊被吸而漸衰。存活概率單調由 1 降向 0。
敗則: 若密生振盪或負值,時步過大——減 dt。若密不衰(存活近 1),邊或距 x0 過遠或漂離二邊。察求解器之邊條件。
第三步:算首達時分布
推過程首達邊之時分布。
- 由存活函算首達時密:
def first_passage_time_density(survival, dt):
"""FPT density is the negative derivative of survival probability."""
fpt_density = -np.gradient(survival, dt)
fpt_density = np.maximum(fpt_density, 0) # enforce non-negativity
return fpt_density
- 恆漂之標 DDM,用已知解析解:
def ddm_fpt_upper(t, v, a, z, s=1.0, n_terms=50):
"""Analytic FPT density at the upper boundary for constant-drift DDM.
Uses the infinite series representation (large-time expansion).
"""
if t <= 0:
return 0.0
density = 0.0
for k in range(1, n_terms + 1):
density += (k * np.pi * s**2 / a**2) * \
np.exp(-v * (a - z) / s**2 - 0.5 * v**2 * t / s**2) * \
np.sin(k * np.pi * z / a) * \
np.exp(-0.5 * (k * np.pi * s / a)**2 * t)
return density
- 算首達時分布之要計:
def fpt_statistics(fpt_density, dt):
"""Compute mean, variance, and quantiles of the FPT distribution."""
t_vals = np.arange(len(fpt_density)) * dt
total_mass = np.sum(fpt_density) * dt
# Normalize
fpt_normed = fpt_density / total_mass if total_mass > 0 else fpt_density
mean_fpt = np.sum(t_vals * fpt_normed) * dt
var_fpt = np.sum((t_vals - mean_fpt)**2 * fpt_normed) * dt
# Quantiles via CDF
cdf = np.cumsum(fpt_normed) * dt
quantile_10 = t_vals[np.searchsorted(cdf, 0.1)]
quantile_50 = t_vals[np.searchsorted(cdf, 0.5)]
quantile_90 = t_vals[np.searchsorted(cdf, 0.9)]
return {
"mean": mean_fpt,
"std": np.sqrt(var_fpt),
"q10": quantile_10,
"q50": quantile_50,
"q90": quantile_90,
"total_probability": total_mass
}
- 二邊之題,以各吸邊之概流(邊格點密之有限差)分 FPT。
得: FPT 密為右偏之單峰分布。DDM 正漂則上邊 FPT 質多模短於下邊。典 DDM 參(v=1、a=1.5、z=0.75)之均 FPT 約 0.5-2.0 秒。
敗則: 若 FPT 密有負值,數值微分噪——施小 Gaussian 平滑核。若二邊之總概不和約 1.0,時界或過短(增 t_max)或求解器中有概漏。
第四步:析參靈敏
量各參之變如何影首達時分布。
- 定靈敏析之參格:
param_ranges = {
"v": np.linspace(0.2, 3.0, 15), # drift rate
"a": np.linspace(0.5, 2.5, 15), # boundary separation
"z_ratio": np.linspace(0.3, 0.7, 9) # starting point as fraction of a
}
base_params = {"v": 1.0, "a": 1.5, "z_ratio": 0.5}
- 掃各參而其他守基線:
sensitivity_results = {}
for param_name, param_values in param_ranges.items():
means = []
accuracies = []
for val in param_values:
params = base_params.copy()
params[param_name] = val
z = params["z_ratio"] * params["a"]
process = DiffusionProcess(
drift_fn=lambda x, t, v=params["v"]: v,
diffusion_fn=lambda x, t: 1.0,
lower_bound=0.0,
upper_bound=params["a"],
boundary_type="absorbing"
)
_, survival, _ = solve_fokker_planck(process, x0=z, t_max=10.0)
fpt = first_passage_time_density(survival, dt=10.0/len(survival))
stats = fpt_statistics(fpt, dt=10.0/len(survival))
means.append(stats["mean"])
accuracies.append(stats["total_probability"]) # proxy for upper boundary
sensitivity_results[param_name] = {
"values": param_values,
"mean_fpt": np.array(means),
"accuracy": np.array(accuracies)
}
- 繪靈敏線:
