耦合分数阶布朗马达在非对称势中的输运

讨论了分数阶Frenkel-Kontorova模型的物理意义, 并应用该模型刻画了耦合粒子链在记忆性介质中的输运现象, 研究了各参数对粒子链运动状态的影响. 数值仿真结果表明: 系统的记忆性对粒子链的运动有显著影响, 尤其出现了在非记忆性情况下所不具有的反向流. 同时发现粒子链的平均流速会随耦合强度、分数阶的阶数变化而产生广义共振; 此外, 平均流速还会随噪声强度的变化出现广义随机共振现象. 关键词： 分数阶Frenkel-Kontorova模型 记忆性介质 随机共振 定向输运反向流     

带反馈的分数阶耦合布朗马达的定向输运

研究具有幂律记忆性的带反馈耦合布朗马达的定向输运现象, 引入分数阶理论, 建立了带反馈的分数阶耦合布朗马达模型, 利用分数阶差分法求得模型数值解并分析了模型参数对合作定向输运性质的影响. 仿真结果表明, 系统的记忆性通过影响带反馈的棘齿势的打开和闭合而影响粒子的定向输运, 即当系统的阶数在较小的范围内, 系统的记忆性会使带反馈的棘齿势的开关频率增加, 从而增大定向流速; 当系统其他参数(势垒高度、噪声强度等)固定时, 输运速度随着阶数的变化出现广义随机共振现象.     

分数阶对数耦合系统在非周期外力作用下的定向输运现象

本文讨论了分数阶对数耦合系统在非周期外力作用情况下, 耦合粒子链的定向输运现象. 由于粒子在黏性介质中的运动具有“记忆性”, 所以本文通过将系统建模为分数阶对数耦合模型来研究各个系统参数对粒子链运动状态的影响. 数值仿真表明: 1)对于此类系统, 只有在存在外力作用的情况下粒子链才能够产生定向输运现象, 并且粒子链平均流速随着外力的增大而增大. 2)对于分数阶阶数较小的系统, 阻尼记忆性对粒子链的运动状态有显著的影响, 具体表现为: 粒子链的平均流速存在上界(这个上界非常小), 无论外力、耦合力以及噪声强度如何变化, 粒子链的平均流速都不会超过这个上界. 当系统的阻尼力很大且外力为零时, 粒子链不会产生定向输运现象. 3) 当系统的阶数与外力较大时, 虽然粒子链能够产生定向流, 但是此时系统对耦合力与噪声具有免疫性. 4) 耦合力与噪声强度对粒子链运动的影响只在外力较小的情况下有所表现. 在这种情况下, 当系统阶数充分大时, 粒子链的平均流速随着耦合力与噪声强度的变化而变化, 并且伴随着定向流的产生.     

时间非对称外力驱动分数阶布朗马达的定向输运

本文研究了周期对称势中时间非对称外力驱动的布朗粒子输运现象, 建立了分数阶布朗马达输运模型. 其中外力是零均值的, 而分数阶阶数则刻画了客观环境的非均匀性程度. 通过将模型离散化进行数值模拟, 讨论了分数阶阶数、系统参量和外部参量与定向流之间的依赖关系. 研究表明, 即使没有倾斜势场的作用, 时间非对称外力也可以诱导系统产生定向输运; 输运速度随分数阶阶数的增大而单调递增; 当阶数固定时, 系统的输运速度会随着势垒高度、噪声强度非单调变化, 表现出广义随机共振现象. 分析指出, 分数阶郎之万方程所刻画的输运现象是在整数阶模型基础上的一个推广, 进而为输运现象提供了一个可能更为真实的模型.     

非对称耦合粒子链在棘齿势中的确定性定向输运

针对不受外力和噪声驱动的非对称耦合粒子链在棘齿势中的运动, 建立了相应的数学模型, 并对其确定性定向输运现象进行研究. 仿真结果表明: 在粒子间的非对称耦合和具有空间反演非对称的棘齿势的共同作用下, 粒子链能够产生定向输运现象, 并在适当参数条件下还能形成反向定向流; 粒子链平均速度关于耦合系数、势垒高度、弹簧自由长度等系统参数分别都存在广义共振现象, 即存在最佳参数使得定向输运速度达到最大; 在其他参数固定的情况下, 粒子链平均速度关于弹簧自由长度变化的曲线具有近似反对称的特点, 并存在广义多峰共振现象.     

