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リアプノフ指数の値が負から正へ

解決したいこと

4重振り子において、4つ目の質点の初期角度を10^-10だけずらした2つの系の角度の差をとり、リアプノフ指数でカオスを判定しました。そうすると、最終的には、正に収束していくのですが、最初の方はわずかですが負の値をとりました。これは、結果として正しい結果なのでしょうか、それとも私のコードがどこかで間違えてしまっているのでしょうか?
また、これが正しい結果だとした場合、リアプノフ指数が負から正になるというのは、どういったことを意味しているのでしょうか?

qiita1.png

該当するソースコード

import numpy as np  
import matplotlib.pyplot as plt
import scipy.integrate as integrate
import matplotlib.animation as animation
import pandas as pd

df_param = pd.read_excel('python N重振り子.xlsx',header=1,sheet_name=None, engine='openpyxl')

df_param['Sheet1'].index = ['質量m(kg)', '長さL(m)','初速度0(m/s)']
df_param['Sheet1'] = df_param['Sheet1'].drop('個数',axis=1)

m1 = np.array([df_param['Sheet1'].iat[0, i] for i in range(len(df_param['Sheet1'].columns))]).astype(np.float64).round(2)
L1 = np.array([df_param['Sheet1'].iat[1, i] for i in range(len(df_param['Sheet1'].columns))]).astype(np.float64).round(2)
theta1 = np.array([90,90,90,90])
x1 = np.array([(i) for i in theta1]).astype(np.float64)
v1 = np.array([df_param['Sheet1'].iat[2, i] for i in range(len(df_param['Sheet1'].columns))]).astype(np.float64).round(2)

df_param['Sheet2'].index = ['質量m(kg)', '長さL(m)','初速度0(m/s)']
df_param['Sheet2'] = df_param['Sheet2'].drop('個数',axis=1)

m2 = np.array([df_param['Sheet2'].iat[0, i] for i in range(len(df_param['Sheet2'].columns))]).astype(np.float64).round(2)
L2 = np.array([df_param['Sheet2'].iat[1, i] for i in range(len(df_param['Sheet2'].columns))]).astype(np.float64).round(2)
theta2 = np.array([90,90,90,90+10**-10])
x2 = np.array([(i) for i in theta2]).astype(np.float64)
v2 = np.array([df_param['Sheet2'].iat[2, i] for i in range(len(df_param['Sheet2'].columns))]).astype(np.float64).round(2)

ms=[m1,m2]
Ls=[L1,L2]
thetas=[theta1,theta2]
xs=[x1,x2]
vs=[v1,v2]

#初期条件のコピー
xs0 = xs.copy()

print('m=',ms,type(ms),len(ms))
print('L=',Ls,type(Ls),len(Ls))
print('theta=',thetas,type(thetas),len(thetas))
print('x=',xs,type(xs),len(xs))
print('v=',vs,type(vs),len(vs))
print('列数=',len(df_param['Sheet1'].columns))

#初期位置の確認
n = len(df_param['Sheet1'].columns)
x_ini_cor1 = np.zeros(n,dtype=np.float64)
y_ini_cor1 = np.zeros(n,dtype=np.float64)

def ini_cor_func1(j):
    if j == 0:
        x_ini_cor1[j] = L1[j]*np.sin(x1[j])
        y_ini_cor1[j] = -L1[j]*np.cos(x1[j])
    else:
        x_ini_cor1[j] = L1[j]*np.sin(x1[j]) + x_ini_cor1[j-1]
        y_ini_cor1[j] = -L1[j]*np.cos(x1[j])+ y_ini_cor1[j-1]

    return x_ini_cor1[j], y_ini_cor1[j]

for j in range(n):
    x_ini_cor1[j] , y_ini_cor1[j] = ini_cor_func1(j)

x_ini_cor2 = np.zeros(n,dtype=np.float64)
y_ini_cor2 = np.zeros(n,dtype=np.float64)

def ini_cor_func2(j):
    if j == 0:
        x_ini_cor2[j] = L2[j]*np.sin(x2[j])
        y_ini_cor2[j] = -L2[j]*np.cos(x2[j])
    else:
        x_ini_cor2[j] = L2[j]*np.sin(x2[j]) + x_ini_cor2[j-1]
        y_ini_cor2[j] = -L2[j]*np.cos(x2[j])+ y_ini_cor2[j-1]

    return x_ini_cor2[j], y_ini_cor2[j]

for j in range(n):
    x_ini_cor2[j] , y_ini_cor2[j] = ini_cor_func2(j)


xplot1_ = np.insert(x_ini_cor1,0,0)
yplot1_ = np.insert(y_ini_cor1,0,0)
xplot2_ = np.insert(x_ini_cor2,0,0)
yplot2_ = np.insert(y_ini_cor2,0,0)


init = 0
end = 100
dt = 0.05
h = dt
loop = int(end/h)

n = len(df_param['Sheet2'].columns)
g = 9.8  

# initial state
t = init

tpoints = np.arange(init, end , h)
xpoints1 = []
vpoints1 = []

