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            2009   3   1



(   )          R           2009   3   1   1 / 23
:                   (                        )
                                             !
                , @tkf, id:tkf41, (id:artk           )
    :
    4                   1
        :
    http://arataka.wordpress.com
    : Python, C/C++, PHP, Javascript
    R
    :                               /


(           )               R                        2009   3   1   2 / 23
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    (   )    R   2009   3   1   3 / 23
=                  OK




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                                !

    (   )    R       2009   3   1    3 / 23
=                  OK
                 ⊂



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    (   )    R       2009   3   1    3 / 23
=                  OK
                 ⊂



        R?
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                                !

    (   )    R       2009   3   1    3 / 23
=                  OK
                         ⊂



        R?
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             (       )



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    (   )        R           2009   3   1    3 / 23
=                  OK
                          ⊂



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             (        )
                     (    )

                                         !

    (   )        R            2009   3   1    3 / 23
=                  OK
                                     ⊂



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                        (        )
                                (    )
        /////////////
                                                    !

    (             )         R            2009   3   1    3 / 23
3
                                   x = −x
                                   ¨
               (             )     x = −x + c x
                                   ¨          ˙
                                !) x = −x + c(1 − x2 ) x
Van der Pol          (             ¨                   ˙
Lorenz attractor (           !)    x = σ(y − x)
                                   ˙
                                   y = x(ρ − z) − y
                                   ˙
                                   z = xy − βz
                                   ˙



       (   )             R                      2009   3   1   4 / 23
1:
x = −x
¨




             ((x, x)        )
                  ˙
                  :             ⇔

     (   )             R            2009   3   1   5 / 23
2:
x = −x + c x
¨          ˙




               (0, 0)
                        :
                            (   )
               ⇒
      (    )        R               2009   3   1   6 / 23
3: Van der Pol
x = −x + c(1 − x2 ) x
¨                   ˙




                          ⇒
                              !
    ⇒
        (   )             R              2009   3   1   7 / 23
4: Lorenz attractor




                                        !
            ⇒
(   )   R                2009   3   1       8 / 23
(       )
(       )




    (   )   R   2009   3   1   9 / 23
(bifurcation)       ?




1                                   2
        Saddle-Node Bifurcation

        Pitchfork Bifurcation
                                2




    (      )              R                 2009   3   1   10 / 23
1: Saddle-Node Bifurcation (1/2)
       : x = x2 − r
         ˙

    x=0
    ˙
      ! x = x2 − rx = (x + r)(x − r)
        ˙
        √
    x=± r(                                                      )
                     r>0

        y                           y                                  y
              y = x^2 - r




                                                             dx/dt < 0

                         x                          x                                 x
                                                        dx/dt > 0
             dx/dt > 0                                                      dx/dt > 0
                                        dx/dt > 0




     (a) r < 0                   (b) r = 0                          (c) r > 0


(        )                   R                                             2009   3       1   11 / 23
1: Saddle-Node Bifurcation (2/2)
      : x = x2 − r
        ˙

    (a) r < 0:                                    (               )
    (b) r = 0:
           x<0                                    x=0
                                                      (               )
           x>0
    (c) r > 0: √
           x < √r                                     x=0
                                                              (           )
           x> r
              y                          y                                       y
                   y = x^2 - r




                                                                          dx/dt < 0

                              x                           x                                   x
                                                                  dx/dt > 0
                  dx/dt > 0                                                           dx/dt > 0
                                             dx/dt > 0




           (a) r < 0                  (b) r = 0                               (c) r > 0



(      )                          R                                                               2009   3   1   12 / 23
2: Pitchfork Bifurcation (1/2)
           : x = −x3 + rx
             ˙
       x=0
       ˙
                            x
         ! x = −x3 + rx = − 3 (x + r)(x − r)
           ˙
           √
       x=± r(                             )
                        r>0
       x=0

               y                               y                                  y
y = x^3 + rx




                                                                                        dx/dt < 0
                                                                        dx/dt < 0
                                                   dx/dt < 0
                   dx/dt < 0

                               x                               x                                  x
                                   dx/dt > 0
   dx/dt > 0                                                       dx/dt > 0
                                                                                  dx/dt > 0




          (a) r < 0                       (b) r = 0                            (c) r > 0
   (           )                     R                                                2009    3       1   13 / 23
2: Pitchfork Bifurcation (2/2)
       : x = −x3 + rx
         ˙

    (a) r < 0: x = 0
    (b) r = 0: x = 0
    (c) r > 0:                                                     √
             x<0                                             x = − √r
             x>0                                             x=+ r
                                             (               )
             x=0
                     y                               y                                  y
      y = x^3 + rx




                                                                                             dx/dt < 0
                                                                              dx/dt < 0
                                                         dx/dt < 0
                         dx/dt < 0

                                     x                               x                               x
                                         dx/dt > 0
         dx/dt > 0                                                       dx/dt > 0
                                                                                        dx/dt > 0




                (a) r < 0                        (b) r = 0                           (c) r > 0




(        )                               R                                                           2009   3   1   14 / 23
!




