对次近邻单向耦合振子的同步研究

【目的】在Kuramoto局域耦合振子平均场模型基础上,探讨在非对称耦合作用下一维闭合环上次近邻Kuramoto相振子的同步动力学行为。【方法】在最近邻单向耦合振子的动力学模型的基础上,建立次近邻单向耦合振子的动力学模型来研究少数耦合极限环系统的行为;通过数值模拟,得出平均频率、系统序参量与耦合强度的关系;通过理论分析少体系统的动力学稳定性。【结果】通过比较文献,证明次近邻单向耦合振子对同步存在影响。当在少数耦合极限环系统下(N≤6),耦合强度大于一定阈值时,所有振子都被同步到平均频率上,序参量随耦合强度的增加而趋于1,而在振子较多(N6)时,在系统同步区域的序参量会出现多定态分支。【结论】一维闭合环上考虑次近邻耦合振子在非对称耦合作用下同步区域呈现多同步定态。非零稳态出现分支现象与耦合振子系统大小有关。     

复杂系统同步的自组织动力学与统计物理学

构建了复杂系统自组织同步行为的一般性序参量理论；讨论了利用Ott-Antonsen拟设等降维方法得到序参量的低维动力学方程，并从微观到宏观的不同层次介绍了复杂系统同步行为的机制、形式以及各种不同表现；探讨了异质耦合振子系统的同步序参量动力学，发现了异质耦合可以导致Bellerophon态.对于高阶网络耦合振子体系，通过研究，发现了突变性的去同步转变，该转变具有不可逆性；探讨了非线性序参量耦合振子系统的同步动力学以及同步附近各种类型的相变及相应序参量的标度性质；确定了集体动力学的突然去同步过渡、连续过渡和混合过渡等3种类型的相变.这些研究对于复杂系统集体行为的深入理解和应用有重要意义.     

复杂网络上的爆炸式同步

耦合振子系统的同步是统计物理和复杂系统研究的重要领域之一.过去几十年的研究表明,该系统中绝大多数同步化相变都是连续相变(二级相变),即序参量通过相变点后连续增长.但是最近发现在某些耦合振子系统中,同步可以表现为爆炸式(一级相变).其特征为序参量通过相变点后出现突然的跃变,并且随耦合强度变化,向前和向后的相变过程不可逆,存在磁滞区.由于爆炸式同步化与连续相变同步化有着本质上的不同,所以这一发现开拓了新方向,具有十分重要的意义.本文综述了这一方向目前的重要成果,主要包括频率和度关联振子系统的爆炸式同步、频率权重Kuramoto模型中的爆炸式同步、拥护者和反对者耦合网络中的爆炸式同步、多层网络上的爆炸式同步,以及爆炸式同步的形成机制和实验验证等.这些工作不仅极大地加深了我们对于复杂系统同步化的认识,促进同步理论的发展,而且能够为将来在相关领域的应用打下基础.     

二维耦合Rossler振子系统在弱耦合下的动力学行为

以Rossler振子为例,讨论了二维耦合混沌振子系统在最近邻耦合作用下的动力学行为,发现在极弱耦合作用下,高维的超混沌态可转变为周期的广义的伸展态,这种自组织行为是由于单个振混沌特性和振子之间的共振作用所产生的。     

吸引与排斥耦合神经元中的稳定幅度奇异态

在耦合振子系统中,表现为具有振幅空间相关性的振子与空间非相关性的振子共存的幅度奇异态与动物半脑睡眠的内在机制密切相关,因其具有初值敏感性和存活时间较短的特点而常被认为是走向系统同步时的过渡态.该文通过在耦合系统中引入吸引与排斥耦合作用,耦合神经元振子系统会随着吸引耦合作用强度的增加从相位奇异态走向稳定的幅度奇异态和死亡奇异态.幅度奇异态的团数随耦合作用半径增加而按幂律关系减小.通过对2个耦合振子分析,发现稳定幅度奇异态的形成机制源于耦合引起的霍普夫分岔而产生振荡中心为一正一负的2个小振幅振荡与原有大振幅振荡的竞争.随着耦合作用的进一步增加,这2个一正一负的小振幅振荡均走向振荡死亡.当耦合半径增加时,它们的竞争最终形成死亡奇异态.     