fig, axes = plt.subplots(1, 3, figsize=(18, 5))
for idx, (param_name, result) in enumerate(sensitivity_results.items()):
ax = axes[idx]
ax.plot(result["values"], result["mean_fpt"], "b-o", label="Mean FPT")
ax.set_xlabel(param_name)
ax.set_ylabel("Mean FPT")
ax.set_title(f"Sensitivity to {param_name}")
ax2 = ax.twinx()
ax2.plot(result["values"], result["accuracy"], "r--s", label="P(upper)")
ax2.set_ylabel("P(upper boundary)")
ax.legend(loc="upper left")
ax2.legend(loc="upper right")
fig.tight_layout()
fig.savefig("parameter_sensitivity.png", dpi=150)
- 算偏導(基線之局靈敏):
for param_name, result in sensitivity_results.items():
idx_base = np.argmin(np.abs(result["values"] - base_params[param_name]))
if idx_base > 0 and idx_base < len(result["values"]) - 1:
d_mean = (result["mean_fpt"][idx_base+1] - result["mean_fpt"][idx_base-1]) / \
(result["values"][idx_base+1] - result["values"][idx_base-1])
print(f"d(mean_FPT)/d({param_name}) at baseline: {d_mean:.4f}")
得: 漂率(v)強負影均 FPT、強正影準。邊距(a)強正影均 FPT(速準權衡)。始點(z)影準而微影均 FPT。
敗則: 若靈敏線平或非單調,察參範寬乎、求解時界捕全 FPT 分布乎。漂率相應之非單調均 FPT 示求解器有疵。
第五步:驗析於數擬
行 SDE 之蒙特卡洛以確析與數值 PDE 之果。
- 實 Euler-Maruyama SDE 擬:
def simulate_sde(process, x0, dt_sim=0.0001, t_max=10.0, n_trajectories=10000):
"""Simulate SDE paths and record first-passage times."""
n_steps = int(t_max / dt_sim)
fpt_upper = np.full(n_trajectories, np.nan)
fpt_lower = np.full(n_trajectories, np.nan)
x = np.full(n_trajectories, x0)
sqrt_dt = np.sqrt(dt_sim)
for step in range(n_steps):
t = step * dt_sim
active = np.isnan(fpt_upper) & np.isnan(fpt_lower)
if not active.any():
break
mu = np.array([process.drift(xi, t) for xi in x[active]])
sigma = np.array([process.diffusion(xi, t) for xi in x[active]])
dW = np.random.randn(active.sum()) * sqrt_dt
x[active] += mu * dt_sim + sigma * dW
# Check boundary crossings
hit_upper = active & (x >= process.upper_bound)
hit_lower = active & (x <= process.lower_bound)
fpt_upper[hit_upper] = (step + 1) * dt_sim
fpt_lower[hit_lower] = (step + 1) * dt_sim
return fpt_upper, fpt_lower
- 行擬而算經驗 FPT 分布:
fpt_upper_sim, fpt_lower_sim = simulate_sde(ddm_process, x0=0.75, n_trajectories=50000)
# Empirical statistics
valid_upper = fpt_upper_sim[~np.isnan(fpt_upper_sim)]
valid_lower = fpt_lower_sim[~np.isnan(fpt_lower_sim)]
total_absorbed = len(valid_upper) + len(valid_lower)
accuracy_sim = len(valid_upper) / total_absorbed
print(f"Simulated accuracy: {accuracy_sim:.4f}")
print(f"Mean FPT (upper): {valid_upper.mean():.4f} +/- {valid_upper.std()/np.sqrt(len(valid_upper)):.4f}")
print(f"Mean FPT (lower): {valid_lower.mean():.4f} +/- {valid_lower.std()/np.sqrt(len(valid_lower)):.4f}")
- 比擬於析或數 PDE 解:
fig, ax = plt.subplots(figsize=(10, 6))
# Empirical histogram
ax.hist(valid_upper, bins=100, density=True, alpha=0.5, label="Simulation (upper)")
ax.hist(valid_lower, bins=100, density=True, alpha=0.5, label="Simulation (lower)")