分数阶布朗马达在闪烁棘齿势中的合作输运现象

引入分数阶微积分理论,建立耦合分数阶布朗马达在闪烁棘齿势中的合作输运模型, 利用分数阶差分法求得模型数值解并分析了模型参数对合作定向输运性质的影响. 发现在具有记忆性的分数阶棘齿系统中, 系统阶数与粒子间耦合强度不仅可影响粒子链输运速度, 还可使粒子链出现与整数阶方向相反的定向流; 在阶数固定下, 定向输运速度将随参数(噪声强度、耦合强度、棘齿势峰值高度)变化出现广义随机共振现象. 关键词： 分数阶布朗马达 闪烁棘齿势 合作定向输运 广义随机共振     

分数阶Brown马达及其定向输运现象

选取幂函数作为广义Langevin方程的阻尼核函数,采用闪烁棘轮势,建立了过阻尼分数阶Brown马达模型.结合分数阶微积分的记忆性,分析了粒子在过阻尼分数阶Brown马达作用下的运动特性.研究发现,较之整数阶情形,过阻尼分数阶Brown马达也会产生定向输运现象,并且在某些阶数下会产生整数阶情形所不具有的反向定向流.此外,还讨论了阶数和噪声强度对系统输运速度的影响,发现当阶数固定时,其平均输运速度会随噪声变化出现随机共振;当噪声强度固定时,其输运速度会随阶数变化而振荡,即出现多峰的广义随机共振现象.     

二维势场中弹性耦合粒子的定向输运研究

建立了二维势场中弹性耦合粒子的输运模型, 其中一维上加交流驱动及噪声, 另一维上不加驱动及噪声, 分析讨论了过阻尼情形下系统和外部参量对定向流的影响. 结果表明, 粒子可以通过相互耦合使一个方向上输入的驱动能量转化到垂直方向上, 从而使无能量输入的方向产生定向流. 适当的弹簧自由长度及耦合强度可以使定向流达到极值, 特别是当耦合强度及噪声强度固定时, 定向流会随弹簧自由长度的变化而振荡, 出现多峰现象. 研究还发现, 定向流随噪声强度的变化出现随机共振现象. 当产生定向流方向上的势的不对称度达到一定程度时会出现流反转现象. 关键词： 弹性耦合 定向输运 随机共振 流反转     

三态噪声激励下分数阶耦合系统的随机共振现象

为了刻画在黏弹性介质中具有质量涨落的耦合粒子的运动行为,本文提出了相应模型,即三态噪声激励下的分数阶耦合系统.利用Shapiro-Loginov公式和Laplace变换,发现了粒子间的统计同步性,并得到了系统输出幅值增益的解析表达.在此基础上,针对模型涉及的关键要素,即耦合系统、分数阶系统和三态噪声,着重分析了耦合系数、系统阶数和噪声稳态转移概率对系统输出幅值增益的广义随机共振现象的影响,并给出了合理解释.具体地说,1)随着耦合系数的增大,共振现象将先增强后减弱,直至收敛.该现象表明适当的耦合作用能够促进系统共振现象的产生,体现了研究耦合系统的重要性.2)随着系统阶数的增大,共振现象将逐渐减弱.当系统阶数取值为1,即系统退化为整数阶系统时,其输出幅值增益的峰值最小,该现象说明分数阶系统能比传统整数阶系统得到更大的输出幅值增益.3)噪声稳态转移概率对系统输出幅值增益的影响会随着与之相关的其他参数的变化而变化.在一定参数条件下,三态噪声不仅能够使系统输出幅值获得比双态噪声激励时更大的增益,还能改变系统的共振类型.最后,通过数值仿真验证了上述结果的正确性.     