耦合弹簧振子系统的研究

建立了耦合弹簧振子的动力学方程,通过理论分析得到了耦合弹簧振子系统的解析解,并利用Matlab对其进行数值模拟,作出了系统的运动曲线及相轨迹,从而直观地研究了系统的运动情况.     

4团簇奇异态的移动特性

奇异态是一种包含同步振子区域和非同步振子区域的时空动力学行为,因其对初始条件的敏感性和"存活时间"较短而难以被捕捉到.在本文中,采用随机的初始条件,合适的耦合范围和相移参数,在非局域相位耦合振子系统中发现了缓慢移动的4团簇奇异态.并且同步团簇的移动速度随着系统尺寸的增加呈指数减小的趋势,最后达到稳定的4团簇奇异态.最后,使用Ott-Antonsen分析方法,再现了移动4团簇奇异态的时空动力学行为.     

基于STDP耦合神经元集群同步活动

文章基于依赖峰电位发放时间可塑性(spike timing dependent plasticity,STDP),提出在外部周期刺激和噪声共同作用下全局耦合神经振子集群的相位演化模型,导出了描述神经振子集群整体活动的平均数密度的演化方程。数值模拟结果表明,神经振子集群同步活动的大小取决于STDP耦合机制、外部刺激强度和刺激频率。基于STDP耦合机制的神经振子集群的同步活动要大于无STDP耦合机制的。刺激对神经振子集群同步活动的影响取决于刺激强度和刺激频率。当系统特征频率大约为刺激频率的3倍时,神经振子集群的数密度呈现出周期性振荡行为;在相同的刺激频率下,神经振子集群的同步程度与刺激强度有关,刺激强度在一定范围内越强,同步程度越高。     

磷酸溶液中铜阳极溶解电流混沌的锁相

研究了恒电位下在磷酸溶液中的电流振荡行为,发现2个铜电极的电极间距和恒定电位对耦合电极振荡行为的影响,电极间的耦合作用改变了电极的振荡行为,两电极间呈现有不同相锁定,k/n相锁定和准周期同步,电极间电流振荡锁相,随电极距离的加大而失锁相。实验发现,复杂的耦合作用导致电流振荡中出现了不同形式的锁相,电极间电流振荡的同步由强的耦合所致。     

耦合非线性振子的一些同步行为

本文以耦合Duffing振子为例研究了耦合非线性振子的一些动力学行为;研究表明,在不同的耦合强度情况下,出现不同的动力学特征.随着耦合强度的变化,耦合系统分别进入周期同步和混沌同步状态.     

陶瓷涂层材料多模态数据表征学习

陶瓷涂层具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损等特性, 其热膨胀系数和热导率等参数与其性能息息相关. 为解决陶瓷涂层性能实验成本高、测试困难等问题, 提出了陶瓷涂层材料多模态数据表征学习的性能预测方法. 首先利用高斯混合模型虚拟样本生成(Gaussian mixture model virtual sample generation, GMMVSG)算法生成符合真实陶瓷涂层数据分布的样本来扩充数据集; 其次利用卷积神经网络 VGG16 对陶瓷涂层的显微结构图像数据进行特征提取, 利用 TabNet 对结构化数据进行特征提取, 将提取到的图像数据特征与结构化数据特征融合; 最终根据多模态数据表征建立基于K-最近邻(K-nearest neighbor, KNN)、支持向量机回归(support vector regression, SVR)和多层感知机(multi-layer perceptron, MLP) 3 种机器学习算法的预测模型, 对陶瓷涂层的性能指标, 即热膨胀系数和热导率进行了预测. 实验结果表明: 提出的多模态数据表征学习模型的预测结果要优于单模态数据表征学习模型, 其中基于 MLP 算法训练的多模态数据表征学习模型对陶瓷涂层性能的预测效果最好; 在测试集中, 对陶瓷涂层热膨胀系数预测的平均绝对误差(mean absolute error, MAE)和均方误差(mean square error, MSE)分别为 0.026 6 和 0.001 7, 对热导率预测的 MAE 和 MSE 分别为 0.017 9 和 0.000 7. 所提出的陶瓷涂层材料多模态数据表征学习方法有效融合了结构化数据与非结构化数据, 联合学习了各模态数据的潜在共享信息, 成功提升了对陶瓷涂料层材料性能预测的准确度.     

