藏本模型 (Kuramoto model)是一种用来描述同步 的数学模型 ,由日本物理学家藏本由纪 (Kuramoto Yoshiki)首先提出[1] [2] 。具体说来,它描述了大量耦合振子 的同步行为[3] [4] 。这个模型原本是为了描述化学振子、生物振子而构建,后发现具有广泛的应用,例如神经振荡 [5] [6] [7] ,以及振荡火焰的动力学[8] [9] 。惊人的是,一些物理系统的行为也符合这个模型,比如耦合约瑟夫森结 的阵列[10] 。
这个模型假设,所有振子都是完全相同的或几乎完全相同的,相互之间的耦合很弱、并且任意两个振子之间的相互作用强度取决于它们相位差的正弦。
在藏本模型最常见的版本中,每个振子都有一个固有的自然频率
ω
i
{\displaystyle \omega _{i}}
,并与所有其它振子以相同的强度耦合。惊人的是,在
N
→
∞
{\displaystyle N\to \infty }
的极限下,通过巧妙的变换并使用平均场方法,这个完全非线性 的模型是可以精确求解的。
藏本模型中的锁相
这个模型最常见的形式由以下方程组给出:
d
θ
i
d
t
=
ω
i
+
K
N
∑
j
=
1
N
sin
(
θ
j
−
θ
i
)
,
i
=
1
,
⋯
,
N
{\displaystyle {\frac {d\theta _{i}}{dt}}=\omega _{i}+{\frac {K}{N}}\sum _{j=1}^{N}{\sin {(\theta _{j}-\theta _{i})}},\quad i=1,\cdots ,N}
系统由
N
{\displaystyle N}
个极限环振子组成,
θ
i
{\displaystyle \theta _{i}}
是第
i
{\displaystyle i}
个振子的相位,
K
{\displaystyle K}
是耦合强度。
也可以在系统中加入噪声。这种情况下,方程变为
d
θ
i
d
t
=
ω
i
+
K
N
∑
j
=
1
N
sin
(
θ
j
−
θ
i
)
+
ζ
i
,
i
=
1
,
⋯
,
N
{\displaystyle {\frac {d\theta _{i}}{dt}}=\omega _{i}+{\frac {K}{N}}\sum _{j=1}^{N}{\sin {(\theta _{j}-\theta _{i})}}+\zeta _{i},\quad i=1,\cdots ,N}
其中
ζ
i
{\displaystyle \zeta _{i}}
是涨落,并且是时间的函数。如果考虑白噪声的情况,则:
⟨
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 =2D\delta _{ij}\delta (t-t')}
其中
D
{\displaystyle D}
代表噪声强度。
使得这个模型(至少在
N
→
∞
{\displaystyle N\to \infty }
的极限下)能够精确求解的变换如下所示:
定义“序”参量
R
e
i
ψ
=
1
N
∑
j
=
1
N
e
i
θ
j
{\displaystyle Re^{i\psi }={\frac {1}{N}}\sum _{j=1}^{N}{e^{i\theta _{j}}}}
R
{\displaystyle R}
表征了这群振子的相位相关性 ,
ψ
{\displaystyle \psi }
是平均相位。方程两边乘以
e
−
i
θ
i
{\displaystyle e^{-{\text{i}}\theta _{i}}}
,只考虑虚部得到:
d
θ
i
d
t
=
ω
i
+
K
R
sin
(
ψ
−
θ
i
)
{\displaystyle {\frac {d\theta _{i}}{dt}}=\omega _{i}+KR\sin {(\psi -\theta _{i})}}
因此振子的方程组就不是显式耦合的;相反,序参量支配了系统的行为。通常还会做进一步的变换,变换到一个转动的坐标系,其中所有振子相位的统计平均为零(即
ψ
=
0
{\displaystyle \psi =0}
)。最终,方程变为:
d
θ
i
d
t
=
ω
i
−
K
R
sin
θ
i
{\displaystyle {\frac {d\theta _{i}}{dt}}=\omega _{i}-KR\sin {\theta _{i}}}
考虑
N
→
∞
{\displaystyle N\to \infty }
的情况。自然频率的分布记为
g
(
ω
)
{\displaystyle g(\omega )}
(假设已经归一化)。设在时刻
t
{\displaystyle t}
,在所有自然频率为
ω
{\displaystyle \omega }
的振子中,相位为
θ
{\displaystyle \theta }
的振子所占比例为
ρ
(
θ
,
ω
,
t
)
{\displaystyle \rho (\theta ,\omega ,t)}
。归一化要求
∫
0
2
π
ρ
(
θ
,
ω
,
t
)
d
θ
=
1
{\displaystyle \int _{0}^{2\pi }{\rho (\theta ,\omega ,t)d\theta }=1}
振子密度的连续性方程 为
∂
ρ
∂
t
+
∂
(
ρ
v
)
∂
θ
=
0
{\displaystyle {\frac {\partial \rho }{\partial t}}+{\frac {\partial (\rho v)}{\partial \theta }}=0}
其中
v
=
ω
+
K
R
sin
(
ψ
−
θ
)
{\displaystyle v=\omega +KR\sin {(\psi -\theta )}}
是振子的漂移速度。
最终,在连续统极限下重新写出序参量。
θ
i
{\displaystyle \theta _{i}}
应该用系综平均来代替,求和替换为积分,得到
R
e
i
ψ
=
∫
0
2
π
∫
−
∞
∞
ρ
(
θ
,
ω
,
t
)
g
(
ω
)
e
i
θ
d
ω
d
θ
{\displaystyle Re^{i\psi }=\int _{0}^{2\pi }{\int _{-\infty }^{\infty }{\rho (\theta ,\omega ,t)g(\omega )e^{i\theta }d\omega }d\theta }}
