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Multistable systems under the influence of noise

  • Nonlinear multistable systems under the influence of noise exhibit a plethora of interesting dynamical properties. A medium noise level causes hopping between the metastable states. This attractorhopping process is characterized through laminar motion in the vicinity of the attractors and erratic motion taking place on chaotic saddles, which are embedded in the fractal basin boundary. This leads to noise-induced chaos. The investigation of the dissipative standard map showed the phenomenon of preference of attractors through the noise. It means, that some attractors get a larger probability of occurrence than in the noisefree system. For a certain noise level this prefernce achieves a maximum. Other attractors are occur less often. For sufficiently high noise they are completely extinguished. The complexity of the hopping process is examined for a model of two coupled logistic maps employing symbolic dynamics. With the variation of a parameter the topological entropy, which is used together with the Shannon entropy as a measure ofNonlinear multistable systems under the influence of noise exhibit a plethora of interesting dynamical properties. A medium noise level causes hopping between the metastable states. This attractorhopping process is characterized through laminar motion in the vicinity of the attractors and erratic motion taking place on chaotic saddles, which are embedded in the fractal basin boundary. This leads to noise-induced chaos. The investigation of the dissipative standard map showed the phenomenon of preference of attractors through the noise. It means, that some attractors get a larger probability of occurrence than in the noisefree system. For a certain noise level this prefernce achieves a maximum. Other attractors are occur less often. For sufficiently high noise they are completely extinguished. The complexity of the hopping process is examined for a model of two coupled logistic maps employing symbolic dynamics. With the variation of a parameter the topological entropy, which is used together with the Shannon entropy as a measure of complexity, rises sharply at a certain value. This increase is explained by a novel saddle merging bifurcation, which is mediated by a snapback repellor. Scaling laws of the average time spend on one of the formerly disconnected parts and of the fractal dimension of the connected saddle describe this bifurcation in more detail. If a chaotic saddle is embedded in the open neighborhood of the basin of attraction of a metastable state, the required escape energy is lowered. This enhancement of noise-induced escape is demonstrated for the Ikeda map, which models a laser system with time-delayed feedback. The result is gained using the theory of quasipotentials. This effect, as well as the two scaling laws for the saddle merging bifurcation, are of experimental relevance.show moreshow less
  • Nichtlineare multistabile Systeme unter dem Einfluss von Rauschen weisen vielschichtige dynamische Eigenschaften auf. Ein mittleres Rauschlevel zeitigt ein Springen zwischen den metastabilen Zustaenden. Dieser “attractor-hopping” Prozess ist gekennzeichnet durch laminare Bewegung in der Naehe von Attraktoren und erratische Bewegung, die sich auf chaotischen Satteln abspielt, welche in die fraktalen Einzugsgebietsgrenzen eingebettet sind. Er hat rauschinduziertes Chaos zur Folge. Bei der Untersuchung der dissipativen Standardabbildung wurde das Phaenomen der Praeferenz von Attraktoren durch die Wirkung des Rauschens gefunden. Dies bedeutet, dass einige Attraktoren eine groessere Wahrscheinlichkeit erhalten aufzutreten, als dies fuer das rauschfreie System der Fall waere. Bei einer bestimmten Rauschstaerke ist diese Bevorzugung maximal. Andere Attraktoren werden aufgrund des Rauschens weniger oft angelaufen. Bei einer entsprechend hohen Rauschstaerke werden sie komplett ausgeloescht. Die Komplexitaet des Sprungprozesses wird fuerNichtlineare multistabile Systeme unter dem Einfluss von Rauschen weisen vielschichtige dynamische Eigenschaften auf. Ein mittleres Rauschlevel zeitigt ein Springen zwischen den metastabilen Zustaenden. Dieser “attractor-hopping” Prozess ist gekennzeichnet durch laminare Bewegung in der Naehe von Attraktoren und erratische Bewegung, die sich auf chaotischen Satteln abspielt, welche in die fraktalen Einzugsgebietsgrenzen eingebettet sind. Er hat rauschinduziertes Chaos zur Folge. Bei der Untersuchung der dissipativen Standardabbildung wurde das Phaenomen der Praeferenz von Attraktoren durch die Wirkung des Rauschens gefunden. Dies bedeutet, dass einige Attraktoren eine groessere Wahrscheinlichkeit erhalten aufzutreten, als dies fuer das rauschfreie System der Fall waere. Bei einer bestimmten Rauschstaerke ist diese Bevorzugung maximal. Andere Attraktoren werden aufgrund des Rauschens weniger oft angelaufen. Bei einer entsprechend hohen Rauschstaerke werden sie komplett ausgeloescht. Die Komplexitaet des Sprungprozesses wird fuer das Modell zweier gekoppelter logistischer Abbildungen mit symbolischer Dynamik untersucht. Bei Variation eines Parameters steigt an einem bestimmten Wert des Parameters die topologische Entropie steil an, die neben der Shannon Entropie als Komplexitaetsmass verwendet wird. Dieser Anstieg wird auf eine neuartige Bifurkation von chaotischen Satteln zurueckgefuehrt, die in einem Verschmelzen zweier Sattel besteht und durch einen “Snap-back”-Repellor vermittelt wird. Skalierungsgesetze sowohl der Verweilzeit auf einem der zuvor getrennten Teile des Sattels als auch des Wachsens der fraktalen Dimension des entstandenen Sattels beschreiben diese neuartige Bifurkation genauer. Wenn ein chaotischer Sattel eingebettet in der offenen Umgebung eines Einzugsgebietes eines metastabilen Zustandes liegt, fuehrt das zu einer deutlichen Senkung der Schwelle des rauschinduzierten Tunnelns. Dies wird anhand der Ikeda-Abbildung, die ein Lasersystem mit einer zeitverzoegerden Interferenz beschreibt, demonstriert. Dieses Resultat wird unter Verwendung der Theorie der Quasipotentiale erzielt. Sowohl dieser Effekt, die Senkung der Schwelle für rauschinduziertes Tunneln aus einem metastabilen Zustand durch einen chaotischen Sattel, als auch die beiden Skalierungsgesteze sind von experimenteller Relevanz.show moreshow less

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Metadaten
Author:Suso Kraut
URN:urn:nbn:de:kobv:517-0000424
Advisor:Jürgen Kurths, Celso Grebogi, Ulrike Feudel
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2001
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2002/04/12
Release Date:2005/02/10
Tag:Chaotische Sattel; Multistabilität; Nichtlineare Systeme; Rauschen
Multistability; chaotic saddle; noise; nonlinear systems
RVK - Regensburg Classification:UG 1080
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik und Astronomie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik