Обнаружение колебательных процессов в сложных системах


Артемьев Эдуард Иосифович

Колебания – это движения или процессы, которые характеризуются периодической повторяемостью во времени. Периодические или колебательные явления широко проявляются как физические, биологические, социальные процессы: колебания механического маятника, волны на поверхности воды, дыхание, биение сердца, волновое изменение численности популяций животных, периодические изменения солнечной активности, колебания в экономике.

Практически все замкнутые динамические системы можно охарактеризовать периодической повторяемостью во времени. Все они обнаруживают тенденцию к переходу в периодический режим.

В начале XX века советский ученый Чижевский Александр Леонидович (1897-1964) доказал зависимость биологических и социальных процессов на Земле от периода колебаний солнечной активности, составляющего около 11 лет. Гелиобиология, основанная Чижевским, изучает связи солнечной активности с различными явлениями в биосфере Земли. В рамках такого подхода, волновые процессы, происходящие на Солнце, являются причиной процессов-следствий, протекающих на Земле.



Рис. 1. Отслеживание циклических связей с помощью программы «Кристал 2009». Заготовки зайца-беляка в Якутии (верхняя кривая) и солнечная активность.



Синхронные волны также прослеживаются в модели «хищник-жертва», которая впервые была рассмотрена Вито Вольтерра (1860-1940) для объяснения колебаний уловов больших рыб-хищников и малых рыб-жертв в Адриатическом море. Уловы этих рыб колебались во времени с равными периодами, но отличались по фазе.





Рис. 2. Диаграмма изменения численности хищников и жертв, полученная с помощью QBasic.



С одной стороны изменение численности рыб-жертв является причинным процессом, влияющим на скорость размножения рыб-хищников. С дугой стороны, изменение численности рыб-жертв напрямую зависит и является следствием динамики развития популяции рыб-хищников.

Устранить подобные неопределённости в установлении причинно-следственных связей помогает синергетика. В рамках синергетического подхода для объяснения периодичности сторонние причины не нужны. Сама система после очередного возмущения (скачка, бифуркации) преобразует внешнее воздействие в периодическое движение.

Синергетика исследует организационный фактор, эффект взаимодействия больших систем. Возникновение организационного поведения может быть обусловлено внешними воздействиями (вынужденная организация) или может быть результатом развития собственной (внутренней) неустойчивости системы в системе (самоорганизация).

Для выявления закономерностей, имеющих место в сложных колебательных системах, исследователи могут использовать свободные программы «Кристалл 2007» и «Кристалл 2009», созданные мной. Приведу их краткое описание.

Программа «Кристалл 2007» предназначена для анализа временных рядов путём подбора регрессионной зависимости вида

x=A[1]*sin(B[1]*t+C[1])+...+A[n]*sin(B[n]*t+C[n]). (1)

Программа позволяет отслеживать гармоническую зависимость исследуемой величины x от времени t. В рамках данного подхода считается, что величина x описывает некоторое явление, основанное на наложении n волн (гармоник) с амплитудами A[i], циклическими (круговыми) частотами B[i], фазами колебаний C[i]. На рис. 3 представлен экран работы программы, где обрабатываются результаты наблюдений за солнечной активностью. В качестве характеристики активности было взято число Вольфа – количество пятен на Солнце.

Программа «Кристалл 2009» для выявления общих волновых составляющих в двух и более процессах. Этот аппарат позволяет выявлять гармонические связи между различными явлениями и меру тесноты этих связей. Учёному остаётся только выносить вердикт: является ли данная зависимость заслуживающей внимания.

Фактически, для двух величин x[1] и x[2], изменяющихся во времени, программа «Кристалл 2009» находит две приближающие функции вида

x[1]=A[1]*sin(B*t+C[1]) и x[2]=A[2]*sin(B*t+C[2]) (2)

которые достаточно близко описывают рассматриваемые величины и имеют общий частотный коэффициент B.





Рис. 3. Экран работы программы «Кристалл 2007».



Обе вышеописанные программы замечательны тем, что в них реализованы сложные комбинированные алгоритмы подбора гармонических уравнений регрессии. Ведь подбор приближающих функций (1) и (2) не поддаётся классическому методу наименьших квадратов. Я искренне надеюсь, что мои программы облегчат труд многих исследователей.






Программа Crystal 2006. ZIP-архив. 350КБ.

Программа Crystal 2007. ZIP-архив. 400КБ.

Артемьев Эдуард Иосифович



Построение волновых трендов для нескольких временных рядов


Предлагаю программу Crystal 2009 для подбора волновых трендов и определения общей волновой составляющей нескольких реальных наблюдаемых процессов. Можно сказать, что программа позволяет выявлять скрытые циклические связи между различными, на первый взгляд независимыми, процессами.

Мне ещё предстоит заняться отладкой этой программы, слишком уж «нестабильны» результаты её работы.

О программе Crystal 2009. DJVU-документ. 58КБ.
Программа Crystal 2009. ZIP-архив. 230КБ.

Hosted by uCoz