二维不稳定流形的计算

提出了动力系统中稳定流形和不稳定流形的一种实用的快速算法,可以求得稳定流形和不稳定流形的直观图像,从而从几何角度研究动力系统的动态行为和稳定性区域的边界特征.算法由两步构成:①在不稳定流形上求得一些分布均匀的点,以精确反映流形的每个细节;②借助三角形剖分或二维单纯形剖分利用①的算法将这些点画出直观流形图像.     

连续时间系统二维不稳定流形的异构算法

非线性系统的二维流形通常具有复杂几何结构和丰富动力学信息,因此在流形计算与可视化时存在大量的不可避免的数值计算.因此,如何高效地完成这些计算就成了关键问题.鉴于当今计算机的异构发展趋势(包含多核CPU和通用GPU),本文在兼顾精度和通用性的基础上,提出了适用于新一代计算平台的快速流形计算方法.本算法将计算任务分为轨道延伸和三角形生成两部分,前者运算量大而单一适合GPU完成,后者运算量小而复杂适合CPU执行.通过对Lorenz系统原点稳定流形的计算,表明本算法能充分发挥异构平台的综合性能,可大幅度提高计算速 关键词： 不稳定流形 流形计算 异构计算 Lorenz系统     

典型混沌映射的流形计算

映射双曲不动点流形的同宿相交是产生混沌的源泉.通过对映射双曲不动点的流形进行计算,观察是否发生同宿相交现象,进而说明映射的混沌性.提出-种算法计算映射的-维稳定与不稳定流形,利用流形曲线上导数传递这-特殊性质,以"预测-校正"两个步骤快速确定流形上新离散点的位置,避免速度慢的二分搜索.以流形切线方向为参考检查新离散点的位置是否满足精度条件.用典型的混沌映射验证算法的有效性.仿真结果表明,算法能够快速有效地计算映射的-维稳定和不稳定流形.     

基于Foliation条件的离散动力系统二维流形计算

研究离散动力系统双曲不动点的二维流形计算,利用不变流形轨道上Jacobian矩阵能够传递导数这一特殊性质,提出一种新的一维流形计算方法,通过预测-校正两个步骤迅速确定流形上新网格点,避免重复计算,并简化精度控制条件.在此基础上,将基于流形面Foliation条件进行推广,推广后的Foliation条件能够控制二维流形上的一维子流形的增长速度,从而实现二维流形在各个方向上的均匀增长.此外,算法可以同时用于二维稳定和不稳定流形的计算.以超混沌三维Hénon映射和具有蝶形吸引子的Lorenz系统为例验证了算法的有效性.     

Duffing单边碰撞系统的混沌鞍合并激变

以典型的Duffing单边碰撞系统为研究对象,对系统中的混沌鞍进行了细致的分析.研究表明,系统的混沌鞍同样存在合并激变,合并激变是由连接两个混沌鞍的周期鞍的稳定流形与不稳定流形相切所诱发,相切使得边界上的混沌鞍与内部的混沌鞍发生碰撞而突然合并为一个较大的边界混沌鞍.混沌鞍的合并激变行为最终会诱导混沌吸引子的合并激变发生. 关键词： Duffing碰撞系统 混沌鞍 周期鞍 稳定与不稳定流形     

基于广义Foliation条件的非线性映射 二维流形计算

主要研究非线性映射函数双曲不动点的二维流形计算问题. 提出了推广的Foliation条件, 以此来衡量二维流形上的一维流形轨道的增长量, 进而控制各子流形的增长速度, 实现二维流形在各个方向上的均匀增长. 此外, 提出了一种一维子流形轨道的递归插入算法, 该算法巧妙地解决了二维流形面上网格点的插入、前像搜索, 以及网格点后续轨道计算问题, 同时插入的轨道不必从初始圆开始计算, 避免了在初始圆附近产生过多的网格点. 以超混沌三维Hénon映射和具有蝶形吸引子的Lorenz系统为例验证了算法的有效性.     

一个分段Sprott系统及其混沌机理分析

提出了一个分段Sprott系统,对其混沌机理进行了分析.根据Shilnikov定理,在满足异宿轨道基本特性、Shilnikov不等式和特征方程条件下,通过寻找该系统中由不稳定流形、异宿点和稳定流形三个几何不变集上所形成的一条异宿轨道,在分段Sprott系统中导出了存在异宿轨道时该系统中各个参数应符合的条件, 并找到了一组对应的实参数,由此证明了异宿轨道的存在性.最后,根据这组对应的实参数,进行了电路设计与实验验证. 关键词： 分段Sprott系统 Shilnikov定理 异宿轨道 电路实验     

混沌吸引子的对称破缺激变

许多非线性动力系统都有某种对称性,在不同情形下可有不同的表现形式,但始终保持其对称的特点.不同对称形式间的转变导致对称破缺分岔或激变.关于非线性动力系统中相空间运动轨道的对称破缺分岔,已有大量研究工作,但绝大多数是指周期或拟周期相轨的对称破缺,偶尔提到对称系统中的混沌相轨也存在“对偶性”.最近,在简谐外激Duffing系统周期轨道对称破缺引发鞍-结分岔的研究中,得到了分岔后由Poincaré映射点间断流构成的图像,其中包括两个稳定周期结点、一个周期鞍点,及其稳定流形与不稳定流形,均较规则.本工作研究了正弦 关键词： 对称破缺 混沌 激变 分形吸引域     

加性和乘性泊松白噪声联合激励下光滑非连续振子的随机响应

利用广义胞映射方法,研究了加性和乘性泊松白噪声联合作用下SD振子(smooth and discontinuous oscillator)的随机响应问题.基于图分析算法,获得确定SD振子的吸引子、吸引域、域边界、鞍和不变流形等全局特性.基于矩阵分析算法,计算了SD振子在泊松白噪声激励下的瞬态和稳态响应.结果表明:随机响应的概率密度函数演化方向和确定情况下的不稳定流形形状之间存在密切联系.蒙特卡罗模拟结果表明,所使用的方法是有效且准确的.     

