Jump to content

Van der Pol oscillator

(Перенаправлено из уравнения Ван дер Поля )

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 где x положения — координата , которая является функцией времени t , а μ скалярный параметр, указывающий нелинейность и силу демпфирования.

Duration: 11 seconds.
осциллятора Ван дер Поля Фазовый график , где значение μ варьируется от 0,1 до 3,0. Зеленые линии — это линии x - nullclines .
Duration: 10 seconds.
Тот же фазовый график осциллятора, но с преобразованием Льенара .
Осциллятор Ван дер Поля, смоделированный с помощью Brain Dynamics Toolbox [1]
Эволюция предельного цикла на фазовой плоскости . Предельный цикл начинается с круга и с изменением ц становится все более острым. Пример релаксационного генератора .

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 был признан 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 плоского поля 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

[ редактировать ]

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

[ редактировать ]
Релаксационные колебания в генераторе Ван дер Поля без внешнего воздействия. Параметр нелинейного демпфирования равен µ = 5 .

[12]

  • 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 цикла где α ≈ 2,338 — наименьший корень из Ai(– α ) = 0 , где Ai функция Эйри . (раздел 9.7 [16] ) ( [17] содержит вывод, но имеет опечатку от 3 α до 2 α .) Это вывел Анатолий Дородницын . [18] [19]
  • Амплитуда цикла [20]

бифуркация Хопфа

[ редактировать ]

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 Это действительно бифуркация Хопфа. [21]

Гамильтониан для осциллятора Ван дер Поля

[ редактировать ]
Случайно выбранные начальные условия притягиваются к устойчивой орбите.

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 [22]

где и сопряженные импульсы , соответствующие x и y соответственно. В принципе это может привести к квантованию генератора Ван дер Поля. Такой гамильтониан также связывает [23] геометрическая фаза системы предельного цикла, имеющая параметры, зависящие от времени, с углом Ханнея соответствующей гамильтоновой системы.

Квантовый осциллятор

[ редактировать ]

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 . [24] 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. [25] [26] (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. [24]

Forced Van der Pol oscillator

[ редактировать ]
Хаотическое поведение генератора Ван дер Поля с синусоидальным воздействием. Параметр нелинейного демпфирования равен µ = 8,53 , а воздействие имеет амплитуду A = 1,2 и угловую частоту ω = 2π/10 .

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 .

[ редактировать ]
Электрическая схема с использованием триода , образующая вынужденный генератор Ван дер Поля. [27] Схема содержит: триод, резистор R , конденсатор C связанный набор индуктивностей с собственной индуктивностью L и взаимной индуктивностью M. , В последовательной RLC-цепи имеется ток i триода , а в сторону анода ») ток i a имеется напряжение ug (« обкладки триодом , при этом на сетке управления . Генератор Ван дер Поля приводится в действие источником переменного напряжения E s .

Автор Джеймс Глейк описал ламповый генератор Ван дер Поля в своей книге 1987 года «Хаос: создание новой науки» . [28] Согласно статье New York Times , [29] Глейк получил современный электронный генератор Ван дер Поля от читателя в 1988 году.

См. также

[ редактировать ]
  • Мэри Картрайт , британский математик, одна из первых, кто изучил теорию детерминированного хаоса, в частности, применительно к этому осциллятору. [30]
  1. ^ Хейтманн, С., Брейкспир, М (2017–2022) Набор инструментов для динамики мозга. bdtoolbox.org doi.org/10.5281/zenodo.5625923
  2. ^ 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 .
  3. ^ Б. ван дер Пол: «Теория амплитуды свободных и вынужденных колебаний триода», Radio Review (позже Wireless World) 1 701–710 (1920)
  4. ^ 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 .
  5. ^ 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 .
  6. ^ Канамару, Т., «Осциллятор Ван дер Поля» , Scholarpedia , 2 (1), 2202, (2007).
  7. ^ 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 .
  8. ^ 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 .
  9. ^ 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 .
  10. ^ 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 .
  11. ^ Каплан Д. и Гласс Л., Понимание нелинейной динамики , Springer, 240–244, (1995).
  12. ^ Гримшоу, Р., Нелинейные обыкновенные дифференциальные уравнения , CRC Press , 153–163, (1993), ISBN   0-8493-8607-1 .
  13. ^ 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 .
  14. ^ 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 .
  15. ^ 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 .
  16. ^ 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 )
  17. ^ Гримшоу, Р. (1993). Нелинейные обыкновенные дифференциальные уравнения . Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. стр. 161–163. ISBN  0-8493-8607-1 . OCLC   28275539 .
  18. ^ А, Дородницын А. (1947). «Асимптотическое решение уравнения Ван дер Поля» . Прикл. Мат. Мех. (на русском языке). 11 : 313–328.
  19. ^ Дородницын А.А. Асимптотическое решение уравнения Ван дер Поля . Исследовательская библиотека НИСТ. Национальное бюро стандартов.
  20. ^ 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 .
  21. ^ 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 )
  22. ^ 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 .
  23. ^ 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 .
  24. ^ Jump up to: 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 .
  25. ^ 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 .
  26. ^ 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 .
  27. ^ К. Томита (1986): «Периодически вынужденные нелинейные генераторы». В: Хаос , Ред. Арун В. Холден. Издательство Манчестерского университета, ISBN   0719018110 , стр. 213–214.
  28. ^ Глейк, Джеймс (1987). Хаос: создание новой науки . Нью-Йорк: Книги Пингвина. стр. 41–43. ISBN  0-14-009250-1 .
  29. ^ Колман, Дэвид (11 июля 2011 г.). «Нет тишины без шума» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 11 июля 2011 г.
  30. ^ 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 .
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: bdbb0fe2c10573e9ace60fd386fca099__1719107400
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/bd/99/bdbb0fe2c10573e9ace60fd386fca099.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Van der Pol oscillator - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)