Van der Pol oscillator
При изучении динамических систем генератор Ван дер Поля (названный в честь голландского физика ван дер Поля ) представляет собой неконсервативную колебательную систему Бальтазара с нелинейным затуханием . Оно развивается во времени согласно дифференциальному уравнению второго порядка


История [ править ]
Генератор Ван дер Поля был первоначально предложен голландским инженером-электриком и физиком Бальтазаром ван дер Полем, когда он работал в компании Philips . [2] Ван дер Поль обнаружил устойчивые колебания. [3] которые он впоследствии назвал релаксационными колебаниями [4] и теперь известны как тип предельного цикла в электрических цепях, использующих электронные лампы . Когда эти цепи работают вблизи предельного цикла , они увлекаются , то есть управляющий сигнал тянет за собой ток. Ван дер Поль и его коллега ван дер Марк сообщили в сентябрьском номере журнала Nature привода за 1927 год, что на определенных частотах был слышен нерегулярный шум : [5] который позже оказался результатом детерминированного хаоса . [6]
Уравнение Ван дер Поля имеет долгую историю использования как в физических , так и в биологических науках . Например, в биологии Фитцхью [7] и Нагумо [8] уравнение в плоском поле как модель потенциалов действия нейронов расширил . Уравнение также использовалось в сейсмологии для моделирования двух плит в геологическом разломе . [9] и в исследованиях фонации для моделирования генераторов правой и левой голосовых связок . [10]
Двумерная форма [ править ]
Теорему Льенара можно использовать для доказательства того, что система имеет предельный цикл. Применение преобразования Льенара , где точка указывает производную по времени, генератор Ван дер Поля можно записать в двумерной форме: [11]
- .
Другая часто используемая форма, основанная на преобразовании приводит к:
- .
Результаты для невынужденного осциллятора [ править ]

- Когда µ = 0 , т.е. функция демпфирования отсутствует, уравнение принимает вид Это разновидность простого гармонического осциллятора , в котором всегда сохраняется энергия .
- Когда µ > 0 , все начальные условия сходятся к глобально уникальному предельному циклу. Рядом с источником система неустойчива и вдали от начала координат система затухает.
- Осциллятор Ван дер Поля не имеет точного аналитического решения. [13] Однако такое решение существует для предельного цикла, если f ( x ) в уравнении Льенара является постоянной кусочной функцией.
- Период при малых μ имеет серийное разложение См . главу 10 книги. метод Пуанкаре – Линдстедта. Для вывода до порядка 2 см. [14] для вывода до порядка 3, и [15] для численного вывода до порядка 164.
- При больших ц поведение осциллятора имеет цикл медленного нарастания и быстрого ослабления (цикл нарастания и снятия напряжения, то есть релаксационные колебания ). Это легче всего увидеть в виде В этой форме осциллятор завершает один цикл следующим образом:
- Медленно поднимаясь по правой ветви кубической кривой. от (2, –2/3) до (1, 2/3) .
- Быстрое движение к левой ветви кубической кривой от (1, 2/3) к (–2, 2/3) .
- Повторите два шага на левой ветке.
- Ведущий член периода цикла обусловлен медленными восходящими и нисходящими темпами, которые можно рассчитать как: Высшие порядки периода циклагде α ≈ 2,338 — наименьший корень из Ai(– α ) = 0 , где Ai — функция Эйри . (раздел 9.7 [16] ) ( [17] имеет опечатку от 3α содержит до 2α вывод, но .)
- Амплитуда цикла [18]
Бифуркация Хопфа [ править ]
Когда μ перемещается от меньшего нуля к большему нуля, спиральный сток в начале становится спиральным источником, и «неожиданно» появляется предельный цикл с радиусом два. Это связано с тем, что переход не является общим: когда ε = 0 , дифференциальное уравнение становится линейным, а начало координат становится круговым узлом.
