Skip to main content
SUPERVISOR
Farhad Shahbazi,Keivan Aghababaei samani
فرهاد شهبازی دستجرده (استاد راهنما) کیوان آقابابائی سامانی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Reihaneh Kouhi Esfahani
ریحانه کوهی اصفهانی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده فیزیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1387

TITLE

Synchronization of kuramoto model on regular and small-world networks in the presence of white noise
Synchronization phenomena in population of interacting elements are the subject of intense research efforts in physics, chemistry, biology and social science. A successful approach to the problem of synchronization consists of modeling each member of the population as a phase oscillator. In this thesis after introducing the synchronization phenomena, the stability of frequency synchronization in complex networks is analyzed in kuramorto model. First, we investigate the synchronization of two oscillators and find out how the difference between natural frequencies will affect the stability state of synchronization and then find out in which condition they could get the fully synchronized state. Then we introduce the complex networks, and became familiar with Small-World, Scale-Free, Random and Regular networks and teach how we can model them in computer. More than that, we will familiar with "clustering coefficient" and "the shortest path length" which are two important aspects of networks. Then we model the synchronization between oscillators in regular and small-world networks, and find out the stable state of them in the kuramoto model. The results will compare with results of random and scale-free networks. It will be shown that, in random and scale-free networks, the only stable state is r=1 (fully synchronized state), mean while in regular, it has two stable state, r=1 and r=0. Moreover, we will introduce the new method for finding out the stable states in regular networks. In the old method we should calculate the huge matrix and its eigen values to recognize its stability, but in this method we can find out it, just from the phase of nodes. In small-world network we could see that, it has multi stable states with order parameter between one and zero. The result of this unusual aspect was the presence of some clusters in small-world. It means some nodes will not became synchronized like others; and make some groups and clusters in network. Then we investigate this work in the presence of white noise. We show that for a fix coupling constant, the robustness of the globally synchronized state against the noise is depend on the noise intensity in all three networks. At low noise intensities small-world network is more robust against loosing the coherency than random, and random is more robust than scale-free, but upon increasing the noise, the situation is vice versa. More than it we find out "stochastic synchronization" in small-world, which means that noise will help the system to be more synchronized in some range of its intensities. After this, we will investigate the reason of this phenomenon and we will use some methods like "clusters" to find out the reason. At the end we will find out the parameters that lead the network to have stochastic synchronization aspect; and we will see how the ranges of phase are important.
پدیده هم‌گام‌سازی در مجموعه‌ای از اجزای دارای برهم‌کنش، موضوع تحقیقاتی علوم گسترده‌ای از جمله فیزیک، شیمی، زیست‌شناسی و علوم اجتماعی است. یک رهیافت موفق برای حل مساله‌ی هم‌‌گام‌سازی در نظر گرفتن هر یک از اجزای مجموعه به عنوان یک نوسانگر فاز است. در این پایان‌نامه نوسانگرهای فاز در حال برهم‌کنش در شبکه‌های پیچیده مورد بررسی قرار گرفته‌اند. ابتدا به تعریف شبکه‌های پیچیده می‌پردازیم و با چهار شبکه اصلی جهان‌کوچک، منظم، بی‌مقیاس و تصادفی آشنا می‌شویم و با خصوصیات اصلی شبکه‌ها یعنی «ضریب خوشگی» و «طول کوتاهترین مسیر» آشنا شده و نحوه محاسبه تحلیلی و هم چنین نحوه شبیه سازی آن ها را فرا خواهیم گرفت و تعریف‌های مختلف را با هم مقایسه خواهیم کرد. سپس برهم‌کنش نوسانگرها در دو شبکه منظم و جهان‌کوچک با استفاده از مدل کوراموتو شبیه سازی و بررسی خواهد شد و حالات پایدار آن‌ها بدست آورده می‌شود. در ادامه نتایج با دو شبکه بی‌مقیاس و تصادفی مقایسه شده است. نشان داده خواهد شد که بر خلاف دو شبکه تصادفی و بی‌مقیاس که تنها یک حالت پایدار با پارامتر نظم (r) مساوی با یک (هم‌گامی کامل) دارند، شبکه منظم دو حالت پایدار r=1 و r=0 دارد. علاوه بر این روشی برای شناخت حالات پایدار در شبکه منظم ارائه شد، که بر خلاف روش معمول (ماتریس پایداری) که نیاز به محاسبات پیچیده و طاقت فرسا به ازای هر حالت ایستا دارد، در این روش تنها از مشاهده ظاهر شبکه در حالت ایستا می توان پی به پایداری و یا عدم پایداری آن برد. در شبکه جهان‌کوچک بر خلاف شبکه منظم که فقط دو حالت پایدار r=1 و r=0 دارد و دو شبکه بی‌مقیاس و تصادفی که فقط حالت پایدار r=1 دارند، مشاهده شد که بی‌نهایت حالت پایدار با پارامتر نظم بین صفر و یک دارد. سپس به بررسی علت این پدیده پرداخته شد و وجود دسته‌هایی از نوسانگرهای ناهم‌گام با شبکه در آن مشاهده و اثبات شد. سپس افزایش نوفه سفید را بر روی شبکه جهان‌کوچک مورد بررسی قرار خواهیم داد و مشاهده می‌کنیم که بر خلاف شبکه‌های تصادفی و بی‌مقیاس که افزایش شدت نوفه سفید به سیستم، باعث کاهش هم‌گامی نوسانگرها و در نتیجه کاهش پارامتر نظم می‌شود، در شبکه جهان‌کوچک در بازه‌ای از شدت نوفه، اختلال خارجی (نوفه) کمک به هم‌گام شدن بیشتر نوسانگرها می‌کند. این پدیده که به پدیده هم‌گامی تصادفی مشهور است باعث بروز اتفاقاتی زیبا درون طبیعت می‌شود، مانند هم‌گامی نرون‌های مغز، نوسانگرهای ژن و غیره. در ادامه علت وقوع این پدیده در شبکه جهان‌کوچک را بررسی می‌کنیم. برای این منظور با پارامترهایی از جمله «خوشه» آشنا می‌شویم و نواقص آن را شناسایی می‌کنیم. برای نفع نواقص موجود پارامتر جدیدی به نام «خوشه‌های هم‌بسته» را تعریف خواهیم کرد و با استفاده از آن و محاسبه انحراف معیار مربوطه، خواهیم دید چگونه نوفه کمک به یکسان کردن فاز نوسانگرها در بازه‌ای از شدت خواهد کرد. در نهایت شرایطی که باعث بروز هم‌گامی تصادفی در شبکه جهان‌کوچک می‌شوند را خواهیم یافت و وابستگی بازه فاز اولیه به پدیده هم‌گامی تصادفی را مورد تحقیق قرار می‌دهیم.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی