Математическая модель эксперимента Николсона

Considered  is a mathematical model of insects  population dynamics,  and  an attempt is made  to explain  classical experimental results  of Nicholson with  its help.  In the  first section  of the paper  Nicholson’s experiment is described  and dynamic  equations  for its modeling are chosen.  A priori estimates  for model parameters can be made more precise by means of local analysis  of the  dynamical system,  that is carried  out in the second section.  For parameter values found there  the stability loss of the  problem  equilibrium  of the  leads to the  bifurcation of a stable  two-dimensional torus.   Numerical simulations  based  on the  estimates  from the  second section  allows to explain  the  classical Nicholson’s experiment, whose detailed  theoretical substantiation is given in the last section.  There for an atrractor of the  system  the  largest  Lyapunov  exponent is computed. The  nature of this  exponent change allows to additionally narrow  the area of model parameters search.  Justification of this experiment was made possible  only  due  to  the  combination of analytical and  numerical  methods  in studying  equations  of insects  population dynamics.   At the  same time,  the  analytical approach made  it possible to perform numerical  analysis  in a rather narrow  region of the  parameter space.  It is not  possible to get into this area,  based only on general considerations.Рассматривается математическая модель  динамики  численности  насекомых  и предпринимается попытка  объяснения  с ее помощью классических экспериментальных результатов Николсона. В первой части работы описывается эксперимент Николсона и выбираются динамические уравнения  для его моделирования. Априорные оценки параметров модели удается  уточнить с помощью локального  анализа  динамической  системы,  который  выполнен  во втором  разделе.  В нем найдены значения  параметров, при которых потеря устойчивости состоянием равновесия задачи приводит к бифуркации устойчивого двумерного тора. Численный  счет, выполненный на основе оценок из второго раздела, позволяет  объяснить  классический эксперимент  Николсона,  развернутое теоретическое  обоснование которого дано в последнем разделе.  В нем для аттрактора системы вычислен старший  ляпуновский  показатель. Характер изменения  этого показателя при изменении коэффициента линейного роста задачи  позволяет  дополнительно  сузить  область  поиска параметров модели.  Обоснование  данного  эксперимента стало  возможным лишь  в результате сочетания аналитических и численных  методов  исследования  уравнений  динамики  популяций  насекомых. При этом аналитический подход дал возможность проводить  численный  анализ  в достаточно  узкой области пространства параметров. Попасть в эту область, исходя лишь из общих соображений, не представляется возможным

Релаксационные колебания электрически связанных нейроподобных осцилляторов с запаздыванием

The system of diffusion couplexl nonlinear differential-difference equations with delay modelling the elexctrical interacction of pulse neurons is studiexl. Given the spexxl of electrical processes in the system is high, the limit system, responsible for relaxation ccydes, is construcctexL Along with a synchronous cycle the system permits stable asynchronous ccydes, which asymptotics are presentexLРассматривается система диффузионно связанных нелинейных дифференциально-разностных уравнений с запаздыванием, моделирующих электрическое взаимодействие импульсных нейронов. При условии, что скорость проте¬кания электрических процессов в системе велика, построена предельная систе¬ма, отвечающая за релаксационные циклы системы. Показано, что, наряду с синхронным, система может иметь устойчивые несинхронные циклы, найдены асимптотики этих циклов

От редактора специального выпуска

.

Размерностные характеристики диффузионного хаоса

The phenomenon of multimode diffusion chaos is considered. For a number of examples it is shown that the Lyapunov dimension of the attractor of a distributed dynamical system increases as the diffusion coefficient tends to 0.Рассматривается феномен многомодового диффузионного хаоса, одним из признаков которого является увеличение ляпуновской размерности аттрактора распределенных эволюционных динамических систем при уменьшении коэффициента диффузии. Для ряда примеров выполнен обширный численный эксперимент, в котором проиллюстрирован этот эффект

