Все выпуски

В работе изучается хаотическая динамика неголономной модели кельтского камня. Показано, что при определенных значениях параметров, характеризующих геометрические и физические свойства камня, в модели наблюдается странный аттрактор лоренцевского типа, для которого также исследованы этапы его возникновения и разрушения.

We study chaotic dynamics in a nonholonomic model of celtic stone. We show that, for certain values of parameters characterizing geometrical and physical properties of the stone, a strange Lorenz-like attractor is observed in the model. We study certain steps of appearance and break-down of this attractor.

В статье исследуется дискретная модель нейрона, предложенная Рульковым. В детерминированном варианте эта система моделирует различные режимы нейронной активности, такие как покой, тонический и хаотический спайкинг. В присутствии случайных возмущений в системе может наблюдаться еще один важный режим - берстинг, характеризующийся перемежаемостью участков покоя и возбуждения. В работе исследуются вероятностные механизмы индуцированных шумом переходов от покоя к берстингу в зоне касательной бифуркации. Показано, что такие переходы могут сопровождаться трансформацией динамики системы из регулярной в хаотическую. Для анализа этих бифуркационных явлений используются техника функций стохастической чувствительности и метод доверительных интервалов.

A discrete neuron model proposed by Rulkov is studied. In the deterministic version, this system simulates different modes of neural activity, such as quiescence, tonic and chaotic spiking. In the presence of random disturbances, another important mode of bursting characterized by the alternation of quiescence and excitement regimes can be observed. We study the probabilistic mechanisms of noise-induced transitions from quiescence to bursting in the zone of the tangent bifurcation. It is shown that such transitions are accompanied by a transformation of the system dynamics from regular to chaotic. For the analysis of these bifurcation phenomena, the stochastic sensitivity functions technique and method of confidence intervals are used.

Пусть $T_{\rho}$ — иррациональный поворот на единичной окружности $S^{1}\simeq [0,1)$. Рассмотрим последовательность $\{\mathcal{P}_{n}\}$ возрастающих разбиений на $S^{1}$. Определим время попадания $N_{n}(\mathcal{P}_n;x,y):= \inf \{ j\geq 1\mid T^{j}_{\rho}(y) \in P_{n}(x)\}$, где $P_{n}(x)$ — элемент разбиения $\mathcal{P}_{n}$, содержащий точку $x$. Д. Ким и Б. Сео [9] доказали, что время попадания $K_n(\mathcal{Q}_n;x,y):= \frac{\log N_n(\mathcal{Q}_n;x,y)}{n}$ почти всюду (по мере Лебега) сходится к $\log2$, где последовательность разбиений $\{\mathcal{Q}_n\}$ порождена хаотическим отображением $f_{2}(x):=2x \bmod 1$. Хорошо известно, что отображение $f_{2}$ имеет положительную энтропию $\log2$. Возникает естественный вопрос о том, что если последовательность разбиений $\{\mathcal{P}_n\}$ порождена отображением с нулевой энтропией. В настоящей работе мы изучаем поведение $K_n(\tau_n;x,y)$ с последовательностью смешанных разбиений ${\tau_{n}}$ таких, что $\mathcal{Q}_{n}\cap [0,\frac{1}{2}]$ порождена отображением $f_{2}$, а $ \mathcal{D}_{n}\cap [\frac{1}{2},1]$ порождена иррациональным поворотом $T_{\rho}$. Доказано, что $K_n(\tau_n;x,y)$ почти всюду (по мере Лебега) сходится к кусочно-постоянной функции с двумя значениями. Также показано, что существуют некоторые иррациональные повороты, демонстрирующие различное поведение.

