藏本模型

藏本模型(Kuramoto model)是一種用來描述大量耦合振子同步行為的數學模型,由日本物理學家藏本由紀(蔵本 由紀 Kuramoto Yoshiki)首先提出。這個模型原本是為了描述化學振子、生物振子而構建,後發現具有廣泛的套用。

這個模型假設,所有振子都是完全相同的,相互之間的耦合很弱、並且任意兩個振子之間的相互作用強度取決於它們相位差的正弦。

定義

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在藏本模型最常見的版本中,每個振子都有一個固有的自然頻率 ,並與所有其它振子以相同的強度耦合。驚人的是,在 的極限下,通過巧妙的變換並使用平均場方法,這個完全非線性的模型是可以精確求解的。

這個模型最常見的形式由以下方程組給出:

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。系統由 個極限環振子組成, 是第 個振子的相位, 是耦合強度。

也可以在系統中加入噪聲。這種情況下,方程變為

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其中 是漲落,並且是時間的函式。

變換

定義序參量

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表征了這群振子的相位相關性, 是平均相位。方程可以改寫為

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這樣振子的方程組就不是顯式耦合的,相反,序參量支配了系統的行為。

大N極限

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考慮 的情況。自然頻率的分布記為 ,設在時刻 ,在所有自然頻率為 的振子中,相位為 的振子所占比例為 。歸一化要求

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振子密度的連續性方程為

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其中 是振子的游移速度。在連續極限下重新寫出序參量

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所有振子隨機漂移的不相關態對應均勻分布解 。這種情況 ,振子之間沒有關聯。系統整體處於統計穩定的狀態,儘管每個振子單獨來看都在以自然頻率不停運動。

當耦合足夠強時,可能會出現完全同步的解。在完全同步態中,所有振子以相同頻率運動,但相位可以不同。

部分同步是只有一些振子同步,而另一些振子自由漂移的狀態。對鎖相的振子

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對漂移的振子

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與哈密頓系統的聯繫

耗散的藏本模型包含在某些保守的哈密頓系統中,哈密頓量具有形式:

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用正則變換變成作用量-角度的形式,作用量為 ,角度(相位) ,在作用量 為常數的不變流形上就是藏本動力學。變換後的哈密頓量

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哈密頓運動方程為

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因為 ,所以 確定的流形是不變的。並且相位動力學 就是藏本模型的動力學。

模型的變體

模型有兩種類型的變體,一種改變模型的拓撲結構,另一種改變耦合函式的形式。

改變拓撲

除了具有全連拓撲的原始模型,足夠稠密的複雜網路拓撲也可以用同樣的平均場處理。而對於局域的行為,例如鏈形或環形網路上的情況,不能再使用經典的平均場方法,所以只能具體問題具體分析,儘可能利用對稱性獲取解的信息。

改變相位的相互作用

藏本把兩個振子之間的相位相互作用用第1個傅立葉分量來近似。通過把高階傅立葉分量包括進來,可以得到更好的近似。高階項的引入也能帶來有趣的同步現象,例如異宿環、部分同步態、以及奇美拉態。

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