{"title":"使用改进的 0-1 检验算法对具有可变内存的塞尔科夫分数动力系统进行定性分析","authors":"Р.И. Паровик","doi":"10.26117/2079-6641-2023-45-4-9-23","DOIUrl":null,"url":null,"abstract":"В работе исследуется хаотические и регулярные режимы дробной динамической системы Селькова с переменной памятью. Сначала проводится численный анализ с помощью метода Адамса-Башфорта-Мултона. Далее над полученным решением проводится предварительная обработка (модификация), которая заключается в отборе из данных значений, соответствующих локальным экстремумам. Далее прореженный таким образом набор значений поступает на вход алгоритма Тест 0-1. Основная идея алгоритма Тест 0-1 заключается в вычислении статистических характеристик дискретного временного ряда: стандартного среднеквадратического отклонения, а также его асимптотической скорости роста через корреляцию (ковариацию и вариацию) между соответствующими векторами. В итоге после многократного вычисления коэффициента корреляции выбирается ее медианное значение, которое является основным критерием выбора сценария динамического режима. Если медианное значение достаточно близко к единице, то мы имеем дело с хаотическим режимом, а если к нулю, то с регулярным режимом. Численный алгоритм Адамса-Башфорта-Мултона и модифицированный алгоритм Тест 0-1 были реализованы в системе компьютерной математики MATLAB, а также была проведена визуализация результатов моделирования с помощью бифуркационных диаграмм. В работе было показано с помощью модифицированного алгоритма Тест 0-1, что дробная динамическая система с переменной памятью может обладать хаотическими режимами. Это очень важно знать в силу того, что дробная динамическая система Селькова описывает автоколебательный режим, который, например, можно использовать для описания взаимодействия микросейсм. В этом случае хаотические режимы необходимо исключить путем выбора соответствующих значений параметров системы.\n The article examines chaotic and regular modes of a fractional dynamic Selkov system with variable memory. First, a numerical analysis is carried out using the Adams-Bashforth-Moulton method. Next, preliminary processing (modification) is carried out on the resulting solution, which consists of selecting from the given values the values corresponding to local extrema. Next, the set of values thinned out in this way is fed to the input of the Test 0-1 algorithm. The main idea of the Test 0-1 algorithm is to calculate the statistical characteristics of a discrete time series: the standard standard deviation, as well as its asymptotic growth rate through the correlation (covariance and variation) between the corresponding vectors. As a result, after repeatedly calculating the correlation coefficient, its median value is selected, which is the main criterion for choosing a dynamic mode scenario. If the median value is close enough to one, then we are dealing with a chaotic regime, and if it is close to zero, then with a regular regime. The Adams-Bashforth-Moulton numerical algorithm and the modified Test 0-1 algorithm were implemented in the computer mathematics system MATLAB, and the simulation results were visualized using bifurcation diagrams. In the work, it was shown using the modified Test 0-1 algorithm that a fractional dynamic system with variable memory can have chaotic modes. This is very important to know due to the fact that Selkov’s fractional dynamic system describes a self-oscillating regime, which, for example, can be used to describe the interaction of microseisms. In this case, chaotic modes must be eliminated by selecting appropriate values of system parameters.","PeriodicalId":200421,"journal":{"name":"Вестник КРАУНЦ. Физико-математические науки","volume":"153 10‐12","pages":""},"PeriodicalIF":0.0000,"publicationDate":"2023-12-16","publicationTypes":"Journal Article","fieldsOfStudy":null,"isOpenAccess":false,"openAccessPdf":"","citationCount":"0","resultStr":"{\"title\":\"Qualitative Analysis of Selkov’s Fractional Dynamical System with Variable Memory Using a Modified Test 0-1 Algorithm\",\"authors\":\"Р.