(   )   R   2009   3   1   15 / 23
¨
        Rossler Attractor




           x = −y − z
           ˙
           y = x + ay
           ˙
           z = b + (c − x)z
           ˙

           z        xz
           ˙



(   )          R              2009   3   1   16 / 23
¨
           Rossler Attractor




    (a) c = 4     (b) c = 6   (c) c = 8.5




    (d) c = 8.7   (e) c = 9   (f) c = 12




    (g) c = 12.8 (h) c = 13 (i) c = 18
(     )           R                   2009   3   1   17 / 23
Chua’s Circuit




           x = c1 (y − x − g(x))
           ˙
           y = c2 (x − y + z)
           ˙
           z = −c3 y
           ˙
                    m0 −m1
    g(x) = m1 x +          (|x   + 1| − |x − 1|)
                       2
            g(x)



(     )             R                        2009   3   1   18 / 23
Chua’s Circuit




(a) c3 = 50     (b) c3 = 35   (c) c3 = 33.8




(d) c3 = 33.6   (e) c3 = 33   (f) c3 = 25.58
   (    )          R                 2009   3   1   19 / 23
CTRNN (3 nodes)



                    n
    τi xi = −xi +         wi j tanh(x j + b j )
       ˙
                    j=1

             n=3
             tanh



(      )            R                             2009   3   1   20 / 23
CTRNN (3 nodes)

               τ3 = 1.0 τ3 = 2.0 τ3 = 3.0

    τ2 = 1.0

    τ2 = 1.9

    τ2 = 2.0

    τ2 = 4.0

(      )           R                 2009   3   1   21 / 23
(   )   R   2009   3   1   22 / 23
3           :
            ,       ,




(       )       R       2009   3   1   22 / 23
3               :
            ,                 ,
                        :
    Saddle-Node Bifurcation
    Pitchfork Bifurcation




(       )           R             2009   3   1   22 / 23
3               :
            ,                 ,
                        :
    Saddle-Node Bifurcation
    Pitchfork Bifurcation




(       )           R             2009   3   1   22 / 23
3               :
            ,                 ,
                        :
    Saddle-Node Bifurcation
    Pitchfork Bifurcation


                R


(       )           R             2009   3   1   22 / 23
Kathleen T. Alligood Tim Sauer James A.
Yorke, “Chaos: An Introduction to Dynamical
Systems”, Springer, 1997
Steven H. Strogatz, “Nonlinear Dynamics and
Chaos: With Applications to Physics, Biology,
Chemistry, and Engineering”, Westview Pr, 2001
Randall D. Beer, “On the Dynamics of Small
Continuous-Time Recurrent Neural Networks”,
Adaptive Behavior, Vol. 3, No. 4, 469-509 (1995)


