[ تعرٌف على ] نموذج كوراموتو # أخر تحديث اليوم 2024/05/23

تم النشر اليوم 2024/05/23 | نموذج كوراموتو

التعريف

نموذج كوراموتو في وصف حالات التزامن الكامل عند ثابت إقتران K=12، وتزامن جزئي عند ثابت K=6، وحالة عشوائية لمذبذبات ليس بينها أي تزامن عند ثابت K=1.
في الصيغة الأكثر إنتشارًا من نموذج كوراموتو، يفترض أن كل واحد من المذبذبات يمتلك تردد طبيعي (
ω i
{displaystyle omega _{i}} ) خاص به ويقترن مع المذبذبات الأخرى بشكل متساوي، والمفاجئ أن هذا النموذج الغير خطي كليًا يمكن حله لعدد غير محدود من المذبذبات ( N
→
∞
{textstyle Nrightarrow infty } )؛ بدلًا من ذلك يمكن استعمال الأجزاء ذاتية الإرتباط للحصول على حلول الحالة المستقرة لمعامل الرتبة. الصيغة الأكثر شعبية من معادلة النموذج لنظام يتكون من N
{displaystyle N} من المذبذبات الدائرية بأطوار (
θ i
{displaystyle theta _{i}} ) وثابت إقتران ( K
{displaystyle K} ) تأخذ الشكل:
d θ i
d
t = ω i
+
K
N ∑ j
=
1
N
sin
⁡
( θ j
− θ i
)
, i
=
1
…
N
{displaystyle {frac {dtheta _{i}}{dt}}=omega _{i}+{frac {K}{N}}sum _{j=1}^{N}sin(theta _{j}-theta _{i}),qquad i=1ldots N} يمكن إضافة تأثير الضجيج إلى النظام لتصبح المعادلة بالشكل التالي:
d θ i
d
t = ω i
+ ζ i
+ K
N
∑ j
=
1
N
sin
⁡
( θ j
− θ i
)
{displaystyle {frac {dtheta _{i}}{dt}}=omega _{i}+zeta _{i}+{dfrac {K}{N}}sum _{j=1}^{N}sin(theta _{j}-theta _{i})} حيث أن (
ζ i
{displaystyle zeta _{i}} ) تشير إلى التقلبات وهي دالة للزمن، على إفتراض أن الضجيج أبيض، عندها تكون: ⟨ ζ i
(
t
)
⟩
=
0
{displaystyle langle zeta _{i}(t)rangle =0} ⟨ ζ i
(
t
) ζ j
( t
′ )
⟩
=
2
D δ i
j
δ
(
t
− t
′ )
{displaystyle langle zeta _{i}(t)zeta _{j}(t’)rangle =2Ddelta _{ij}delta (t-t’)} هنا ( D
{displaystyle D} ) تمثل قوة الضجيج.

الحلول

الحالة غير المتشاكهة التي تكون فيها جميع المذبذبات تنجرف بشكل عشوائي تتوافق مع الحل ρ
=
1 / (
2
π
)
{displaystyle rho =1/(2pi )} ، هنا تكون ( r
=
0
{displaystyle r=0} ) مما يعدي عدم وجود أي تشاكه بين المذبذبات جميعها حيث تتوزع بشكل غير منتظم على كل الأطوار المتوفرة وتكون بحالة ثابتة إحصائيًا (على الرغم من أن كل واحد من المذبذبات يستمر بتغيير طوره وفقًا للتردد الطبيعي ω
{displaystyle omega } ). عندما يكون ثابت الإقتران ( K
{displaystyle K} ) قويًا بما فيه الكفاية من الممكن إيجاد حالة تزامن تامة، تتشارك فيها كل المذبذبات بتردد عام فيما بينهما، حتى وإن كانت أطوارها مختلفة. أما الحل لحالة التزامن الجزئي يؤدي إلى ظهور وضع تكون فيه بعض المذبذبات فقط في حالة تزامن، والمذبذبات الأخرى تنجرف بغير تشاكه. ورياضيًا يتم وصف الحالة للمذبذبات المتوافقة بالصيغة: ρ
=
δ ( θ
−
ψ
−
arcsin
⁡ (
ω K
r )
) {displaystyle rho =delta left(theta -psi -arcsin left({frac {omega }{Kr}}right)right)} وللمذبذبات المنجرفة: ρ
= n
o
r
m
a
l
i
z
a
t
i
o
n c
o
n
s
t
a
n
t
(
ω
−
K
r
sin
⁡
(
θ
−
ψ
)
) {displaystyle rho ={frac {rm {normalization;constant}}{(omega -Krsin(theta -psi ))}}} حيث يحدث الإنقطاع عند
| ω | <
K
r
{displaystyle |omega |<Kr} .