分数阶双头分子马达的欠扩散输运现象

研究具有幂律记忆性的细胞液中双头分子马达的定向输运现象,选取幂函数作为广义Langevin方程的阻尼核函数,建立了分数阶过阻尼耦合Brown马达模型,讨论了阶数及耦合系数对双头分子马达定向输运速度的影响. 仿真结果表明,分数阶过阻尼双头分子马达也会产生定向输运现象,并且在某些阶数下会产生整数阶情形所不具有的反向定向流. 当噪声强度固定时,输运速度随着阶数以及耦合系数的变化均会出现广义随机共振现象. 特别地,研究发现双头分子马达在记忆闪烁棘轮势中具有某些单头分子马达所不具备的运动特性,定向流的大小和方向由噪声与双头间作用力相互耦合控制. 关键词： 分数阶双头分子马达 欠扩散 定向输运 广义随机共振     

时间非对称分数阶类Langevin棘齿

本文将细胞内环境假定为分数阶牛顿黏弹性体并建立了单位质量的一维线动分子马达的时间非对称分数阶类郎之万棘齿模型,其中的周期势函数是空间对称的,而用于刻画ATP水解反应引起的环境波动的则是无偏的时间非对称类郎之万噪声.然后本文将模型转化为离散映射以便进行计算机模拟.最后本文以Logistic映射所生成的类郎之万噪声为例简单模拟了模型的定向输运行为.各参数情形下的模拟结果均显示:无需势函数的空间对称破缺,时间非对称的类郎之万噪声已足以引起模型的定向输运.负向的输运行为应归因于Logistic映射的两个不稳定不动点的非对称分布.因此,尽管模拟结果同整数阶模型相比并无本质区别,但分数阶模型对于分子马达的噪声整流机理的刻画却无疑更接近实际情况.     

双频驱动下分数阶过阻尼马达在空间对称势中的定向输运

从阻尼对历史加速度记忆的角度出发,对阶数p∈(0,2)的分数阶阻尼物理意义给出了统一的合理解释,具体分析了不同阶数下的阻尼记忆特性,在此基础上研究了空间对称势中分数阶单分子马达在无偏置双频简谐激励下的输运问题,通过数值方法分析了输运速度与模型各参数的关系以及分数阶阻尼对输运现象的影响机理.研究表明,在不同阶数下历史加速度对当前时刻阻尼力的贡献与距当前时刻的时间长度呈单增或单减关系;在适当参数下输运速度随空间势深和外力频率的增大均会出现广义共振现象,特别地,在存在输运且阻尼阶数较大的情况下输运速度随势深增大出现阶梯状变化而与外力频率呈正比例关系;输运速度及方向对外力波形十分敏感,在不同外力下阻尼力的记忆性会分别促进或阻碍粒子跃迁,甚至引发与整数阶方向相反的定向流.     

分数阶双稳系统中的非周期振动共振

在受二进制非周期信号和周期方波信号激励的分数阶双稳系统中,研究了非周期振动共振问题,用于微弱非周期信号的检测和增强.当非周期信号脉宽较大时,系统为小参数,通过调节周期方波信号的幅值,能够实现非周期振动共振.当非周期信号脉宽较小时,分别通过变尺度法和二次采样法实现了非周期振动共振.使用变尺度法,得到的大参数等价系统能够匹配任意小的非周期信号脉宽,其中变尺度系数是该方法在使用过程中需要选择的关键参数.使用二次采样法,二次采样后得到的非周期信号具有较大的脉宽,能够匹配原先的小参数系统,其中二次采样频率比是该方法使用过程中的关键参数.这两种方法虽然实现非周期振动共振的物理过程不同,但能够达到相同的效果.系统阶数对振动共振产生影响,随着阶数的增大,发生最佳振动共振时所需要的辅助信号幅值变大,同时系统输出的最佳时间序列与输入非周期信号之间的相似性增强.     

二维耦合定向输运模型研究

建立了外部驱动力及噪声作用下的二维耦合定向输运模型, 其中的一个维度上为周期性分段棘齿势, 另一垂直维度上为周期性对称非棘齿势, 外部驱动力及噪声加在周期对称非棘齿势方向上, 而棘齿势方向不加任何驱动, 采用非平衡统计及非线性动力学理论研究了过阻尼情况下耦合系统在两个维度上的输运性质. 结果显示, 棘齿势与非棘齿势方向均可产生定向输运, 其中棘齿势方向的系统平均速度对耦合强度、噪声强度、驱动力强度及粒子数目均有明显的依赖性, 合适的耦合强度、噪声强度、驱动力强度或粒子数目下均可产生最大输运速度. 而非棘齿势方向的系统平均速度受非棘齿势势垒高度影响显著, 但随耦合强度、驱动力强度、驱动力初相位差及粒子数目的变化均出现波动现象, 表现出平均速度对这些参量的依赖性较弱.     