И. Паровик\",\"doi\":\"10.26117/2079-6641-2023-45-4-9-23\",\"DOIUrl\":null,\"url\":null,\"abstract\":\"В работе исследуется хаотические и регулярные режимы дробной динамической системы Селькова с переменной памятью. Сначала проводится численный анализ с помощью метода Адамса-Башфорта-Мултона. Далее над полученным решением проводится предварительная обработка (модификация), которая заключается в отборе из данных значений, соответствующих локальным экстремумам. Далее прореженный таким образом набор значений поступает на вход алгоритма Тест 0-1. Основная идея алгоритма Тест 0-1 заключается в вычислении статистических характеристик дискретного временного ряда: стандартного среднеквадратического отклонения, а также его асимптотической скорости роста через корреляцию (ковариацию и вариацию) между соответствующими векторами. В итоге после многократного вычисления коэффициента корреляции выбирается ее медианное значение, которое является основным критерием выбора сценария динамического режима. Если медианное значение достаточно близко к единице, то мы имеем дело с хаотическим режимом, а если к нулю, то с регулярным режимом. Численный алгоритм Адамса-Башфорта-Мултона и модифицированный алгоритм Тест 0-1 были реализованы в системе компьютерной математики MATLAB, а также была проведена визуализация результатов моделирования с помощью бифуркационных диаграмм. В работе было показано с помощью модифицированного алгоритма Тест 0-1, что дробная динамическая система с переменной памятью может обладать хаотическими режимами. Это очень важно знать в силу того, что дробная динамическая система Селькова описывает автоколебательный режим, который, например, можно использовать для описания взаимодействия микросейсм. В этом случае хаотические режимы необходимо исключить путем выбора соответствующих значений параметров системы.\\n The article examines chaotic and regular modes of a fractional dynamic Selkov system with variable memory. First, a numerical analysis is carried out using the Adams-Bashforth-Moulton method. Next, preliminary processing (modification) is carried out on the resulting solution, which consists of selecting from the given values the values corresponding to local extrema. Next, the set of values thinned out in this way is fed to the input of the Test 0-1 algorithm. The main idea of the Test 0-1 algorithm is to calculate the statistical characteristics of a discrete time series: the standard standard deviation, as well as its asymptotic growth rate through the correlation (covariance and variation) between the corresponding vectors. As a result, after repeatedly calculating the correlation coefficient, its median value is selected, which is the main criterion for choosing a dynamic mode scenario. If the median value is close enough to one, then we are dealing with a chaotic regime, and if it is close to zero, then with a regular regime. The Adams-Bashforth-Moulton numerical algorithm and the modified Test 0-1 algorithm were implemented in the computer mathematics system MATLAB, and the simulation results were visualized using bifurcation diagrams. In the work, it was shown using the modified Test 0-1 algorithm that a fractional dynamic system with variable memory can have chaotic modes. This is very important to know due to the fact that Selkov’s fractional dynamic system describes a self-oscillating regime, which, for example, can be used to describe the interaction of microseisms. In this case, chaotic modes must be eliminated by selecting appropriate values of system parameters.\",\"PeriodicalId\":200421,\"journal\":{\"name\":\"Вестник КРАУНЦ. Физико-математические науки\",\"volume\":\"153 10‐12\",\"pages\":\"\"},\"PeriodicalIF\":0.0000,\"publicationDate\":\"2023-12-16\",\"publicationTypes\":\"Journal Article\",\"fieldsOfStudy\":null,\"isOpenAccess\":false,\"openAccessPdf\":\"\",\"citationCount\":\"0\",\"resultStr\":null,\"platform\":\"Semanticscholar\",\"paperid\":null,\"PeriodicalName\":\"Вестник КРАУНЦ. Физико-математические науки\",\"FirstCategoryId\":\"1085\",\"ListUrlMain\":\"https://doi.org/10.26117/2079-6641-2023-45-4-9-23\",\"RegionNum\":0,\"RegionCategory\":null,\"ArticlePicture\":[],\"TitleCN\":null,\"AbstractTextCN\":null,\"PMCID\":null,\"EPubDate\":\"\",\"PubModel\":\"\",\"JCR\":\"\",\"JCRName\":\"\",\"Score\":null,\"Total\":0}","platform":"Semanticscholar","paperid":null,"PeriodicalName":"Вестник КРАУНЦ. Физико-математические науки","FirstCategoryId":"1085","ListUrlMain":"https://doi.org/10.26117/2079-6641-2023-45-4-9-23","RegionNum":0,"RegionCategory":null,"ArticlePicture":[],"TitleCN":null,"AbstractTextCN":null,"PMCID":null,"EPubDate":"","PubModel":"","JCR":"","JCRName":"","Score":null,"Total":0}
引用次数: 0
摘要