ربطه مع الانظمة الهاملتونية

في الأنظمة الهاملتونية المحافظة يمكن ربط نموذج كوراموتو والدالة الهامتونية، بالصيغة التالية: H
( q 1
,
…
, q N
, p 1
,
…
, p N
)
= ∑ i
=
1
N ω i
2
( q i
2
+ p i
2
)
+
K 4
N
∑ i
,
j
=
1
N
( q i p j
− q j p i
)
( q j
2
+ p j
2
− q i
2
− p i
2
)
{displaystyle {mathcal {H}}(q_{1},ldots ,q_{N},p_{1},ldots ,p_{N})=sum _{i=1}^{N}{frac {omega _{i}}{2}}(q_{i}^{2}+p_{i}^{2})+{frac {K}{4N}}sum _{i,j=1}^{N}(q_{i}p_{j}-q_{j}p_{i})(q_{j}^{2}+p_{j}^{2}-q_{i}^{2}-p_{i}^{2})} بعد إجراء تحويلات قانونية لمتغيرات زاوية التأثير بشكل
I i
= (
q i
2
+ p i
2 )
/ 2
{displaystyle I_{i}=left(q_{i}^{2}+p_{i}^{2}right)/2} وزوايا الطور
ϕ i
= a
r
c
t
a
n
(
q i /
p i ) {displaystyle phi _{i}=mathrm {arctan} left(q_{i}/p_{i}right)} ، يمكن إحتواء ديناميكيات كوراموتو ضمن متعددات شعب لا متغيرة بثابت يكافئ
I i
≡
I
{displaystyle I_{i}equiv I} ، ويكون الهاملتوني بعد التحويل:
H
′ ( I 1
,
… I N
, ϕ 1
…
, ϕ N
)
= ∑ i
=
1
N ω i I i
−
K
N ∑ i
=
1
N ∑ j
=
1
N I j I i
( I j
− I i
)
sin
⁡
( ϕ j
− ϕ i
)
,
{displaystyle {mathcal {H’}}(I_{1},ldots I_{N},phi _{1}ldots ,phi _{N})=sum _{i=1}^{N}omega _{i}I_{i}-{frac {K}{N}}sum _{i=1}^{N}sum _{j=1}^{N}{sqrt {I_{j}I_{i}}}(I_{j}-I_{i})sin(phi _{j}-phi _{i}),} لتصبح معادلة هاملتون للحركة بالشكل:
d I i
d
t =
− ∂ H
′ ∂ ϕ i =
− 2
K N ∑ k
=
1
N I k I i
( I k
− I i
)
cos
⁡
( ϕ k
− ϕ i
)
{displaystyle {frac {dI_{i}}{dt}}=-{frac {partial {mathcal {H}}’}{partial phi _{i}}}=-{frac {2K}{N}}sum _{k=1}^{N}{sqrt {I_{k}I_{i}}}(I_{k}-I_{i})cos(phi _{k}-phi _{i})} و
d ϕ i
d
t = ∂ H
′ ∂ I i = ω i
+
K
N ∑ k
=
1
N [ 2 I i I k
sin
⁡
( ϕ k
− ϕ i
)
+ I k /
I i
( I k
− I i
)
sin
⁡
( ϕ k
− ϕ i
) ] {displaystyle {frac {dphi _{i}}{dt}}={frac {partial {mathcal {H}}’}{partial I_{i}}}=omega _{i}+{frac {K}{N}}sum _{k=1}^{N}left[2{sqrt {I_{i}I_{k}}}sin(phi _{k}-phi _{i})right.left.+{sqrt {I_{k}/I_{i}}}(I_{k}-I_{i})sin(phi _{k}-phi _{i})right]} يكون متعدد الشعب الذي يحقق الشرط (
I j
=
I
{displaystyle {displaystyle I_{j}=I}} ) لا متغير أيضًا لكون (
d I i
d
t =
0
{displaystyle {frac {dI_{i}}{dt}}=0} ) وديناميكيات الطور (
d ϕ i
d
t {displaystyle {frac {dphi _{i}}{dt}}} ) تتحول إلى نموذج كوراموتو بنفس ثابت الإقتران ( I
=
1 / 2
{displaystyle I=1/2} ).