近邻耦合极限环振子的集体同步

在不忽略极限环振子振幅变化的情况下，考察了具有自然频率分布的极限环振子的最近邻耦合。观察到一些具体现象．适当选择自然频率的范围和耦合强度，通过序参数随时间的周期、准周期和混沌演化，可以看到耦合极限环的频率锁定，振幅死亡和不连贯等现象．通过增大耦合强度，我们同时可以看到相同步的分岔树系列．同时，还可以观察到振子振幅分布的时间演化．     

外部扰动对耦合基因调控系统振荡同步性的影响

用数值模拟的方法研究了平均场耦合基因调控系统振荡同步性.结果表明:通过调节耦合基因调控系统的控制参数可以调控系统的同步性;对处于稳定态和振荡态的系统,噪音的引入都能够增强系统的同步性,且振荡态下噪音的同步性增强效应更明显;耦合系统的异质程度、耦合强度对同步性有重要影响,存在最佳耦合强度使得系统的同步性达到最佳;外信号的引入可以提高系统的同步性.耦合基因调控系统的振荡同步性对外信号的频率变化不敏感.     

一类耦合动态网络的自适应性渐近同步与稳定(英文)

鉴于许多大规模复杂动态网络都显示出某种群体性同步运动,何光明与杨静宇讨论了非线性耦合动态网络的自适应同步,通过运用微分方程中的不变原理建立自协调反馈强度的线性反馈因子,发展了一种促进相关系统同步的方法,并通过数值实验说明了方法的有效性。继续何光明与杨静宇的工作,研究一类具有非均匀耦合强度的非线性耦合动态网络的自适应渐近同步与自适应渐近稳定。给出非线性耦合动态网络自适应渐近同步与自适应渐近稳定的定义,并运用微分方程中的李雅普洛夫方法建立系统实现自适应渐近同步的充分条件与实现自适应渐近稳定的充分条件。最后通过数值实验验证理论。     

典型混沌系统的噪声诱导与增强同步

研究了典型混沌系统在噪声影响下的完全同步问题,包括噪声诱导同步和噪声增强同步两种情形,并以新近提出的Liu混沌系统为例进行了讨论.进一步,本文还在一般的线性耦合框架下,针对混沌系统完全同步问题,详细讨论了噪声强度和耦合强度之间的关系.研究发现:噪声强度和耦合强度两因素对于实现混沌同步均起着积极的作用.数值仿真进一步证明了这一观点.     

混沌系统的双向耦合同步

文章对混沌系统的线性双向耦合同步进行研究，通过选取适当的耦合参数，可以达到混沌系统的全局混沌同步，给出了同步原理．对物理学中的WINDMI系统，采用简单的线性耦合方式，运用双向耦合同步方案，讨论其复杂的混沌同步行为，用Mathematica软件进行仿真实验，理论分析和数值仿真结果都表明了该方法的有效性．     

液面上耦合振子系统的同步模式

利用MATLAB对耦合双节拍器系统模型的动力学方程组进行了数值模拟,发现初始条件决定了系统达到稳态时所呈现的同步模式;探究了液体的黏滞阻力与耦合板的质量对系统同步模式的影响,黏滞阻力的大小与稳态时为反相同步的概率呈正相关关系;耦合板质量与稳态时为反相同步的概率呈负相关关系;在弛豫时间方面,发现同相同步比反相同步的平均弛豫时间更慢;在实验上,搭建液面上的耦合振子系统,使用水、质量分数为10%的盐水和食用油3种黏滞系数不同的液体进行实验,定性地得到了与数值模拟一致的结果.     

用外加周期信号控制时空混沌中的相同步

以一维驱动非线性漂移波方程为模型,研究了利用外加周期信号成功地对时空混沌进行非反馈控制过程中的相同步.在驱动波坐标系中,系统可以被变换成一组在周期势中运动的耦合振子(模式),这些模式通过相同步被控制信号逐一控制.研究发现,内部模式对外加周期信号的响应方式有2种;一些模式表现出锁频,另一些模式则观察到了一种特殊的无锁频的相同步.