  (    )           R                  2009   3   1   23 / 23

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  • 1. R 2009 3 1 ( ) R 2009 3 1 1 / 23
  • 2. : ( ) ! , @tkf, id:tkf41, (id:artk ) : 4 1 : http://arataka.wordpress.com : Python, C/C++, PHP, Javascript R : / ( ) R 2009 3 1 2 / 23
  • 3. R? R ! ( ) R 2009 3 1 3 / 23
  • 4. = OK R? R ! ( ) R 2009 3 1 3 / 23
  • 5. = OK ⊂ R? R ! ( ) R 2009 3 1 3 / 23
  • 6. = OK ⊂ R? R ! ( ) R 2009 3 1 3 / 23
  • 7. = OK ⊂ R? R ( ) ! ( ) R 2009 3 1 3 / 23
  • 8. = OK ⊂ R? R ( ) ( ) ! ( ) R 2009 3 1 3 / 23
  • 9. = OK ⊂ R? R ( ) ( ) ///////////// ! ( ) R 2009 3 1 3 / 23
  • 10. 3 x = −x ¨ ( ) x = −x + c x ¨ ˙ !) x = −x + c(1 − x2 ) x Van der Pol ( ¨ ˙ Lorenz attractor ( !) x = σ(y − x) ˙ y = x(ρ − z) − y ˙ z = xy − βz ˙ ( ) R 2009 3 1 4 / 23
  • 11. 1: x = −x ¨ ((x, x) ) ˙ : ⇔ ( ) R 2009 3 1 5 / 23
  • 12. 2: x = −x + c x ¨ ˙ (0, 0) : ( ) ⇒ ( ) R 2009 3 1 6 / 23
  • 13. 3: Van der Pol x = −x + c(1 − x2 ) x ¨ ˙ ⇒ ! ⇒ ( ) R 2009 3 1 7 / 23
  • 14. 4: Lorenz attractor ! ⇒ ( ) R 2009 3 1 8 / 23
  • 15. ( ) ( ) ( ) R 2009 3 1 9 / 23
  • 16. (bifurcation) ? 1 2 Saddle-Node Bifurcation Pitchfork Bifurcation 2 ( ) R 2009 3 1 10 / 23
  • 17. 1: Saddle-Node Bifurcation (1/2) : x = x2 − r ˙ x=0 ˙ ! x = x2 − rx = (x + r)(x − r) ˙ √ x=± r( ) r>0 y y y y = x^2 - r dx/dt < 0 x x x dx/dt > 0 dx/dt > 0 dx/dt > 0 dx/dt > 0 (a) r < 0 (b) r = 0 (c) r > 0 ( ) R 2009 3 1 11 / 23
  • 18. 1: Saddle-Node Bifurcation (2/2) : x = x2 − r ˙ (a) r < 0: ( ) (b) r = 0: x<0 x=0 ( ) x>0 (c) r > 0: √ x < √r x=0 ( ) x> r y y y y = x^2 - r dx/dt < 0 x x x dx/dt > 0 dx/dt > 0 dx/dt > 0 dx/dt > 0 (a) r < 0 (b) r = 0 (c) r > 0 ( ) R 2009 3 1 12 / 23
  • 19. 2: Pitchfork Bifurcation (1/2) : x = −x3 + rx ˙ x=0 ˙ x ! x = −x3 + rx = − 3 (x + r)(x − r) ˙ √ x=± r( ) r>0 x=0 y y y y = x^3 + rx dx/dt < 0 dx/dt < 0 dx/dt < 0 dx/dt < 0 x x x dx/dt > 0 dx/dt > 0 dx/dt > 0 dx/dt > 0 (a) r < 0 (b) r = 0 (c) r > 0 ( ) R 2009 3 1 13 / 23
  • 20. 2: Pitchfork Bifurcation (2/2) : x = −x3 + rx ˙ (a) r < 0: x = 0 (b) r = 0: x = 0 (c) r > 0: √ x<0 x = − √r x>0 x=+ r ( ) x=0 y y y y = x^3 + rx dx/dt < 0 dx/dt < 0 dx/dt < 0 dx/dt < 0 x x x dx/dt > 0 dx/dt > 0 dx/dt > 0 dx/dt > 0 (a) r < 0 (b) r = 0 (c) r > 0 ( ) R 2009 3 1 14 / 23
  • 21. ! ( ) R 2009 3 1 15 / 23
  • 22. ¨ Rossler Attractor x = −y − z ˙ y = x + ay ˙ z = b + (c − x)z ˙ z xz ˙ ( ) R 2009 3 1 16 / 23
  • 23. ¨ Rossler Attractor (a) c = 4 (b) c = 6 (c) c = 8.5 (d) c = 8.7 (e) c = 9 (f) c = 12 (g) c = 12.8 (h) c = 13 (i) c = 18 ( ) R 2009 3 1 17 / 23
  • 24. Chua’s Circuit x = c1 (y − x − g(x)) ˙ y = c2 (x − y + z) ˙ z = −c3 y ˙ m0 −m1 g(x) = m1 x + (|x + 1| − |x − 1|) 2 g(x) ( ) R 2009 3 1 18 / 23
  • 25. Chua’s Circuit (a) c3 = 50 (b) c3 = 35 (c) c3 = 33.8 (d) c3 = 33.6 (e) c3 = 33 (f) c3 = 25.58 ( ) R 2009 3 1 19 / 23
  • 26. CTRNN (3 nodes) n τi xi = −xi + wi j tanh(x j + b j ) ˙ j=1 n=3 tanh ( ) R 2009 3 1 20 / 23
  • 27. CTRNN (3 nodes) τ3 = 1.0 τ3 = 2.0 τ3 = 3.0 τ2 = 1.0 τ2 = 1.9 τ2 = 2.0 τ2 = 4.0 ( ) R 2009 3 1 21 / 23
  • 28. ( ) R 2009 3 1 22 / 23
  • 29. 3 : , , ( ) R 2009 3 1 22 / 23
  • 30. 3 : , , : Saddle-Node Bifurcation Pitchfork Bifurcation ( ) R 2009 3 1 22 / 23
  • 31. 3 : , , : Saddle-Node Bifurcation Pitchfork Bifurcation ( ) R 2009 3 1 22 / 23
  • 32. 3 : , , : Saddle-Node Bifurcation Pitchfork Bifurcation R ( ) R 2009 3 1 22 / 23
  • 33. Kathleen T. Alligood Tim Sauer James A. Yorke, “Chaos: An Introduction to Dynamical Systems”, Springer, 1997 Steven H. Strogatz, “Nonlinear Dynamics and Chaos: With Applications to Physics, Biology, Chemistry, and Engineering”, Westview Pr, 2001 Randall D. Beer, “On the Dynamics of Small Continuous-Time Recurrent Neural Networks”, Adaptive Behavior, Vol. 3, No. 4, 469-509 (1995) ( ) R 2009 3 1 23 / 23