Let $T_{\rho}$ be an irrational rotation on a unit circle $S^{1}\simeq [0,1)$. Consider the sequence $\{\mathcal{P}_{n}\}$ of increasing partitions on $S^{1}$. Define the hitting times $N_{n}(\mathcal{P}_n;x,y):= \inf\{j\geq 1\mid T^{j}_{\rho}(y)\in P_{n}(x)\}$, where $P_{n}(x)$ is an element of $\mathcal{P}_{n}$ containing $x$. D. Kim and B. Seo in [9] proved that the rescaled hitting times $K_n(\mathcal{Q}_n;x,y):= \frac{\log N_n(\mathcal{Q}_n;x,y)}{n}$ a.e. (with respect to the Lebesgue measure) converge to $\log2$, where the sequence of partitions $\{\mathcal{Q}_n\}$ is associated with chaotic map $f_{2}(x):=2x \bmod 1$. The map $f_{2}(x)$ has positive entropy $\log2$. A natural question is what if the sequence of partitions $\{\mathcal{P}_n\}$ is associated with a map with zero entropy. In present work we study the behavior of $K_n(\tau_n;x,y)$ with the sequence of mixed partitions $\{\tau_{n}\}$ such that $ \mathcal{P}_{n}\cap [0,\frac{1}{2}]$ is associated with map $f_{2}$ and $\mathcal{D}_{n}\cap [\frac{1}{2},1]$ is associated with irrational rotation $T_{\rho}$. It is proved that $K_n(\tau_n;x,y)$ a.e. converges to a piecewise constant function with two values. Also, it is shown that there are some irrational rotations that exhibit different behavior.

В статье рассмотрена задача о движении в поле силы тяжести твердого тела, обладающего формой кругового цилиндра, взаимодействующего с точечным вихрем, в идеальной жидкости. В отличие от предыдущих работ в данном случае циркуляция жидкости вокруг цилиндра предполагается равной нулю. Уравнения движения системы представлены в гамильтоновой форме. Указаны первые интегралы системы - горизонтальная и вертикальная компоненты импульса, - последний из которых, очевидно, неавтономный. Используя автономный интеграл, проведена редукция системы на одну степень свободы в ранее не рассматриваемом случае нулевой циркуляции. Показано, что в отличие от случая циркуляционного обтекания в отсутствие точечных вихрей, в котором движение цилиндра будет происходить в ограниченной горизонтальной полосе, при наличии вихрей и циркуляции, равной нулю, вертикальная координата цилиндра неограниченно убывает. Дальнейшее внимание в работе сконцентрировано на численном исследовании динамики системы, которая при нулевой циркуляции обладает некомпактными траекториями. Построены различные виды функций рассеяния вихря на цилиндре. Вид этих функций свидетельствует о хаотическом характере рассеяния и, следовательно, об отсутствии дополнительного аналитического интеграла.

We consider a system which consists of a circular cylinder subject to gravity interacting with a point vortex in a perfect fluid. In contrast to previous works, in this paper the circulation about the cylinder is assumed to be zero. The governing equations are Hamiltonian and admit evident integrals of motion: the horizontal and vertical components of the momentum; the latter is obviously non-autonomous. Using autonomous integral we reduce the order of the system by one degree of freedom in a case of zero circulation which early was not considered. Unlike nonzero circulation in the absence of point vortices when the cylinder moves inside a certain horizontal stripe it is shown that in the presence of vortices and with circulation equal to zero a vertical coordinate of the cylinder is unbounded decreasing. We then focus on the numerical study of dynamics of our system. In a case of zero circulation trajectories are noncompact. The different kinds of the scattering function of the vortex by cylinder were obtained. The form of these functions argues to chaotic behavior of the scattering which means that an additional analytical integral is absent.

Рассматривается вероятностная модель, заданная разностным уравнением $$x_{n+1}=f(\omega_n,x_n), \quad (\omega_n,x_n)\in \Omega\times [a,b], \quad n=0,1,\dots, \qquad\qquad(1)$$ где $\Omega$ - заданное множество с сигма-алгеброй подмножеств $\widetilde{\mathfrak A},$ на которой определена вероятностная мера $\widetilde \mu;$ $\mu$ - продолжение меры $\widetilde \mu$ на сигма-алгебру, порожденную цилиндрическими множествами. Исследуются инвариантные множества и аттракторы уравнения со случайными параметрами $(1).$ Получены условия, при которых заданное множество является максимальным аттрактором. Показано, что внутри инвариантного множества $A\subseteq [a,b]$ могут существовать решения, хаотические с вероятностью единица. Это происходит в случае, когда существуют $m_i\in\mathbb N$ и множества $\Omega_i\subset\Omega$ такие, что $\mu(\Omega_i)>0,$ $i=1,2,$ и ${\rm cl} \,f^{m_1}(\Omega_1,A)\cap \,{\rm cl} f^{m_2}(\Omega_2,A)=\varnothing.$ Решения, хаотические с вероятностью единица, также наблюдаются в случае, когда уравнение $(1)$ либо не имеет ни одного цикла, либо все циклы отталкивающие с вероятностью единица. Результаты работы проиллюстрированы на примере непрерывно-дискретной вероятностной модели динамики изолированной популяции; для данной модели исследованы различные динамические режимы развития, которые имеют определенные отличия от режимов детерминированных моделей и более полно отображают процессы, происходящие в реальных физических системах.