لعدد كبير من N

الآن لنفترض حالة من N
{displaystyle N} تذهب إلى المالانهاية، بأخذ توزيع الترددات الطبيعية بشكل دالة g
(
ω
)
{displaystyle g(omega )} (معايرة إفتراضيًا)، ثم الإفتراض بأن كثافة المذبذبات عند الطور ( θ
{displaystyle theta } ) والتي لها تردد طبيعي مقداره ( ω
{displaystyle omega } ) عند الزمن ( t
t ) هي ρ
(
θ
,
ω
,
t
)
{displaystyle rho (theta ,omega ,t)} ، إذن يجب أن يحقق هذا شرط المعايرة:
∫ −
π
π
ρ
(
θ
,
ω
,
t
) d
θ
=
1.
{displaystyle int _{-pi }^{pi }rho (theta ,omega ,t),dtheta =1.} عندها معادلة الإستمرارية لكثافة المذبذبات تكون:
∂
ρ
∂
t +
∂ ∂
θ [
ρ
v
]
=
0
{displaystyle {frac {partial rho }{partial t}}+{frac {partial }{partial theta }}[rho v]=0} حيث أن ( v
v ) هي سرعة إنجراف المذبذبات معطاة بأخذ غاية مالانهاية من N
{displaystyle N} بمعادلة النموذج الحاكمة، لتصبح معادلة الإستمرارية:
∂
ρ
∂
t +
∂ ∂
θ [
ρ
ω
+
ρ
K
r
sin
⁡
(
ψ
−
θ
)
]
=
0
{displaystyle {frac {partial rho }{partial t}}+{frac {partial }{partial theta }}[rho omega +rho Krsin(psi -theta )]=0} أخيرًا، يجب إعادة كتابة تعريف معاملات الرتبة لحد الإستمرارية (لقيمة لانهائية من N
{displaystyle N} ): يتم استبدال (
θ i
{displaystyle theta _{i}} ) بدلالة معدل المجموعة لكل ( ω
{displaystyle omega } ) ويتم استبدال المجموع بالتكامل لتصبح العلاقة: r e i
ψ
= ∫ −
π
π e i
θ ∫ −
∞
∞
ρ
(
θ
,
ω
,
t
)
g
(
ω
) d
ω d
θ
{displaystyle re^{ipsi }=int _{-pi }^{pi }e^{itheta }int _{-infty }^{infty }rho (theta ,omega ,t)g(omega ),domega ,dtheta }

التحويل

التحويل الذي يتيح إيجاد حلول دقيقة لهذا النموذج (على الأقل عند N
→
∞
{displaystyle Nrightarrow infty } ) يجرى بالشكل التالي: بدايةً من تعريف معاملات «الرتبة» ( r
r و ψ
psi ) كما يلي: r e i
ψ
=
1
N ∑ j
=
1
N e i θ j
{displaystyle re^{ipsi }={frac {1}{N}}sum _{j=1}^{N}e^{itheta _{j}}} هنا ( r
r ) تمثل تشاكه الطور لكافة المذبذبات و( ψ
psi ) تشير إلى معدل الطور، بضرب هذه المعادلة بـ (
e −
i θ i
{displaystyle e^{-itheta _{i}}} ) وأخذ الجزء التخيلي فقط بعين الإعتبار نحصل على:
d θ i
d
t = ω i
+
K
r
sin
⁡
(
ψ
− θ i
)
{displaystyle {frac {dtheta _{i}}{dt}}=omega _{i}+Krsin(psi -theta _{i})} بالتالي معادلات المذبذبات لم تعد مقترنة بشكل واضح، بدلًا عنها تتحكم معلمات الرتبة بسلوك النظام، عادة يتم إجراء المزيد من التحويلات لإطار دوار يمتلك معدل طور يساوي صفر ( ψ
=
0
{displaystyle psi =0} ) لكل المذبذبات، عندها تصبح المعادلة الحاكمة بالشكل:
d θ i
d
t = ω i
−
K
r
sin
⁡
( θ i
)
{displaystyle {frac {dtheta _{i}}{dt}}=omega _{i}-Krsin(theta _{i})}

شرح مبسط

نموذج كوراموتو (بالإنجليزية: Kuramoto model)‏ (أو نموذج كوراموتو-دايدو)، نموذج رياضي تم إقتراحه من قبل عالم الفيزياء الياباني يوشيكي كوراموتو (蔵本 由紀؟، Kuramoto Yoshiki)[1][2] لوصف ظاهرة التزامن [الإنجليزية] وأكثر تحديدًا وصف سلوك عدد كبير من المهتزات المتصلة فيما بينها،[3][4] كان الغرض الأساسي من وضع هذا النموذج هو تفسير سلوك الأنظمة الكيميائية والإحيائية، لكن وجد أنه أكثر تعميمًا بكثير ويمتد إلى حقول أخرى مختلفة منها علم الأعصاب[5][6][7][8] وديناميكية اللهب المتذبذب،[9][10] كما وعبر العالم كوراموتو عن تفاجئه عندما أدرك أن أنظمة فيزيائية مثل مصفوفات وصلات جوزيفسن ينطبق عليها هذا النموذج أيضًا.[11]