本文研究了具有可变记忆的分数 Seljkov 动力系统的混沌模式和规则模式。首先,使用 Adams-Bashforth-Moulton 方法进行了数值分析。然后对得到的解进行预处理(修改),包括从数据中选择与局部极值相对应的值。通过这种方法稀释的数值集将被输入到 0-1 检验算法的输入端。Test 0-1 算法的主要思想是计算离散时间序列的统计特征:通过相应向量之间的相关性(协方差和变异)计算标准标准偏差及其渐近增长率。最后,在对相关系数进行多次计算后,选出其中值,作为选择动态模式方案的主要标准。如果中值接近于 1,则表示存在混沌状态;如果中值接近于 0,则表示存在规则状态。在 MATLAB 计算机数学系统中实现了 Adams-Bashforth-Moulton 数值算法和改进的 Test 0-1 算法,并使用分岔图将模拟结果可视化。本文使用改进的 Test 0-1 算法表明,具有可变内存的分数动态系统可能具有混沌模式。这一点非常重要,因为塞尔日科夫分数动力系统描述了一种自动振荡机制,例如,可用于描述微地震的相互作用。在这种情况下,应通过选择适当的系统参数值来排除混沌模式。文章研究了具有可变记忆的分数动态塞尔科夫系统的混沌模式和规则模式。首先,使用 Adams-Bashforth-Moulton 方法进行了数值分析。接着,对得到的解进行初步处理(修改),包括从给定值中选择与局部极值相对应的值。接下来,通过这种方法筛选出的数值集合将被输入到 Test 0-1 算法的输入端。Test 0-1 算法的主要思想是计算离散时间序列的统计特征:标准偏差,以及通过相应向量之间的相关性(协方差和变异)计算其渐近增长率。因此,在反复计算相关系数后,会选择其中位数值,这是选择动态模式方案的主要标准。如果中值足够接近于 1,那么我们面对的是一个混沌系统;如果中值接近于 0,那么我们面对的是一个规则系统。在计算机数学系统 MATLAB 中实现了 Adams-Bashforth-Moulton 数值算法和改进的 Test 0-1 算法,并使用分岔图将模拟结果可视化。工作中使用改进的 Test 0-1 算法表明,具有可变内存的分数动态系统可能具有混沌模式。这一点非常重要,因为塞尔科夫的分数动力系统描述了一种自振荡机制,例如,可用于描述微地震的相互作用。在这种情况下,必须通过选择适当的系统参数值来消除混沌模式。
Qualitative Analysis of Selkov’s Fractional Dynamical System with Variable Memory Using a Modified Test 0-1 Algorithm
В работе исследуется хаотические и регулярные режимы дробной динамической системы Селькова с переменной памятью. Сначала проводится численный анализ с помощью метода Адамса-Башфорта-Мултона. Далее над полученным решением проводится предварительная обработка (модификация), которая заключается в отборе из данных значений, соответствующих локальным экстремумам. Далее прореженный таким образом набор значений поступает на вход алгоритма Тест 0-1. Основная идея алгоритма Тест 0-1 заключается в вычислении статистических характеристик дискретного временного ряда: стандартного среднеквадратического отклонения, а также его асимптотической скорости роста через корреляцию (ковариацию и вариацию) между соответствующими векторами. В итоге после многократного вычисления коэффициента корреляции выбирается ее медианное значение, которое является основным критерием выбора сценария динамического режима. Если медианное значение достаточно близко к единице, то мы имеем дело с хаотическим режимом, а если к нулю, то с регулярным режимом. Численный алгоритм Адамса-Башфорта-Мултона и модифицированный алгоритм Тест 0-1 были реализованы в системе компьютерной математики MATLAB, а также была проведена визуализация результатов моделирования с помощью бифуркационных диаграмм. В работе было показано с помощью модифицированного алгоритма Тест 0-1, что дробная динамическая система с переменной памятью может обладать хаотическими режимами. Это очень важно знать в силу того, что дробная динамическая система Селькова описывает автоколебательный режим, который, например, можно использовать для описания взаимодействия микросейсм. В этом случае хаотические режимы необходимо исключить путем выбора соответствующих значений параметров системы.
The article examines chaotic and regular modes of a fractional dynamic Selkov system with variable memory. First, a numerical analysis is carried out using the Adams-Bashforth-Moulton method. Next, preliminary processing (modification) is carried out on the resulting solution, which consists of selecting from the given values the values corresponding to local extrema. Next, the set of values thinned out in this way is fed to the input of the Test 0-1 algorithm. The main idea of the Test 0-1 algorithm is to calculate the statistical characteristics of a discrete time series: the standard standard deviation, as well as its asymptotic growth rate through the correlation (covariance and variation) between the corresponding vectors. As a result, after repeatedly calculating the correlation coefficient, its median value is selected, which is the main criterion for choosing a dynamic mode scenario. If the median value is close enough to one, then we are dealing with a chaotic regime, and if it is close to zero, then with a regular regime. The Adams-Bashforth-Moulton numerical algorithm and the modified Test 0-1 algorithm were implemented in the computer mathematics system MATLAB, and the simulation results were visualized using bifurcation diagrams. In the work, it was shown using the modified Test 0-1 algorithm that a fractional dynamic system with variable memory can have chaotic modes. This is very important to know due to the fact that Selkov’s fractional dynamic system describes a self-oscillating regime, which, for example, can be used to describe the interaction of microseisms. In this case, chaotic modes must be eliminated by selecting appropriate values of system parameters.