Зная, что при бифуркации Хопфа предельный цикл должен иметь размер мы можем попытаться преобразовать это в бифуркацию Хопфа, используя замену переменных что дает
Ван дер Поля осциллятора для Гамильтониан

Можно также написать независимый от времени гамильтонов формализм для осциллятора Ван дер Поля, дополнив его до четырехмерной автономной динамической системы с использованием вспомогательного нелинейного дифференциального уравнения второго порядка следующим образом:
Обратите внимание, что на динамику исходного осциллятора Ван дер Поля не влияет односторонняя связь между временными изменениями переменных x и y . гамильтониан H для этой системы уравнений равен Можно показать, что [20]
где и — сопряженные импульсы , соответствующие x и y соответственно. В принципе это может привести к квантованию генератора Ван дер Поля. Такой гамильтониан также связывает [21] геометрическая фаза системы предельного цикла, имеющая параметры, зависящие от времени, с углом Ханнея соответствующей гамильтоновой системы.
квантовый осциллятор [ править ]
Квантовый осциллятор Ван дер Поля, который является квантовомеханической версией классического осциллятора Ван дер Поля, был предложен с использованием уравнения Линдблада для изучения его квантовой динамики и квантовой синхронизации . [22] Обратите внимание, что приведенный выше гамильтонов подход со вспомогательным уравнением второго порядка дает неограниченные траектории в фазовом пространстве и, следовательно, не может использоваться для квантования осциллятора Ван дер Поля. В пределе слабой нелинейности (т.е. µ→ 0) осциллятор Ван дер Поля сводится к уравнению Стюарта – Ландау . Уравнение Стюарта–Ландау фактически описывает целый класс осцилляторов предельного цикла в слабонелинейном пределе. Форма классического уравнения Стюарта-Ландау намного проще и, что, возможно, неудивительно, может быть квантована с помощью уравнения Линдблада, которое также проще, чем уравнение Линдблада для осциллятора Ван дер Поля. Квантовая модель Стюарта – Ландау сыграла важную роль в изучении квантовой синхронизации. [23] [24] (где его часто называют осциллятором Ван дер Поля, хотя его нельзя однозначно связать с осциллятором Ван дер Поля). Связь между классической моделью Стюарта – Ландау ( ц → 0) и более общими осцилляторами предельного цикла (произвольный ц ) также была продемонстрирована численно в соответствующих квантовых моделях. [22]
Forced Van der Pol oscillator [ edit ]

Вынужденный или управляемый генератор Ван дер Поля берет «исходную» функцию и добавляет движущую функцию A sin( ωt ), чтобы получить дифференциальное уравнение вида:
где A — амплитуда или смещение волновой функции , а ω — ее угловая скорость .
культура Популярная

Автор Джеймс Глейк описал ламповый генератор Ван дер Поля в своей книге 1987 года «Хаос: создание новой науки» . [26] Согласно статье New York Times , [27] Глейк получил современный электронный генератор Ван дер Поля от читателя в 1988 году.
См. также [ править ]
- Мэри Картрайт , британский математик, одна из первых, кто изучил теорию детерминированного хаоса, в частности, применительно к этому осциллятору. [28]
Ссылки [ править ]
- ^ Хейтманн, С., Брейкспир, М (2017–2022) Набор инструментов для динамики мозга. bdtoolbox.org doi.org/10.5281/zenodo.5625923
- ^ Картрайт, ML (1960). «Бальтазар Ван Дер Поль» . Журнал Лондонского математического общества . с1-35(3). Уайли: 367–376. дои : 10.1112/jlms/s1-35.3.367 . ISSN 0024-6107 .
- ^ Б. ван дер Пол: «Теория амплитуды свободных и вынужденных колебаний триода», Radio Review (позже Wireless World) 1 701–710 (1920)
- ^ ван дер Пол, Балт. (1926). «О «релаксации-колебаниях» ». Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал и научный журнал . 2 (11). Информа UK Limited: 978–992. дои : 10.1080/14786442608564127 . ISSN 1941-5982 .
