@phdthesis{Peter2019,
  author    = {Peter, Franziska},
  title     = {Transition to synchrony in finite Kuramoto ensembles},
  doi       = {10.25932/publishup-42916},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-429168},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {vi, 93},
  year      = {2019},
  abstract  = {Synchronisation - die Ann{\"a}herung der Rhythmen gekoppelter selbst oszillierender Systeme - ist ein faszinierendes dynamisches Ph{\"a}nomen, das in vielen biologischen, sozialen und technischen Systemen auftritt. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Synchronisation in endlichen Ensembles schwach gekoppelter selbst-erhaltender Oszillatoren mit unterschiedlichen nat{\"u}rlichen Frequenzen. Das Standardmodell f{\"u}r dieses kollektive Ph{\"a}nomen ist das Kuramoto-Modell - unter anderem aufgrund seiner L{\"o}sbarkeit im thermodynamischen Limes unendlich vieler Oszillatoren. {\"A}hnlich einem thermodynamischen Phasen{\"u}bergang zeigt im Fall unendlich vieler Oszillatoren ein Ordnungsparameter den {\"U}bergang von Inkoh{\"a}renz zu einem partiell synchronen Zustand an, in dem ein Teil der Oszillatoren mit einer gemeinsamen Frequenz rotiert. Im endlichen Fall treten Fluktuationen auf. In dieser Arbeit betrachten wir den bisher wenig beachteten Fall von bis zu wenigen hundert Oszillatoren, unter denen vergleichbar starke Fluktuationen auftreten, bei denen aber ein Vergleich zu Frequenzverteilungen im unendlichen Fall m{\"o}glich ist. Zun{\"a}chst definieren wir einen alternativen Ordnungsparameter zur Feststellung einer kollektiven Mode im endlichen Kuramoto-Modell. Dann pr{\"u}fen wir die Abh{\"a}ngigkeit des Synchronisationsgrades und der mittleren Rotationsfrequenz der kollektiven Mode von Eigenschaften der nat{\"u}rlichen Frequenzverteilung f{\"u}r verschiedene Kopplungsst{\"a}rken. Wir stellen dabei zun{\"a}chst numerisch fest, dass der Synchronisationsgrad stark von der Form der Verteilung (gemessen durch die Kurtosis) und die Rotationsfrequenz der kollektiven Mode stark von der Asymmetrie der Verteilung (gemessen durch die Schiefe) der nat{\"u}rlichen Frequenzen abh{\"a}ngt. Beides k{\"o}nnen wir im thermodynamischen Limes analytisch verifizieren. Mit diesen Ergebnissen k{\"o}nnen wir Erkenntnisse anderer Autoren besser verstehen und verallgemeinern. Etwas abseits des roten Fadens dieser Arbeit finden wir außerdem einen analytischen Ausdruck f{\"u}r die Volumenkontraktion im Phasenraum. Der zweite Teil der Arbeit konzentriert sich auf den ordnenden Effekt von Fluktuationen, die durch die Endlichkeit des Systems zustande kommen. Im unendlichen Modell sind die Oszillatoren eindeutig in koh{\"a}rent und inkoh{\"a}rent und damit in geordnet und ungeordnet getrennt. Im endlichen Fall k{\"o}nnen die auftretenden Fluktuationen zus{\"a}tzliche Ordnung unter den asynchronen Oszillatoren erzeugen. Das grundlegende Prinzip, die rauschinduzierte Synchronisation, ist aus einer Reihe von Publikationen bekannt. Unter den gekoppelten Oszillatoren n{\"a}hern sich die Phasen aufgrund der Fluktuationen des Ordnungsparameters an, wie wir einerseits direkt numerisch zeigen und andererseits mit einem Synchronisationsmaß aus der gerichteten Statistik zwischen Paaren passiver Oszillatoren nachweisen. Wir bestimmen die Abh{\"a}ngigkeit dieses Synchronisationsmaßes vom Verh{\"a}ltnis von paarweiser nat{\"u}rlicher Frequenzdifferenz zur Varianz der Fluktuationen. Dabei finden wir eine gute {\"U}bereinstimmung mit einem einfachen analytischen Modell, in welchem wir die deterministischen Fluktuationen des Ordnungsparameters durch weißes Rauschen ersetzen.},
  language  = {en}
}
@article{PeterGongPikovskij2019,
  author    = {Peter, Franziska and Gong, Chen Chris and Pikovskij, Arkadij},
  title     = {Microscopic correlations in the finite-size Kuramoto model of coupled oscillators},
  series = {Physical review : E, Statistical, nonlinear and soft matter physics},
  volume    = {100},
  journal   = {Physical review : E, Statistical, nonlinear and soft matter physics},
  number    = {3},
  publisher = {American Physical Society},
  address   = {College Park},
  issn      = {2470-0045},
  doi       = {10.1103/PhysRevE.100.032210},
  pages     = {6},
  year      = {2019},
  abstract  = {Supercritical Kuramoto oscillators with distributed frequencies can be separated into two disjoint groups: an ordered one locked to the mean field, and a disordered one consisting of effectively decoupled oscillators-at least so in the thermodynamic limit. In finite ensembles, in contrast, such clear separation fails: The mean field fluctuates due to finite-size effects and thereby induces order in the disordered group. This publication demonstrates this effect, similar to noise-induced synchronization, in a purely deterministic system. We start by modeling the situation as a stationary mean field with additional white noise acting on a pair of unlocked Kuramoto oscillators. An analytical expression shows that the cross-correlation between the two increases with decreasing ratio of natural frequency difference and noise intensity. In a deterministic finite Kuramoto model, the strength of the mean-field fluctuations is inextricably linked to the typical natural frequency difference. Therefore, we let a fluctuating mean field, generated by a finite ensemble of active oscillators, act on pairs of passive oscillators with a microscopic natural frequency difference between which we then measure the cross-correlation, at both super- and subcritical coupling.},
  language  = {en}
}
@article{PeterPikovskij2018,
  author    = {Peter, Franziska and Pikovskij, Arkadij},
  title     = {Transition to collective oscillations in finite Kuramoto ensembles},
  series = {Physical review : E, Statistical, nonlinear and soft matter physics},
  volume    = {97},
  journal   = {Physical review : E, Statistical, nonlinear and soft matter physics},
  number    = {3},
  publisher = {American Physical Society},
  address   = {College Park},
  issn      = {2470-0045},
  doi       = {10.1103/PhysRevE.97.032310},
  pages     = {10},
  year      = {2018},
  abstract  = {We present an alternative approach to finite-size effects around the synchronization transition in the standard Kuramoto model. Our main focus lies on the conditions under which a collective oscillatory mode is well defined. For this purpose, the minimal value of the amplitude of the complex Kuramoto order parameter appears as a proper indicator. The dependence of this minimum on coupling strength varies due to sampling variations and correlates with the sample kurtosis of the natural frequency distribution. The skewness of the frequency sample determines the frequency of the resulting collective mode. The effects of kurtosis and skewness hold in the thermodynamic limit of infinite ensembles. We prove this by integrating a self-consistency equation for the complex Kuramoto order parameter for two families of distributions with controlled kurtosis and skewness, respectively.},
  language  = {en}
}