分岐理論 では、定常状態の安定性を失うことなく発生する有界振動を 隠れ振動 と呼びます。非線形制御 理論では、有界状態を持つ時不変制御システムにおける隠れ振動の発生は、パラメータ領域において、定常状態の局所安定性が大域安定性を意味する境界を越えることを意味します(例えば、カルマン予想を参照)。隠れ振動(または、 動的システム の位相空間 のコンパクトな部分集合を埋めるそのような隠れ振動の集合)が近くのすべての振動を引き付ける場合、それは隠れアトラクター と呼ばれます。大域的に吸引的な唯一の平衡点を持つ動的システム の場合、隠れアトラクターの発生は、単安定性から双安定性への挙動の質的な変化に対応します。一般的には、動的システムは多安定 であり、位相空間に共存する局所アトラクターを 持つ可能性があります。自明なアトラクター、すなわち安定平衡点は 解析的または数値的に容易に見つけることができるが、周期的 およびカオス的な アトラクターの探索は困難な問題となる可能性がある(例えば、ヒルベルトの第16問題の後半を 参照)。
アトラクターを隠れたアトラクターか自己励起アトラクターかに分類する 物理的または数値的な実験において局所アトラクターを特定するには、アトラクターの吸引領域 内でシステムの初期状態を選択し、この初期状態から始まるシステムの過渡的なプロセスを経て、システムの状態がどのようにアトラクターを可視化するかを観察する必要がある。アトラクターが隠れているか自己励起されているかという分類は、吸引領域を明らかにし、位相空間 内で局所アトラクター を探すことの難しさを反映している。
定義 。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] アトラクターの吸引領域が平衡点の特定の開いた近傍と交差しない場合、そのアトラクターは隠れアトラクターと呼ばれ、そうでない場合は自己励起アトラクターと呼ばれます。
アトラクターを隠れたものか自己励起のものかに分類するという概念は、2009年にG. Leonov とN. Kuznetsovが隠れた Chuaアトラクター [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] を発見した際に 初めて導入されました。同様に、位相空間において吸引領域として必ずしも開いた近傍を持たない任意の有界振動も、自己励起振動または隠れた振動として分類されます。
Chuaのシステム における カオス的な自己励起アトラクター (緑色の領域)。2つの鞍点(青色)とゼロ平衡点(オレンジ色)の近傍にある初期データを持つ軌跡は、アトラクターに収束する(緑色)。Chuaのシステム におけるカオス的な隠れたアトラクター(緑色の領域)。2つの鞍点(青色)の近傍にある初期データを持つ軌跡は、無限大に近づく(赤い矢印)か、安定したゼロ平衡点(オレンジ色)に近づく(黒い矢印)。Chua回路では、2つの隠れたカオス的アトラクターと1つの隠れた周期的アトラクターが2つの自明なアトラクターと共存している(IJBC [ 7 ] の表紙より)。
自己励起アトラクター 自己励起アトラクターの場合、その吸引領域は不安定平衡点と結びついており、したがって、不安定平衡点の近傍から始まる軌道が過渡過程を経て振動状態に引き寄せられ、その後その状態をたどる標準的な計算手順によって、自己励起アトラクターを数値的に求めることができます(例えば、自己振動過程を参照)。このように、 多重安定性 の場合でも共存する自己励起アトラクターは、数値的に容易に明らかにして視覚化することができます。ローレンツ系 では、古典的なパラメータの場合、アトラクターは存在するすべての平衡点に対して自己励起しており、それらの近傍からの任意の軌道によって視覚化できます。しかし、他のいくつかのパラメータ値では、2つの自明なアトラクターが、ゼロ平衡点に対してのみ自己励起するカオスアトラクターと共存しています。Van der Pol 、Beluosov–Zhabotinsky 、Rössler 、Chua 、Hénon 力学系の古典的なアトラクターは自己励起です。
自己励起アトラクターのリアプノフ次元は 、不安定多様体が吸引領域と交差してアトラクターを可視化する不安定平衡点のリアプノフ次元を超えないという推測がある。 [ 8 ]
隠れたアトラクター 隠れたアトラクターは、平衡点とは関連付けられておらず、位相空間のどこかに「隠れている」吸引領域を持ちます。たとえば、隠れたアトラクターは、平衡点のないシステムのアトラクターです。たとえば、ゾンマーフェルト効果 (1902) を伴う回転電気機械力学システム、安定な平衡点が 1 つだけあるシステム、たとえば、非線形制御システムの単安定性に関するアイザーマン予想 (1949) およびカルマン予想 (1957) の反例などです。関連する最初の理論的問題の 1 つは、入れ子になった安定なリミットサイクルが隠れた周期アトラクターである 2 次元多項式システムのリミットサイクルの数と相互配置に関するヒルベルトの第 16 問題 の第 2 部です。隠れたアトラクターの概念は、多くの応用力学モデルにおける隠れたアトラクターの発見の触媒となっています。[ 1 ] [ 9 ] [ 10 ]
一般的に、隠れたアトラクターの問題点は、システムのダイナミクスにおけるそのような状態を追跡または予測するための一般的な直接的な方法がないことです(例えば、[ 11 ] を参照)。2次元システムの場合、隠れた振動は解析的方法を使用して調査できますが(例えば、ヒルベルトの第16問題の第2部の 結果を参照)、複雑な非線形多次元システムの安定性と振動の研究には、数値的方法がよく使用されます。多次元の場合、ランダムな初期データを持つ軌道の積分は、隠れたアトラクターの局在化を提供する可能性は低いです。なぜなら、吸引領域が非常に小さい場合があり、アトラクターの次元自体が、考慮対象のシステムの次元よりもはるかに小さい可能性があるからです。したがって、多次元空間における隠れたアトラクターの数値的局在化には、隠れた振動の吸引領域(平衡点の近傍を含まない)で初期データを選択し、軌道計算を実行できる特別な解析的数値計算手順を開発する必要がある [ 1 ] [ 12 ] [ 8 ] 。ホモトピー と数値的連続 に基づく対応する有効な方法がある。一連の類似システムが構築され、最初の(開始)システムでは、振動解(開始振動)の数値計算のための初期データが解析的に得られ、次に、あるシステムから別のシステムへの遷移におけるこの開始振動の変換が数値的に追跡される。
隠れた振動の理論 アフライモビッチ 賞が、 N・ クズネツォフ 氏の「隠れた振動と力学系の安定性に関する理論」 (2021年)に授与されました。アトラクターを自己励起型または隠れ型に分類することは、アンドロノフの振動理論の現代的発展を表す隠れ振動理論の出現の基本的な前提であった。[ 13 ] : 39 [ 14 ] これは、グローバル安定性の正確な境界を決定する鍵であり、その一部はN.クズネツォフによって自明(つまり、局所的分岐によって決定される)または隠れ(つまり、非局所的分岐と隠れ振動の発生によって決定される)として分類されている。[ 15 ] [ 16 ]
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本 多重安定性と隠れたアトラクターを持つカオスシステム(編者:Wang、Kuznetsov、Chen)、Springer、2021年(doi:10.1007/978-3-030-75821-9) 自己励起および隠れたアトラクターを持つ非線形力学系(編者:Pham、Vaidyanathan、Volos 他)、Springer、2018年(doi:10.1007/978-3-319-71243-7)
厳選された講義 N.クズネツォフ、招待講演「隠れた振動の理論と力学系の安定性」 、応用数学に関する国際ワークショップ、チェコ共和国、2021年 アフライモビッチ賞基調講演:N. クズネツォフ「隠れた振動の理論と力学系の安定性」。非線形力学と複雑性に関する国際会議、2021年