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2020 年度 実施状況報告書

ランダム力学系理論に基づく確率カオスの現象論とその応用

研究課題

研究課題/領域番号 18K03441
研究機関北海道大学

研究代表者

佐藤 譲  北海道大学, 電子科学研究所, 准教授 (30342794)

研究分担者 角 大輝  京都大学, 人間・環境学研究科, 教授 (40313324)
矢野 孝次  京都大学, 理学研究科, 准教授 (80467646)
研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2022-03-31
キーワードrandom dynamical systems / stochastic bifurcation / random strange attractor / stochastic chaos
研究実績の概要

本研究ではランダム力学系で生じる複雑現象の統一的体系化を軸として、ランダム非線形現象論を一層発展させることを目指す。代表者の先行研究で発見された確率分岐、統計的概周期性、雑音誘起再現性はこれまでに知られていなかった雑音誘起現象である。ランダム力学系の確率カオスについてはこれまで数学的研究がなされてきたが、非線形物理学としての研究は少ない。例えばランダムストレンジアトラクターの数学的定義は存在するが、その物理的性質は不明である。さらに代表者らの研究によりKarman旋回流でランダムストレンジアトラクターが実測されている。さらに確率Lorenz系でノイズが大きくなるにつれて緩和時間が長くなることがわかるなど、決定論力学系ではみられなかった新しい現象が複数発見された。
今年度は以下の課題(A), (B), (C)を実施し、(A)は論文投稿済み、(B)、(C)は論文執筆中である。
(A)確率カオスの普遍性の分析: ランダムストレンジアトラクターを生成する確率Lorenz方程式について、分岐解析を行った。ノイズが大きくなるにつれて平衡状態への緩和時間が長くなることがわかった。
(B)大自由度多スケール系の時系列解析: 中緯度ジェット気流のデータの埋め込みにより二次元のランダム結合写像系を構成し、大域的性質として移流不安定性の解析を行っている。
(C)確率カオスの予測可能性の定量化: ランダム力学系の生成エントロピーをtransfer entropyに基づいて定義した。
応用研究として機械学習のランダム力学系解析を新たに行い、2020年9月にImperial College Londonで開催された研究会Dynamical systems and machine learning、同年9月に京都大学で開催された研究会数理科学の諸問題と力学系理論の新展開で講演を行った.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

今年度は以下の課題(A), (B), (C)を実施した。
(A)確率カオスの普遍性の分析: ランダムストレンジアトラクターを生成する確率Lorenz方程式について、分岐解析を行った。ノイズが大きくなるにつれて平衡状態への緩和時間が長くなることがわかった。
(B)大自由度多スケール系の時系列解析: 中緯度ジェット気流のデータの埋め込みにより二次元のランダム結合写像系を構成し、大域的性質として移流不安定性の解析を行う。
(C)確率カオスの予測可能性の定量化: ランダム力学系のKSエントロピーを定義し、数値計算を行った。相対エントロピーに関する予備的な結果に基づいて。
(A)は論文投稿中である。(B), (C)はまだ予備的段階であるが、年内に結果を論文にまとめて投稿予定である。

今後の研究の推進方策

課題(A), (B), (C)の今後の推進方策は以下である。
課題(A)確率カオスの普遍性の分析: 確率Lorenz系の分岐についての論文を今年度前半に出版する。
課題(B)大自由度多スケール系の時系列解析: 論文の結果を拡張し、結合ランダム写像系を構成し、分岐解析を行った論文をまとめる。
課題(C)確率カオスの予測可能性の定量化: ランダム力学系における生成エントロピーをtransfer entropyに基づいて定義し、具体的な雑音誘起現象に適用して妥当性を検証する,
2021年9月に京都大学においてランダム力学系理論に関するRIMS共同研究集会をオーガナイズする。

次年度使用額が生じた理由

COVID19の影響により、学会、国際会議での発表および研究打ち合わせの予定が全て延期されたため。今年度後半に、予定していた国際会議、学会での発表と研究打ち合わせを実施する。

  • 研究成果

    (23件)

すべて 2020 その他

すべて 国際共同研究 (5件) 雑誌論文 (10件) (うち国際共著 5件、 査読あり 9件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 5件、 招待講演 6件)

  • [国際共同研究] CNRS, Saclay(フランス)

    • 国名
      フランス
    • 外国機関名
      CNRS, Saclay
  • [国際共同研究] London Mathematical Laboratory/Imperial College London/Queen Mary University of London(英国)

    • 国名
      英国
    • 外国機関名
      London Mathematical Laboratory/Imperial College London/Queen Mary University of London
  • [国際共同研究] Ball State University/University of Rhode Island(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      Ball State University/University of Rhode Island
  • [国際共同研究] Christian-Albrechts-Universitaet(ドイツ)

    • 国名
      ドイツ
    • 外国機関名
      Christian-Albrechts-Universitaet
  • [国際共同研究] 華北電力大学(中国)

    • 国名
      中国
    • 外国機関名
      華北電力大学
  • [雑誌論文] Fluctuation scaling limits for positive recurrent jumping-in diffusions with small jumps2020