- ^ ВАН ДЕР ПОЛ, БАЛТ; ВАН ДЕР МАРК, Дж. (1927). «Деммножение частоты». Природа . 120 (3019). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 363–364. Бибкод : 1927Natur.120..363V . дои : 10.1038/120363a0 . ISSN 0028-0836 . S2CID 186244992 .
- ^ Канамару, Т., «Осциллятор Ван дер Поля» , Scholarpedia , 2 (1), 2202, (2007).
- ^ ФитцХью, Ричард (1961). «Импульсы и физиологические состояния в теоретических моделях нервной мембраны» . Биофизический журнал . 1 (6). Эльзевир Б.В.: 445–466. Бибкод : 1961BpJ.....1..445F . дои : 10.1016/s0006-3495(61)86902-6 . ISSN 0006-3495 . ПМЦ 1366333 . ПМИД 19431309 .
- ^ Нагумо, Дж.; Аримото, С.; Ёсидзава, С. (1962). «Активная линия передачи импульсов, имитирующая нервный аксон». Труды ИРЭ . 50 (10). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 2061–2070. дои : 10.1109/jrproc.1962.288235 . ISSN 0096-8390 . S2CID 51648050 .
- ^ Картрайт, Джулиан HE ; Эгилуз, Виктор М.; Эрнандес-Гарсия, Эмилио; Пиро, Оресте (1999). «Динамика упругих возбудимых сред». Международный журнал бифуркации и хаоса . 09 (11): 2197–2202. arXiv : чао-дин/9905035 . Бибкод : 1999IJBC....9.2197C . дои : 10.1142/s0218127499001620 . ISSN 0218-1274 . S2CID 9120223 .
- ^ Лусеро, Хорхе К.; Шентген, Жан (2013). Моделирование асимметрии голосовых связок с помощью связанных осцилляторов Ван дер Поля . Материалы совещаний по акустике. Том. 19. с. 060165. дои : 10.1121/1.4798467 . ISSN 1939-800Х .
- ^ Каплан Д. и Гласс Л., Понимание нелинейной динамики , Springer, 240–244, (1995).
- ^ Гримшоу, Р., Нелинейные обыкновенные дифференциальные уравнения , CRC Press , 153–163, (1993), ISBN 0-8493-8607-1 .
- ^ Панайотунакос, Делавэр; Панайотунаку, Северная Дакота; Вакакис, А.Ф. (1 сентября 2003 г.). «Об отсутствии аналитического решения осциллятора Ван дер Поля». ЗАММ . 83 (9). Уайли: 611–615. Бибкод : 2003ЗаММ...83..611П . дои : 10.1002/zamm.200310040 . ISSN 0044-2267 . S2CID 120504403 .
- ^ Ферхюльст, Фердинанд (1996). Нелинейные дифференциальные уравнения и динамические системы . Университеттекст. Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg. дои : 10.1007/978-3-642-61453-8 . ISBN 978-3-540-60934-6 .
- ^ Андерсен, CM; Гир, Джеймс Ф. (июнь 1982 г.). «Разложение в степенной ряд для частоты и периода предельного цикла уравнения Ван дер Поля» . SIAM Journal по прикладной математике . 42 (3): 678–693. дои : 10.1137/0142047 . ISSN 0036-1399 .
- ^ Бендер, Карл М. (1999). Перспективные математические методы для ученых и инженеров I: асимптотические методы и теория возмущений . Стивен А. Орзаг. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк. ISBN 978-1-4757-3069-2 . ОСЛК 851704808 .
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) - ^ Гримшоу, Р. (1993). Нелинейные обыкновенные дифференциальные уравнения . Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. стр. 161–163. ISBN 0-8493-8607-1 . OCLC 28275539 .