所有振子随机漂移的不相关 态对应均匀分布解
ρ
=
1
2
π
{\displaystyle \rho ={\frac {1}{2\pi }}}
。这种情况
R
=
0
{\displaystyle R=0}
,振子之间没有关联。系统整体处于统计稳定态 ,尽管每个振子单独来看都在以自然频率不停运动。
当耦合足够强时,可能会出现完全同步的解。在完全同步态中,所有振子以相同频率运动,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状态。从数学上来说,对锁相的振子
ρ
=
δ
(
θ
−
ψ
−
arcsin
ω
K
R
)
{\displaystyle \rho =\delta \left(\theta -\psi -\arcsin {\frac {\omega }{KR}}\right)}
对漂移的振子,
ρ
∝
1
ω
−
K
R
sin
(
θ
−
ψ
)
{\displaystyle \rho \propto {\frac {1}{\omega -KR\sin {(\theta -\psi )}}}}
耗散的藏本模型包含在某些保守的哈密顿系统 中[11] ,哈密顿量 具有形式:
H
=
∑
i
=
1
N
1
2
ω
i
(
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}}=\sum _{i=1}^{N}{{\frac {1}{2}}\omega _{i}(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})}}
用正则变换变成作用量-角度的形式,作用量为
I
i
=
1
2
(
q
i
2
+
p
i
2
)
{\displaystyle I_{i}={\frac {1}{2}}(q_{i}^{2}+p_{i}^{2})}
,角度(相位)
θ
i
=
arctan
q
i
p
i
{\displaystyle \theta _{i}=\arctan {\frac {q_{i}}{p_{i}}}}
,在作用量
I
i
≡
I
{\displaystyle I_{i}\equiv I}
为常数的不变流形上就是藏本动力学。变换后的哈密顿量
H
=
∑
i
=
1
N
ω
i
I
i
−
K
N
∑
i
=
1
N
∑
j
=
1
N
I
j
I
i
(
I
j
−
I
i
)
sin
(
θ
j
−
θ
i
)
{\displaystyle {\mathcal {H}}=\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 {(\theta _{j}-\theta _{i})}}}}
哈密顿运动方程为
d
I
i
d
t
=
−
∂
H
∂
θ
i
=
−
2
K
N
∑
j
=
1
N
I
j
I
i
(
I
j
−
I
i
)
cos
(
θ
j
−
θ
i
)
{\displaystyle {\frac {dI_{i}}{dt}}=-{\frac {\partial {\mathcal {H}}}{\partial \theta _{i}}}=-{\frac {2K}{N}}\sum _{j=1}^{N}{{\sqrt {I_{j}I_{i}}}(I_{j}-I_{i})\cos {(\theta _{j}-\theta _{i})}}}
d
θ
i
d
t
=
∂
H
∂
I
i
=
ω
i
+
K
N
∑
j
=
1
N
I
j
/
I
i
(
I
i
+
I
j
)
sin
(
θ
j
−
θ
i
)
{\displaystyle {\frac {d\theta _{i}}{dt}}={\frac {\partial {\mathcal {H}}}{\partial I_{i}}}=\omega _{i}+{\frac {K}{N}}\sum _{j=1}^{N}{{\sqrt {I_{j}/I_{i}}}(I_{i}+I_{j})\sin {(\theta _{j}-\theta _{i})}}}
因为
d
I
i
d
t
=
0
{\displaystyle {\frac {dI_{i}}{dt}}=0}
,所以
I
i
=
I
{\displaystyle I_{i}=I}
确定的流形是不变的,并且相位动力学
d
θ
i
d
t
{\displaystyle {\frac {d\theta _{i}}{dt}}}
就是藏本模型的动力学。这类哈密顿系统描述了某些量子-经典系统,包括玻色-爱因斯坦凝聚 。
模型有两种类型的变体,一种改变模型的拓扑结构,另一种改变耦合函数的形式。
除了具有全连拓扑的原始模型,足够稠密的复杂网络 拓扑也可以用同样的平均场处理[12] 。而对于局域的行为,例如链形或环形网络上的情况,不能再使用经典的平均场方法,所以只能具体问题具体分析,尽可能利用对称性获取解的信息。
藏本把两个振子之间的相位相互作用用第1个傅里叶分量来近似,即
Γ
(
ϕ
)
=
sin
ϕ
{\displaystyle \Gamma (\phi )=\sin \phi }
,其中
ϕ
=
θ
j
−
θ
i
{\displaystyle \phi =\theta _{j}-\theta _{i}}
。通过把高阶傅里叶分量包括进来,可以得到更好的近似
Γ
(
ϕ
)
=
sin
ϕ
+
a
1
sin
(
2
ϕ
+
b
1
)
+
⋯
+
a
n
sin
(
2
n
ϕ
+
b
n
)
{\displaystyle \Gamma (\phi )=\sin \phi +a_{1}\sin {(2\phi +b_{1})}+\cdots +a_{n}\sin {(2n\phi +b_{n})}}
例如,对于弱耦合Hodgkin-Huxley神经元的网络,其同步行为可以用一些振子来表示,这些振子的相互作用函数保留前四阶傅里叶分量[13] 。高阶项的引入也能带来有趣的同步现象,例如异宿环 [14] 、部分同步态[15] 、以及奇美拉态[16] 。
Kuramoto, Yoshiki (1975). H. Araki, ed. Lecture Notes in Physics, International Symposium on Mathematical Problems in Theoretical Physics. 39. Springer-Verlag, New York. p. 420.
