Institut für Physik und Astronomie
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Komplexe Systeme reichen von "harten", physikalischen, wie Klimaphysik, Turbulenz in Fluiden oder Plasmen bis zu so genannten "weichen", wie man sie in der Biologie, der Physik weicher Materie, Soziologie oder Ökonomie findet. Die Ausbildung von Verständnis zu einem solchen System beinhaltet eine Beschreibung in Form von Statistiken und schlussendlich mathematischen Gleichungen. Moderne Datenanalyse stellt eine große Menge von Werkzeugen zur Analyse von Komplexität auf verschiedenen Beschreibungsebenen bereit. In diesem Kurs werden statistische Methoden mit einem Schwerpunkt auf dynamischen Systemen diskutiert und eingeübt. Auf der methodischen Seite werden lineare und nichtlineare Ansätze behandelt, inklusive der Standard-Werkzeuge der deskriptiven und schlussfolgernden Statistik, Wavelet Analyse, Nichtparametrische Regression und der Schätzung nichtlinearer Maße wie fraktaler Dimensionen, Entropien und Komplexitätsmaßen. Auf der Modellierungsseite werden deterministische und stochastische Systeme, Chaos, Skalierung und das Entstehen von Komplexität durch Wechselwirkung diskutiert - sowohl für diskrete als auch für ausgedehnte Systeme. Die beiden Ansätze werden durch Systemanalyse jeweils passender Beispiele vereint.
Komplexe Systeme reichen von "harten", physikalischen, wie Klimaphysik, Turbulenz in Fluiden oder Plasmen bis zu so genannten "weichen", wie man sie in der Biologie, der Physik weicher Materie, Soziologie oder Ökonomie findet. Die Ausbildung von Verständnis zu einem solchen System beinhaltet eine Beschreibung in Form von Statistiken und schlussendlich mathematischen Gleichungen. Moderne Datenanalyse stellt eine große Menge von Werkzeugen zur Analyse von Komplexität auf verschiedenen Beschreibungsebenen bereit. In diesem Kurs werden statistische Methoden mit einem Schwerpunkt auf dynamischen Systemen diskutiert und eingeübt. Auf der methodischen Seite werden lineare und nichtlineare Ansätze behandelt, inklusive der Standard-Werkzeuge der deskriptiven und schlussfolgernden Statistik, Wavelet Analyse, Nichtparametrische Regression und der Schätzung nichtlinearer Maße wie fraktaler Dimensionen, Entropien und Komplexitätsmaßen. Auf der Modellierungsseite werden deterministische und stochastische Systeme, Chaos, Skalierung und das Entstehen von Komplexität durch Wechselwirkung diskutiert - sowohl für diskrete als auch für ausgedehnte Systeme. Die beiden Ansätze werden durch Systemanalyse jeweils passender Beispiele vereint.
Komplexe Systeme reichen von "harten", physikalischen, wie Klimaphysik, Turbulenz in Fluiden oder Plasmen bis zu so genannten "weichen", wie man sie in der Biologie, der Physik weicher Materie, Soziologie oder Ökonomie findet. Die Ausbildung von Verständnis zu einem solchen System beinhaltet eine Beschreibung in Form von Statistiken und schlussendlich mathematischen Gleichungen. Moderne Datenanalyse stellt eine große Menge von Werkzeugen zur Analyse von Komplexität auf verschiedenen Beschreibungsebenen bereit. In diesem Kurs werden statistische Methoden mit einem Schwerpunkt auf dynamischen Systemen diskutiert und eingeübt. Auf der methodischen Seite werden lineare und nichtlineare Ansätze behandelt, inklusive der Standard-Werkzeuge der deskriptiven und schlussfolgernden Statistik, Wavelet Analyse, Nichtparametrische Regression und der Schätzung nichtlinearer Maße wie fraktaler Dimensionen, Entropien und Komplexitätsmaßen. Auf der Modellierungsseite werden deterministische und stochastische Systeme, Chaos, Skalierung und das Entstehen von Komplexität durch Wechselwirkung diskutiert - sowohl für diskrete als auch für ausgedehnte Systeme. Die beiden Ansätze werden durch Systemanalyse jeweils passender Beispiele vereint.
We study spatially localized excitations in a lattice of coupled standard maps. Time-periodic solutions (breathers) exist in a range of coupling that is shown to shrink as the period grows to infinity, thus excluding the possibility of time-quasiperiodic breathers. The evolution of initially localized chaotic and quasiperiodic states in a lattice is studied numerically. Chaos is demonstrated to spread
The Problem of front propagation in flowing media is addressed for laminar velocity fields in two dimensions. Three representative cases are discussed: stationary cellular flow, stationary shear flow, and percolating flow. Production terms of Fisher-Kolmogorov-Petrovskii-Piskunov type and of Arrhenius type are considered under the assumption of no feedback of the concentration on the velocity. Numerical simulations of advection-reaction-diffusion equations have been performed by an algorithm based on discrete-time maps. The results show a generic enhancement of the speed of front propagation by the underlying flow. For small molecular diffusivity, the front speed <i>V<sub><i>f</sub> depends on the typical flow velocity <i>U as<sup> </sup>a power law with an exponent depending on the topological properties of the flow, and on the ratio of reactive and advective time scales. For open-streamline flows we find always<sup> </sup><i>V<sub><i>f</sub>~<i>U, whereas for cellular flows we observe <i>V<sub><i>f</ sub>~<i>U<sup>1/4</sup> for fast advection and <i>V<sub><i>f</sub>~<i>U<sup>3/4</sup> for slow advection.
We report measurements on the synchronization properties of organ pipes. First, we investigate influence of an external acoustical signal from a loudspeaker on the sound of an organ pipe. Second, the mutual influence of two pipes with different pitch is analyzed. In analogy to the externally driven, or mutually coupled self-sustained oscillators, one observes a frequency locking, which can be explained by synchronization theory. Further, we measure the dependence of the frequency of the signals emitted by two mutually detuned pipes with varying distance between the pipes. The spectrum shows a broad '' hump '' structure, not found for coupled oscillators. This indicates a complex coupling of the two organ pipes leading to nonlinear beat phenomena.
We present a nonparametric way to retrieve an additive system of differential equations in embedding space from a single time series. These equations can be treated with dynamical systems theory and allow for long-term predictions. We apply our method to a modified chaotic Chua oscillator in order to demonstrate its potential