Учет возрастных групп в уравнении Хатчинсона

The dynamics of a generalized Hutchinson's equation with two delays is investigated. A local analysis of a loss of a stability for the nonzero equilibrium state for the problem has been made. Phase reorganizations have been analyzed with numerical methods with the help of the obtained asymptotic formulas. The bifurcation curves that correspond to the principal bifurcations, which take place in the system, have been built on the parameters' plane.Изучается динамика обобщенного уравнения Хатчинсона с двумя запаздываниями. Проведен локальный анализ потери устойчивости ненулевого состояния равновесия задачи. С учетом полученных асимптотических формул численно проанализированы фазовые перестройки, происходящие с изучаемым уравнением. На плоскости параметров построены бифуркационные кривые, соответствующие основным бифуркациям, происходящим в системе

Разностные аппроксимации уравнения «реакция - диффузия» на отрезке

The system of phase differences for a chain of diffuse weakly coupled oscillators on a stable integral manifold is constructed and analysed. It is shown by means of numerical methods that as the number of oscillators in the chain increases, the Lyapunov dimention growth is close to linear. The extensive computations performed for difference model of Ginsburg-Landau equation illustrate this result and determine the applicability limits for asymptotic methods.Для цепочки диффузионно слабо связанных колебательных систем на устойчивом интегральном многообразии построена и проанализирована система разностей фаз осцилляторов. В случае, когда число осцилляторов в цепочке растет, численными методами показано, что ляпуновская размерность аттрактора увеличивается по близкому к линейному закону. Произведен обширный численный эксперимент для разностной модели уравнения Гинзбурга - Ландау, в котором проиллюстрирован этот результат и определены границы применимости асимптотических методов

От редактора специального выпуска

.

Features of the Algorithmic Implementation of Difference Analogues of the Logistic Equation with Delay

The logistic equation with delay or Hutchinson’s equation is one of the fundamental equations of population dynamics and is widely used in problems of mathematical ecology. We consider a family of mappings built for this equation based on central separated differences. Such difference schemes are usually used in the numerical simulation of this problem. The presented mappings themselves can serve as models of population dynamics; therefore, their study is of considerable interest. We compare the properties of the trajectories of these mappings and the original equation with delay. It is shown that the behavior of the solutions of the mappings constructed on the basis of the central separated differences does not preserve, even with a sufficiently small value of the time step, the basic dynamic properties of the logistic equation with delay. In particular, this map does not have a stable invariant curve bifurcating under the oscillatory loss of stability of a nonzero equilibrium state. This curve corresponds in such mappings to the stable limit cycle of the original continuous equation. Thus, it is shown that such a difference scheme cannot be used for numerical modeling of the logistic equation with delay

Релаксационные циклы в обобщенной нейронной модели с двумя запаздываниями

A method of modeling the phenomenon of bursting behavior in neural systems based on delay equations is proposed. A singularly perturbed scalar nonlinear differentialdifference equation of Volterra type is a mathematical model of a neuron and a separate pulse containing one function without delay and two functions with different lags. It is established that this equation, for a suitable choice of parameters, has a stable periodic motion with any preassigned number of bursts in the time interval of the period length. To prove this assertion we first go to a relay-type equation and then determine the asymptotic solutions of a singularly perturbed equation. On the basis of this asymptotics the Poincare operator is constructed. The resulting operator carries a closed bounded convex set of initial conditions into itself, which suggests that it has at least one fixed point. The Frechet derivative evaluation of the succession operator, made in the paper, allows us to prove the uniqueness and stability of the resulting relax of the periodic solution.Предложен способ моделирования феномена ”bursting behavior” в нейронных системах, основанный на использовании уравнений с запаздыванием. Рассматривается сингулярно возмущенное скалярное нелинейное дифференциально-разностное уравнение вольтерровского типа, являющееся математической моделью отдельного импульсного нейрона и содержащее одну функцию без запаздывания и две функции с различными запаздываниями. Установлено, что у этого уравнения при подходящем выборе параметров существует устойчивое периодическое движение с любым наперед заданным количеством всплесков на отрезке времени длины периода. Для доказательства данного утверждения сначала выполняется переход к уравнению релейного типа, затем определяется асимптотика решения сингулярно возмущенного уравнения и на основе этой асимптотики строится оператор последования Пуанкаре. Полученный оператор переводит замкнутое, ограниченное выпуклое множество начальных условий в себя, что позволяет утверждать, что он имеет хотя бы одну неподвижную точку. Выполненная в работе оценка производной Фреше оператора последования позволяет доказать единственность и устойчивость полученного релаксационного периодического решения