色噪声参激和周期调制噪声外激联合驱动的分数阶线性振子的共振行为

研究了色噪声参激和周期调制噪声外激联合驱动的分数阶线性振子及其共振行为, 利用Laplace变换和Shapiro-Loginov公式, 推导出了系统响应的一阶矩及稳态响应振幅的解析表达式. 讨论了系统阶数、摩擦系数、周期驱动力频率、色噪声强度和相关率等参数对系统稳态响应的影响, 发现系统稳态响应振幅具有非单调变化的特点, 即出现了广义随机共振现象. 并且在适当参数下, 稳态响应振幅还存在具有双峰的广义随机共振现象.     

涨落作用下周期驱动的分数阶过阻尼棘轮模型的混沌输运现象

考虑涨落作用下周期驱动的过阻尼分数阶棘轮模型, 通过模型的数值求解, 研究确定性棘轮的混沌特性与噪声的作用对输运行为的影响, 进而讨论过阻尼分数阶分子马达反向输运的机理. 分析表明: 随着势垒高度、 势不对称性与模型记忆性的变化, 随机棘轮的反向输运并不必然地要求确定性棘轮也反向输运; 随着模型阶数的减小, 亦即分数阻尼介质记忆性的增强, 确定性棘轮在反向输运之前会经历一个周期倍化导致的混沌状态, 但在噪声作用下, 反向流的发生会提前, 即混沌状态的确定性棘轮在噪声的作用下即可进行反向输运. 也就是说, 噪声能定性地改变棘轮的输运状态: 从无噪声时的混沌运动到有噪声时的定向输运. 这是过阻尼随机棘轮反向输运的一种机理, 也是噪声在定向输运过程中发挥积极作用的一个体现.     

带有分数阶阻尼的压电能量采集系统相干共振

研究了含分数阶阻尼的双稳态能量采集系统的相干共振. 建立了带有分数阶阻尼的轴向受压梁压电能量采集系统动力学模型. 对于分数阶方程, 采用Euler-Maruyama-Leipnik方法进行求解, 计算了不同阻尼阶数下的能量采集系统的信噪比、响应均值、跃迁数目等统计物理量. 结果表明: 此压电能量采集系统在随机激励下可以实现相干共振, 阻尼阶数对相干共振的临界噪声强度和相干共振幅值有很大影响. 关键词： 分数阶阻尼 随机激励 能量采集系统 相干共振     

过阻尼分数阶Langevin方程及其随机共振

通过对广义Langevin方程阻尼核函数的适当选取,在过阻尼的情形下, 推导出分数阶Langevin方程.给合反常扩散理论和分数阶导数的记忆性, 讨论了分数阶Langevin方程的物理意义,进而得出分数阶Langevin方程产生随机共振的内在机理.数值模拟表明,在一定的阶数范围内,分数阶Langevin方程可以产生随机共振, 并且分数阶下的信噪比增益好于整数阶情形.     

分数阶Liu系统与分数阶统一系统中的混沌现象及二者的异结构同步

对近几年提出的Liu混沌系统和统一混沌系统，研究了其分数阶系统的混沌动力学行为，发现低于三阶的两系统均存在混沌吸引子，且存在混沌的最低阶数仅为0.3，并计算了存在混沌时系统的最大Lyapunov指数，证明了混沌的存在性；利用Active控制技术实现了分数阶Liu系统与分数阶Lorenz系统及分数阶Lü系统的异结构同步.理论分析及数值实验都证明了该同步方案的有效性. 关键词： 分数阶Liu系统 分数阶统一系统 混沌 异结构同步     

线性过阻尼分数阶Langevin方程的共振行为

通过将广义Langevin方程中的系统内噪声建模为分数阶高斯噪声,推导出分数阶Langevin方程, 其分数阶导数项阶数由系统内噪声的Hurst指数所确定.讨论了处于强噪声环境下的线性过阻尼分数阶 Langevin方程在周期信号激励下的共振行为,利用Shapiro-Loginov公式和Laplace变换, 推导了系统响应的一、二阶稳态矩和稳态响应振幅、方差的解析表达式.分析表明,适当参数下, 系统稳态响应振幅和方差随噪声的某些特征参数、周期激励信号的频率及系统部分参数的变化出现了 广义的随机共振现象.