Statistical optimization for passive scalar transport: maximum entropy production vs maximum Kolmogorov-Sinay entropy

We derive rigorous results on the link between the principle of maximum entropy production and the principle of maximum Kolmogorov-Sinai entropy using a Markov model of the passive scalar diffusion called the Zero Range Process. We show analytically that both the entropy production and the Kolmogorov-Sinai entropy seen as functions of f admit a unique maximum denoted fmaxEP and fmaxKS. The behavior of these two maxima is explored as a function of the system disequilibrium and the system resolution N. The main result of this article is that fmaxEP and fmaxKS have the same Taylor expansion at _rst order in the deviation of equilibrium. We find that fmaxEP hardly depends on N whereas fmaxKS depends strongly on N. In particular, for a fixed difference of potential between the reservoirs, fmaxEP (N) tends towards a non-zero value, while fmaxKS (N) tends to 0 when N goes to infinity. For values of N typical of that adopted by Paltridge and climatologists we show that fmaxEP and fmaxKS coincide even far from equilibrium. Finally, we show that one can find an optimal resolution N_ such that fmaxEP and fmaxKS coincide, at least up to a second order parameter proportional to the non-equilibrium uxes imposed to the boundaries.Comment: Nonlinear Processes in Geophysics (2015

Vers une compréhension du principe de maximisation de production d'entropie

In this thesis we try to understand why the maximum entropy production principlegives really good results in a wide range of Physics fields and notably in climatology. Thus we study this principle on classical toy models which mimic the behaviour of climat models. In particular we worked on the Asymmetric Simple Exclusion Process(ASEP) and on the Zero Range Process (ZRP). This enabled us first to connect MEP to an other principle which is the maximum Kolmogorov-Sinaï entropy principle (MKS). Moreover the application of MEP on these systems gives results that are physically coherent. We then wanted to extend this link between MEP and MKS in more complicated systems, before showing that, for Markov Chains, maximise the KS entropy is the same as minimise the time the system takes to reach its stationnary state (mixing time). Thus, we applied MEP to the atmospheric convection.Dans cette thèse nous essayons de comprendre pourquoi le Principe de Maximisation de Production d'Entropie (MEP) donne de très bons résultats dans de nombreux domaines de la physique hors équilibre et notamment en climatologie. Pour ce faire nous étudions ce principe sur des systèmes jouets de la physique statistique qui reproduisent les comportements des modèles climatiques. Nous avons notamment travaillé sur l'Asymmetric Simple Exclusion Process (ASEP) et le Zero Range Process (ZRP). Ceci nous a permis tout d'abord de relier MEP à un autre principe qui est le principe de maximisation d'entropie de Kolmogorov-Sinai (MKS). De plus, l'application de MEP à ces systèmes jouets donne des résultats physiquement cohérents. Nous avons ensuite voulu étendre le lien entre MEP et MKS dans des systèmes plus compliqués avant de montrer que, pour les chaines de Markov, maximiser l'entropie de KS revenait à minimiser le temps que le système prend pour atteindre son état stationnaire (mixing time). En fin nous avons appliqué MEP à la convection atmosphérique

Towards an understanding of the maximum entropy production principle

Dans cette thèse nous essayons de comprendre pourquoi le Principe de Maximisation de Production d'Entropie (MEP) donne de très bons résultats dans de nombreux domaines de la physique hors équilibre et notamment en climatologie. Pour ce faire nous étudions ce principe sur des systèmes jouets de la physique statistique qui reproduisent les comportements des modèles climatiques. Nous avons notamment travaillé sur l'Asymmetric Simple Exclusion Process (ASEP) et le Zero Range Process (ZRP). Ceci nous a permis tout d'abord de relier MEP à un autre principe qui est le principe de maximisation d'entropie de Kolmogorov-Sinai (MKS). De plus, l'application de MEP à ces systèmes jouets donne des résultats physiquement cohérents. Nous avons ensuite voulu étendre le lien entre MEP et MKS dans des systèmes plus compliqués avant de montrer que, pour les chaines de Markov, maximiser l'entropie de KS revenait à minimiser le temps que le système prend pour atteindre son état stationnaire (mixing time). En fin nous avons appliqué MEP à la convection atmosphérique.In this thesis we try to understand why the maximum entropy production principlegives really good results in a wide range of Physics fields and notably in climatology. Thus we study this principle on classical toy models which mimic the behaviour of climat models. In particular we worked on the Asymmetric Simple Exclusion Process(ASEP) and on the Zero Range Process (ZRP). This enabled us first to connect MEP to an other principle which is the maximum Kolmogorov-Sinaï entropy principle (MKS). Moreover the application of MEP on these systems gives results that are physically coherent. We then wanted to extend this link between MEP and MKS in more complicated systems, before showing that, for Markov Chains, maximise the KS entropy is the same as minimise the time the system takes to reach its stationnary state (mixing time). Thus, we applied MEP to the atmospheric convection

A non-equilibrium Ising model of turbulence

International audienc

Maximum Entropy Production vs. Kolmogorov-Sinai Entropy in a Constrained ASEP Model

International audienceThe asymmetric simple exclusion process (ASEP) has become a paradigmatic toy-model of a non-equilibrium system, and much effort has been made in the past decades to compute exactly its statistics for given dynamical rules. Here, a different approach is developed; analogously to the equilibrium situation, we consider that the dynamical rules are not exactly known. Allowing for the transition rate to vary, we show that the dynamical rules that maximize the entropy production and those that maximise the rate of variation of the dynamical entropy, known as the Kolmogorov-Sinai entropy coincide with good accuracy. We study the dependence of this agreement on the size of the system and the couplings with the reservoirs, for the original ASEP and a variant with Langmuir kinetics