Неупорядоченные колебания в нейросети из трех осцилляторов с запаздывающей вещательной связью

A model of neural association of three pulsed neurons with a delayed broadcast connection is considered. It is assumed that the parameters of the problem are chosen near the critical point of stability loss by the homogeneous equilibrium state of the system. Because of the broadcast connection the equation corresponding to one of the oscillators can be detached in the system. The two remaining impulse neurons interact with each other and, in addition, there is a periodic external action, determined by the broadcast neuron. Under these conditions, the normal form of this system is constructed for the values of parameters close to the critical ones on a stable invariant integral manifold. This normal form is reduced to a four-dimensional system with two variables responsible for the oscillation amplitudes, and the other two, defined as the difference between the phase variables of these oscillators with the phase variable of the broadcast oscillator. The obtained normal form has an invariant manifold on which the amplitude and phase variables of the oscillators coincide. The dynamics of the problem on this manifold is described. An important result was obtained on the basis of numerical analysis of the normal form. It turned out that periodic and chaotic oscillatory solutions can occur when the coupling between the oscillators is weakened. Moreover, a cascade of bifurcations associated with the same type of phase rearrangements was discovered, where a self-symmetric stable cycle alternately loses symmetry with the appearance of two symmetrical cycles. A cascade of bifurcations of doubling occurs with each of these cycles with the appearance of symmetric chaotic regimes. With further reduction of the coupling parameter, these symmetric chaotic regimes are combined into a self-symmetric one, which is then rebuilt into a self-symmetric cycle of a more complex form compared to the cycle obtained at the previous step. Then the whole process is repeated. Lyapunov exponents were calculated to study chaotic attractors of the system.Рассматривается модель нейронной ассоциации из трех импульсных нейронов с вещательной запаздывающей связью между ними. Учитывая, что связь вещательная, в системе отщепляется уравнение, соответствующее одному из осцилляторов. Два оставшихся импульсных нейрона взаимодействуют друг с другом, и, кроме того, имеется периодическое внешнее воздействие, определяемое вещательным нейроном. В этих условиях, при значениях параметров, близких к критическим, на устойчивом инвариантном интегральном многообразии построена нормальная форма данной системы. Эта нормальная форма сводится к четырехмерной системе, две переменных которой отвечают за амплитуды колебаний осцилляторов, а две другие определяются разностью фазовых переменных этих осцилляторов с фазовой переменной вещательного осциллятора. Полученная нормальная форма имеет инвариантное многообразие, на котором амплитудные и фазовые переменные осцилляторов совпадают. Описана динамика задачи на этом многообразии. Важный результат удалось получить на основе численного анализа нормальной формы. Оказалось, что при ослаблении связи между осцилляторами могут возникать периодические и хаотические колебательные решения. Более того, был обнаружен каскад бифуркаций, связанный с однотипными фазовыми перестройками, в котором поочередно самосимметричный устойчивый цикл теряет симметрию с возникновением двух симметричных друг другу циклов; с каждым из этих циклов происходит каскад бифуркаций удвоения с появлением симметричных хаотических режимов. Эти симметричные хаотические режимы при дальнейшем уменьшении параметра связи объединяются в самосимметричный, который затем перестраивается в самосимметричный цикл более сложного вида по сравнению с полученным на предыдущем шаге. Далее весь процесс повторяется. Для изучения хаотических аттракторов системы вычислялись ляпуновские показатели