Kuramoto Y (1984). Chemical Oscillations, Waves, and Turbulence. New York, NY: Springer-Verlag.
Strogatz S (2000). "From Kuramoto to Crawford: Exploring the onset of synchronization in populations of coupled oscillators". Physica D. 143 (1–4): 1–20. Bibcode:2000PhyD..143....1S. doi:10.1016/S0167-2789(00)00094-4.
Acebrón, Juan A.; Bonilla, L. L.; Vicente, Pérez; Conrad, J.; Ritort, Félix; Spigler, Renato (2005). "The Kuramoto model: A simple paradigm for synchronization phenomena" (PDF). Reviews of Modern Physics. 77 (1): 137–185. Bibcode:2005RvMP...77..137A. doi:10.1103/RevModPhys.77.137.
Cumin, D.; Unsworth, C. P. (2007). "Generalising the Kuromoto model for the study of neuronal synchronisation in the brain". Physica D. 226 (2): 181–196. Bibcode:2007PhyD..226..181C. doi:10.1016/j.physd.2006.12.004.
Breakspear M, Heitmann S, Daffertshofer A (2010). "Generative models of cortical oscillations: Neurobiological implications of the Kuramoto model". Front Hum Neurosci. 4. doi:10.3389/fnhum.2010.00190. PMID 21151358 . |article= ignored (help)
Cabral J, Luckhoo H, Woolrich M, Joensson M, Mohseni H, Baker A, Kringelbach ML, Deco G (2014). "Exploring mechanisms of spontaneous functional connectivity in MEG: How delayed network interactions lead to structured amplitude envelopes of band-pass filtered oscillations". NeuroImage. 90: 423–435. doi:10.1016/j.neuroimage.2013.11.047. PMID 24321555 .
Sivashinsky, G.I. (1977). "Diffusional-thermal theory of cellular flames". Combust. Sci. And Tech. 15 (3–4): 137–146. doi:10.1080/00102207708946779.
Forrester, D.M. (2015). "Arrays of coupled chemical oscillators". Scientific Reports. 5: 16994. arXiv:1606.01556. Bibcode:2015NatSR...516994F. doi:10.1038/srep16994. PMID 26582365 .
Steven Strogatz, Sync: The Emerging Science of Spontaneous Order, Hyperion, 2003.
Witthaut, Dirk; Timme, Marc (2014). "Kuramoto Dynamics in Hamiltonian Systems". Phys. Rev. E. 90 (3): 032917. arXiv:1305.1742. Bibcode:2014PhRvE..90c2917W. doi:10.1103/PhysRevE.90.032917. PMID 25314514 .
Rodrigues, F. A.; Peron, T.K.; Ji, P.; Kurths, J. (2016). "The Kuramoto model in complex networks". Physics Reports. 610 (1): 1–98. arXiv:1511.07139. Bibcode:2016PhR...610....1R. doi:10.1016/j.physrep.2015.10.008.
Hansel, D.; Mato, G.; Meunier, C (1993). "Phase Dynamics for Weakly Coupled Hodgkin-Huxley Neurons". Europhysics Letters. 23 (5): 367–372. Bibcode:1993EL.....23..367H. doi:10.1209/0295-5075/23/5/011.
Hansel, D.; Mato, G.; Meunier, C (1993). "Clustering and slow switching in globally coupled phase oscillators". Physical Review E. 48 (5): 3470–3477. Bibcode:1993PhRvE..48.3470H. doi:10.1103/physreve.48.3470.
Clusella, Pau; Politi, Antonio; Rosenblum, Michael (2016). "A minimal model of self-consistent partial synchrony". New Journal of Physics. 18 (9): 093037. doi:10.1088/1367-2630/18/9/093037. ISSN 1367-2630.
Abrams, D.M.; Strogatz, S.H. (2004). "Chimera states for coupled oscillators". Physical Review Letters. 93 (17): 174102. arXiv:nlin/0407045. Bibcode:2004PhRvL..93q4102A. doi:10.1103/physrevlett.93.174102. PMID 15525081 .