# Analytical solution overlay
t_vals_analytic = np.linspace(0.01, 5.0, 500)
v, a, z = 0.5, 1.5, 0.75
fpt_analytic = [ddm_fpt_upper(t, v, a, z) for t in t_vals_analytic]
ax.plot(t_vals_analytic, fpt_analytic, "k-", linewidth=2, label="Analytic (upper)")
ax.set_xlabel("First-passage time")
ax.set_ylabel("Density")
ax.set_title("FPT Distribution: Simulation vs. Analytic")
ax.legend()
fig.savefig("fpt_validation.png", dpi=150)
- 量法間之合:
from scipy.stats import ks_2samp
# Kolmogorov-Smirnov test between simulated and analytically-derived samples
analytic_cdf = np.cumsum(fpt_analytic) * (t_vals_analytic[1] - t_vals_analytic[0])
sim_sorted = np.sort(valid_upper)
sim_cdf = np.arange(1, len(sim_sorted)+1) / len(sim_sorted)
# Interpolate analytic CDF at simulation quantiles
from scipy.interpolate import interp1d
analytic_interp = interp1d(t_vals_analytic, analytic_cdf, bounds_error=False, fill_value=(0, 1))
max_diff = np.max(np.abs(sim_cdf - analytic_interp(sim_sorted)))
print(f"Max CDF difference (simulation vs. analytic): {max_diff:.4f}")
assert max_diff < 0.05, f"Simulation and analytic FPT differ by {max_diff:.4f} (threshold: 0.05)"
得: 擬之直方近析 FPT 線。5 萬軌 KS 試最大 CDF 差低於 0.05。擬之均 FPT 於析值二標準誤內。
敗則: 若擬違析,先察 Euler-Maruyama 步——dt_sim 宜小使邊穿不漏(試 dt_sim=0.00001)。若析級不收,增 n_terms。非恆係無析解者,比二數法(PDE 求解與擬)互對。
驗
- SDE 規過一致查(漂有限、擴散正、x0 於域內)
- Fokker-Planck 密積分隨時單調降(存活函)
- Fokker-Planck 解無數值疵(振盪、負值)
- FPT 密非負,積分約 1.0 於二邊
- 靈敏析示期之單調關(v 對準、a 對均 FPT)
- 蒙特卡洛擬均 FPT 於 PDE/析解二標準誤內
- 擬與析間 KS 試最大 CDF 差低於 0.05
陷
- Euler-Maruyama 步過大:dt_sim 大致軌越邊,FPT 估偏。用期均 FPT 十分之一或用邊校式
- 析級截過早:DDM 析 FPT 密用無窮級。項少(< 20)致疵,尤短時。至少 50 項且察收
- PDE 求解之數值擴散:一階有限差引人為擴散,寬 FPT 分布。用 Crank-Nicolson 或高階以求準
- 混 Ito 與 Stratonovich:Fokker-Planck 方程依 SDE 約而異。上標式假 Ito 微積。若書為 Stratonovich 則加噪誘漂之校項
- 忽二邊:二邊之題,總吸概必和為 1.0。只報上邊 FPT 而不計下邊致計誤
參
fit-drift-diffusion-model— 應此動力估行為數之參implement-diffusion-network— 生成擴散模離散同 SDE 框write-testthat-tests— 試數值求解與析實create-technical-report— 書擴散析之果
GitHub リポジトリ
関連スキル
llamaguard
その他LlamaGuardは、暴力やヘイトスピーチなど6つの安全性カテゴリーにおいて、LLMの入力と出力をモデレートするMetaの70-80億パラメータモデルです。94〜95%の精度を提供し、vLLM、Hugging Face、Amazon SageMakerを使用してデプロイ可能です。このスキルを使用して、AIアプリケーションにコンテンツフィルタリングと安全策を簡単に統合できます。
cost-optimization
その他このClaudeスキルは、リソースの適正サイジング、タグ付け戦略、支出分析を通じて、開発者がクラウドコストを最適化することを支援します。AWS、Azure、GCPにわたるクラウド支出の削減とコストガバナンスの実施のためのフレームワークを提供します。インフラコストの分析、リソースの適正サイジング、または予算制約への対応が必要な際にご利用ください。
quantizing-models-bitsandbytes
その他このスキルは、bitsandbytesを使用してLLMを8ビットまたは4ビット精度に量子化し、精度の低下を最小限に抑えつつ50〜75%のメモリ削減を実現します。限られたGPUメモリでより大規模なモデルを実行したり、推論を高速化するのに理想的で、INT8、NF4、FP4などのフォーマットをサポートしています。HuggingFace Transformersと統合され、QLoRAトレーニングや8ビットオプティマイザーを可能にします。
dispatching-parallel-agents
その他このClaudeスキルは、複数のエージェントを配備し、3つ以上の独立した問題を並行して調査・修正します。共有状態や依存関係がなく解決可能な、無関係な障害が発生するシナリオ向けに設計されています。中核となる機能は並列問題解決であり、効率を最大化するために独立した問題領域ごとに1つのエージェントを割り当てます。