- ^ Зонневельд, Дж. А. (1966). «Периодические решения уравнения Ван дер Поля» . Indagationes Mathematicae (Труды) . 69 : 620–622. дои : 10.1016/s1385-7258(69)50068-x . ISSN 1385-7258 .
- ^ Строгац, Стивен (2019). «Пример 8.4.1». Нелинейная динамика и хаос: с приложениями к физике, биологии, химии и технике (2-е изд.). Бока Ратон. ISBN 978-0-367-09206-1 . OCLC 1112373147 .
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) - ^ Шах, Тирт; Чаттопадхьяй, Рохиташва; Вайдья, Кедар; Чакраборти, Сагар (2015). «Консервативная теория возмущений для неконсервативных систем» . Физический обзор E . 92 (6): 062927. arXiv : 1512.06758 . Бибкод : 2015PhRvE..92f2927S . дои : 10.1103/physreve.92.062927 . ПМИД 26764794 . S2CID 14930486 .
- ^ Чаттопадхьяй, Рохиташва; Шах, Тирт; Чакраборти, Сагар (2018). «Нахождение угла Ханнея в диссипативных колебательных системах с помощью консервативной теории возмущений» . Физический обзор E . 97 (6): 062209. arXiv : 1610.05218 . Бибкод : 2018PhRvE..97f2209C . дои : 10.1103/PhysRevE.97.062209 . ПМИД 30011548 . S2CID 51635019 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Чиа, А.; Квек, LC; Но, К. (16 октября 2020 г.). «Релаксационные колебания и унос частоты в квантовой механике». Физический обзор E . 102 (4): 042213. arXiv : 1711.07376 . Бибкод : 2020PhRvE.102d2213C . дои : 10.1103/physreve.102.042213 . ISSN 2470-0045 . ПМИД 33212685 . S2CID 224801468 .
- ^ Уолтер, Стефан; Нунненкамп, Андреас; Брудер, Кристоф (6 марта 2014 г.). «Квантовая синхронизация ведомого автогенератора». Письма о физических отзывах . 112 (9): 094102. arXiv : 1307.7044 . Бибкод : 2014PhRvL.112i4102W . дои : 10.1103/physrevlett.112.094102 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 24655255 . S2CID 7950471 .
- ^ Ли, Тони Э.; Садегпур, HR (4 декабря 2013 г.). «Квантовая синхронизация квантовых осцилляторов Ван дер Поля с захваченными ионами». Письма о физических отзывах . 111 (23): 234101. arXiv : 1306.6359 . Бибкод : 2013PhRvL.111w4101L . дои : 10.1103/physrevlett.111.234101 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 24476274 . S2CID 33622111 .
- ^ К. Томита (1986): «Периодически вынужденные нелинейные генераторы». В: Хаос , Ред. Арун В. Холден. Издательство Манчестерского университета, ISBN 0719018110 , стр. 213–214.
- ^ Глейк, Джеймс (1987). Хаос: создание новой науки . Нью-Йорк: Книги Пингвина. стр. 41–43. ISBN 0-14-009250-1 .
- ^ Колман, Дэвид (11 июля 2011 г.). «Нет тишины без шума» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 11 июля 2011 г.
- ^ Картрайт, ML ; Литтлвуд, Дж. Э. (1945). «О нелинейных дифференциальных уравнениях второго порядка: I. Уравнение y¨ − k (1-y 2 )y˙ + y = b λk cos(λl + α), k Large». Журнал Лондонского математического общества . с1-20 (3). Уайли: 180–189. дои : 10.1112/jlms/s1-20.3.180 . ISSN 0024-6107 .
Внешние ссылки [ править ]
- «Уравнение Ван дер Поля» , Математическая энциклопедия , EMS Press , 2001 [1994]
- Осциллятор Ван дер Поля в Scholarpedia
- Интерактивные демонстрации осциллятора Ван дер Поля, заархивированные 14 февраля 2017 г. на Wayback Machine