We consider the probability model defined by the difference equation $$x_{n+1}=f(\omega_n,x_n), \quad (\omega_n,x_n)\in \Omega\times [a,b], \quad n=0,1,\dots, \qquad\qquad (1)$$ where $\Omega$ is a given set with sigma-algebra of subsets $\widetilde{\mathfrak A},$ on which a probability measure $\widetilde \mu$ is defined. Let $\mu $ be a continuation of the measure $\widetilde \mu $ on the sigma-algebra generated by cylindrical sets. We study invariant sets and attractors of the equation with random parameters $(1).$ We receive conditions under which a given set is the maximal attractor. It is shown that, in invariant set $A\subseteq [a,b]$, there can be solutions, which are chaotic with probability one. It is observed in the case when exist an $m_i\in\mathbb N $ and sets $\Omega_i\subset\Omega $ such that $ \mu (\Omega_i)> 0,$ $i=1,2,$ and ${\rm cl}\, f^{m_1}(\Omega_1,A)\cap \,{\rm cl}\, f^{m_2}(\Omega_2,A)=\varnothing.$ It is shown, that solutions, chaotic with probability one, exist also in the case when the equation $(1)$ either has no any cycle, or all cycles are unstable with probability one. The results of the paper are illustrated by the example of a continuous-discrete probabilistic model of the dynamics of an isolated population; for this model we investigate different modes of dynamic development, which have certain differences from the modes of determined models and describe the processes in real physical systems more exhaustively.

В работе исследуется динамика диска, катящегося по абсолютно шероховатой плоскости. Доказано, что уравнения движения обладают инвариантной мерой с непрерывной плотностью только в двух случаях: при динамически симметричном диске и диске со специальным распределением масс. В первом случае уравнения движения обладают двумя дополнительными интегралами и являются интегрируемыми в квадратурах по теореме Эйлера-Якоби. Во втором случае с помощью отображения Пуанкаре показано отсутствие дополнительных интегралов. В обоих случаях для любой области фазового пространства, переносимой потоком системы, ее объем, вычисленный с помощью плотности инвариантной меры, сохраняется. В неголономной механике известны как системы, допускающие инвариантную меру, так и системы, у которых она отсутствует.

This paper addresses the dynamics of a disk rolling on an absolutely rough plane. It is proved that the equations of motion have an invariant measure with continuous density only in two cases: a dynamically symmetric disk and a disk with a special mass distribution. In the former case, the equations of motion possess two additional integrals and are integrable by quadratures by the Euler-Jacobi theorem. In the latter case, the absence of additional integrals is shown using a Poincaré map. In both cases, the volume of any domain in phase space (calculated with the help of the density) is preserved by the phase flow. Nonholonomic mechanics is populated with systems both with and without an invariant measure.

В статье рассматривается возникновение хаотического аттрактора в неунимодальном одномерном отображении, моделирующем динамику популяции. Появление не являющегося переходным хаотического режима происходит без каскада бифуркации. Изменение в поведении модели возникает после обратной касательной бифуркации. C биологической точки зрения эффект интерпретируется резким включением дополнительных факторов смертности для поколения на определенном этапе. Разработанная модель описывает волнообразную зависимость запаса и пополнения при воспроизводстве отдельных видов рыб, наблюдавшуюся в естественной среде.

Article considers arising of chaotic attractor for notunimodal one-dimensional map, which is a model of pupulation dynamics. Chaotic mode, which is not transient behavior spring up without cascade of bifurcation. Change in behaviour of the map appears as a consequence of backward tangent bifurcation. In the biological view effect is interpreted by sudden inclusion of mortality rate for generation on appointed stage. The new model describes the wave-like dependency of the stock and recruitment existed for real fish population.