关于非自治系统三类广义同步存在性的研究

研究了两个单向耦合的非自治系统三类广义同步的存在性.在响应系统的修正方程具有渐近稳定平衡点、渐近稳定周期轨道或渐近稳定拟周期轨道的情况下,满足一定的条件,可将广义同步化流形存在性问题转化为Lipschitz函数族的压缩不动点问题,并且理论证明了该广义同步化流形的指数吸引性.同时,以Duffing系统为例进行了数值仿真,其结果与理论推导相一致. 关键词： 广义同步化流形 压缩不动点 指数吸引性     

Slow integral manifolds for Lagrangian fluid dynamics in unsteady geophysical flows

The authors consider Lagrangian motion of fluid particles in unsteady gravity currents in geophysical flows. The vertical motion of fluid particles, especially the induced vertical mixing in these currents, is partially responsible for the ocean thermohaline circulation, and thus plays a role in the global climate dynamics.First, a reduced dynamic system for slow variables is derived for a nonautonomous multiscale system. The reduced system, still nonautonomous, is the original system restricted to a centre-like nonautonomous invariant manifold (so-called slow manifold) which holds slow motions of the system. An algorithm is also presented to obtain an approximation of the nonautonomous slow manifold. A novelty here is that the reduction principle applies to nonautonomous multiscale systems which satisfy conditions that are true only locally in space (as in many physical cases). This makes the reduction principle applicable to real physical systems.Then, this invariant manifold reduction principle is applied to an approximate conceptual Lagrangian model of gravity currents and a reduced nonautonomous system for slow vertical motion is obtained. This reduced system may be useful as a conceptual tractable tool for understanding some features of vertical mixing in unsteady gravity currents.     

切换系统Lyapunov指数的算法及应用

Lyapunov指数是判定系统非线性行为的重要工具,然而目前的大多算法并不适用于切换系统.在传统Jacobi法的基础上,提出了一种新算法,可以直接计算得到n维切换系统的n个Lyapunov指数.首先,根据切换面处相邻轨线的动态变化规律,从相空间几何推导出切换面处轨线变化的Jacobi矩阵;然后,对该矩阵进行QR分解,从而利用R的对角线元素实现Lyapunov指数的切换补偿;最后,将新算法应用到平面双螺旋混沌系统、Glass网络和航天器供电系统三个实例中,并将计算结果与Poincaré映射方法的计算结果进行比较,对新算法的有效性进行验证.     

Probability distribution for the number of cycles between successive regime transitions for the Lorenz model

The Lorenz model has been widely used for exploring many real world problems. In this paper we obtain, with the help of an invariant manifold technique, the return map for the maximum value of the variable x of the model and use this return map to derive the simple, empirically obtained, regime transition rules for forecasting regime changes and length in the new regime for the model. The probability distribution for number of cycles between successive regime transitions of the Lorenz model may be of interest in many disciplines. We apply the Perron-Frobenius algorithm over the return map to estimate the probability distribution for the number of cycles between successive regime transitions. These probabilities are also estimated for the forced Lorenz model, which is a conceptual model to explore the effects of sea surface temperature on seasonal rainfall.     

Accurate and efficient algorithm for simulation of fringe projection system

Because of intrinsic drawbacks of existing algorithm for optical simulation: first, there is an accuracy problem, finite-precision machine arithmetic introduces error into line-surface intersection calculation. Second, these algorithms do not or partially consider process of shadow modeling. In this paper, we present an algorithm based on geometric analysis to simulate fringe projection system, a variable-step-iterative (VSI) algorithm is used to search line-surface intersection point, which can avoid many difficult problems. The proposed algorithm can accurately identify the shadow. Simulation results shows the reconstructed RMS errors obtained by our algorithm are far smaller than those obtained by previous reported algorithm. Simulation results validate our VSI algorithm can obtain more accurate results than many previous intersection point algorithms. Simulation results indicate our shadow modeling algorithm exceeds many existing shadow modeling algorithm, and is equivalent to shadow volumes algorithm, but our shadow algorithm runs faster than shadow volumes algorithm.     

基于流形学习的声目标特征提取方法研究

为解决目前声目标识别面临的鲁棒性不足问题,提出将流形学习应用到声目标的特征提取中,在经典流形学习算法的基础上,研究讨论了目标声信号频域中存在的低维流形,通过两种实际的地面和低空飞行声目标数据集进行对比识别实验,分析了基于流形学习的声目标特征提取方法的性能,结果表明基于流形学习的特征提取方法可以发现声信号的本质特征,提高了声目标识别系统的准确性和鲁棒性. 关键词： 声目标识别 特征提取 流形学习     

基于流形学习的极端学习机及其在人脸识别中的应用

极端学习机以其快速高效和良好的泛化能力在模式识别领域得到了广泛应用,然而现有的ELM及其改进算法并没有充分考虑到数据维数对ELM分类性能和泛化能力的影响,当数据维数过高时包含的冗余属性及噪音点势必降低ELM的泛化能力,针对这一问题本文提出一种基于流形学习的极端学习机,该算法结合维数约减技术有效消除数据冗余属性及噪声对ELM分类性能的影响,为验证所提方法的有效性,实验使用普遍应用的图像数据,实验结果表明本文所提算法能够显著提高ELM的泛化性能。