    • 著者名/発表者名
      Yamato Kosuke、Yano Kouji
    • 雑誌名

      Journal of Functional Analysis

      巻: 279 ページ: 108655~108655

    • DOI

      10.1016/j.jfa.2020.108655

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Aging arcsine law in Brownian motion and its generalization2020

    • 著者名/発表者名
      Akimoto Takuma、Sera Toru、Yamato Kosuke、Yano Kouji
    • 雑誌名

      Physical Review E

      巻: 102 ページ: 032103

    • DOI

      10.1103/PhysRevE.102.032103

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Hereditarily non uniformly perfect non-autonomous Julia sets2020

    • 著者名/発表者名
      Comerford Mark、Stankewitz Rich、Sumi Hiroki
    • 雑誌名

      Discrete & Continuous Dynamical Systems - A

      巻: 40 ページ: 33~46

    • DOI

      10.3934/dcds.2020002

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] The Hausdorff dimension function of the family of conformal iterated function systems of generalized complex continued fractions2020

    • 著者名/発表者名
      Inui Kanji、Hiroki Sumi
    • 雑誌名

      Discrete & Continuous Dynamical Systems - A

      巻: 40 ページ: 753~766

    • DOI

      10.3934/dcds.2020060

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Hausdorff measures and packing measures of limit sets of CIFSs of generalized complex continued fractions2020

    • 著者名/発表者名
      Inui Kanji、Sumi Hiroki
    • 雑誌名

      Journal of Difference Equations and Applications

      巻: 26 ページ: 104~121

    • DOI

      10.1080/10236198.2019.1709063

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Spectral Gap Property for Random Dynamics on the Real Line and Multifractal Analysis of Generalised Takagi Functions2020

    • 著者名/発表者名
      Jaerisch Johannes、Sumi Hiroki
    • 雑誌名

      Communications in Mathematical Physics

      巻: 377 ページ: 1~36

    • DOI

      10.1007/s00220-020-03766-5

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Multifractal formalism for generalised local dimension spectra of Gibbs measures on the real line2020

    • 著者名/発表者名
      Jaerisch Johannes、Sumi Hiroki
    • 雑誌名

      Journal of Mathematical Analysis and Applications

      巻: 491 ページ: 124246~124246

    • DOI

      10.1016/j.jmaa.2020.124246

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Asymptotic estimates of SARS-CoV-2 infection counts and their sensitivity to stochastic perturbation2020

    • 著者名/発表者名
      Faranda Davide、Castillo Isaac Perez、Hulme Oliver、Jezequel Aglae、Lamb Jeroen S. W.、Sato Yuzuru、Thompson Erica L.
    • 雑誌名

      Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science

      巻: 30 ページ: 051107~051107

    • DOI

      10.1063/5.0008834

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Permutations uniquely identify states and unknown external forces in non-autonomous dynamical systems2020

    • 著者名/発表者名
      Hirata Yoshito、Sato Yuzuru、Faranda Davide
    • 雑誌名

      Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science

      巻: 30 ページ: 103103~103103

    • DOI

      10.1063/5.0009450

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] カルマン旋回流の確率カオス2020

    • 著者名/発表者名
      佐藤 譲
    • 雑誌名

      日本物理学会誌

      巻: 75 ページ: 274~278

    • DOI

      10.11316/butsuri.75.5_274

  • [学会発表] Generalization of the arcsine laws for infinite ergodic transformations2020

    • 著者名/発表者名
      Kouji Yano
    • 学会等名
      Bernoulli-IMS One World Symposium 2020
    • 国際学会
  • [学会発表] ランダムな複素力学系における様々なランダム性誘起現象とそのメカニズム2020

    • 著者名/発表者名
      角大輝
    • 学会等名
      日本数学会
    • 招待講演
  • [学会発表] Non-uniformly perfect Julia sets of non-autonomous dynamics of unbounded sequences of polynomials2020

    • 著者名/発表者名
      角大輝
    • 学会等名
      数理解析研究所共同研究(公開型)「複素力学系理論の総合的研究」
    • 招待講演
  • [学会発表] Stochastic bifurcation in a turbulent swirling flow2020

    • 著者名/発表者名
      Yuzuru Sato
    • 学会等名
      CRITICS workshop 2020
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Anomalous diffusion in random dynamical systems2020

    • 著者名/発表者名
      Yuzuru Sato
    • 学会等名
      Dynamics Days Digital 2020
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Noise-induced degeneration in online learning2020

    • 著者名/発表者名
      Yuzuru Sato
    • 学会等名
      Dynamical systems and machine learning
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Noise-induced degeneration in online learning2020

    • 著者名/発表者名
      佐藤譲
    • 学会等名
      数理科学の諸問題と力学系理論の新展開
  • [学会発表] Stochastic chaos in random dynamical systems and its applications2020

    • 著者名/発表者名
      Yuzuru Sato
    • 学会等名
      Mathematical Science of Complex Systems: Physics, Chemistry, Biology, Information and Chaos
    • 国際学会 / 招待講演

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公開日: 2021-12-27  

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