# A = np.zeros((n,n),dtype=np.float64)
# B = np.zeros((n,n),dtype=np.float64)

E1 = -np.ones_like(x1)


def N_func1(t, x1, v1):
    A1 = np.zeros((n,n),dtype=np.float64)
    B1= np.zeros((n,n),dtype=np.float64)

    for i in range(n):
        for j in range(n):
            for k in range(max(i,j),n):
                A1[i][j] += m1[k]
                B1[i][j] += m1[k]
            if i == j:
                A1[i][j] *= L1[j]
                B1[i][j] *= g * np.sin(x1[i])
            else:
                A1[i][j] *= L1[j]*np.cos(x1[i]-x1[j])
                B1[i][j] *= L1[j]*v1[j]**2*np.sin(x1[i]-x1[j])


    #逆行列の計算
    inv_A1 = np.linalg.inv(A1)

    #inv_A*Bを計算
    inv_A1_B1 = np.dot(inv_A1, B1)

    F1 =  np.dot(inv_A1_B1, E1)

    return F1

xpoints1 = []
vpoints1 = []

#配列要素数の定義
j11 = np.zeros_like(v1)
k11 = np.zeros_like(x1)

j12 = np.zeros_like(v1)
k12 = np.zeros_like(x1) 

j13 = np.zeros_like(v1)
k13 = np.zeros_like(x1)

j14 = np.zeros_like(v1)
k14 = np.zeros_like(x1)


def RK1(t,x1,v1):

    vt1 = v1.copy()
    xt1 = x1.copy()
    xpoints1.append(xt1)
    vpoints1.append(vt1)


    j11 = N_func1(t, x1, v1) * h
    k11 = v1 * h

    j12 = N_func1(t + h / 2, x1 + k11 / 2, v1 + j11 / 2) * h
    k12 = (v1 + j11/ 2)* h

    j13 = N_func1(t + h / 2, x1 + k12 / 2, v1 + j12 / 2) * h
    k13 = (v1 + j12/ 2)* h

    j14 = N_func1(t + h, x1 + k13, v1 + j13)*h
    k14 = (v1 + j13)* h

    v1 += (j11 + 2*j12 + 2*j13 + j14)/6
    x1 += (k11 + 2*k12 + 2*k13 + k14)/6

    return x1,v1,xpoints1 ,vpoints1

E2 = -np.ones_like(x2)

def N_func2(t, x2, v2):
    A2 = np.zeros((n,n),dtype=np.float64)
    B2 = np.zeros((n,n),dtype=np.float64)

    for i in range(n):
        for j in range(n):
            for k in range(max(i,j),n):
                A2[i][j] += m2[k]
                B2[i][j] += m2[k]
            if i == j:
                A2[i][j] *= L2[j]
                B2[i][j] *= g * np.sin(x2[i])
            else:
                A2[i][j] *= L2[j]*np.cos(x2[i]-x2[j])
                B2[i][j] *= L2[j]*v2[j]**2*np.sin(x2[i]-x2[j])


    #逆行列の計算
    inv_A2 = np.linalg.inv(A2)

    #inv_A*Bを計算
    inv_A2_B2 = np.dot(inv_A2, B2)

    F2 =  np.dot(inv_A2_B2, E2)

    return F2

xpoints2 = []
vpoints2 = []

#配列要素数の定義
j21 = np.zeros_like(v2)
k21 = np.zeros_like(x2)

j22 = np.zeros_like(v2)
k22 = np.zeros_like(x2) 

j23 = np.zeros_like(v2)
k23 = np.zeros_like(x2)

j24 = np.zeros_like(v2)
k24 = np.zeros_like(x2)


def RK2(t,x2,v2):

    vt2 = v2.copy()
    xt2 = x2.copy()
    xpoints2.append(xt2)
    vpoints2.append(vt2)

    j21 = N_func2(t, x2, v2) * h
    k21 = v2 * h

    j22 = N_func2(t + h / 2, x2 + k21 / 2, v2 + j21 / 2) * h
    k22 = (v2 + j21/ 2)* h

    j23 = N_func2(t + h / 2, x2 + k22 / 2, v2 + j22 / 2) * h
    k23 = (v2 + j22/ 2)* h

    j24 = N_func2(t + h, x2 + k23, v2 + j23)*h
    k24 = (v2 + j23)* h

    v2 += (j21 + 2*j22 + 2*j23 + j24)/6
    x2 += (k21 + 2*k22 + 2*k23 + k24)/6

    return x2,v2,xpoints2 ,vpoints2


# from ipykernel import kernelapp as app

for t in range(len(tpoints)):
# for t in range(2):
    x1, v1, xpoints1, vpoints1= RK1(t,x1,v1)


for t in range(len(tpoints)):
# for t in range(2):
    x2, v2, xpoints2, vpoints2= RK2(t,x2,v2)

xpoints1 = np.array(xpoints1)
vpoints1 = np.array(vpoints1)
xpoints2 = np.array(xpoints2)
vpoints2 = np.array(vpoints2)



theta_tips1 = []
for x in xpoints1:
    theta_tips1.append(x[-1]) # 配列の末尾へは-1でアクセスできます

theta_tips2 = []
for x in xpoints2:
    theta_tips2.append(x[-1]) # 配列の末尾へは-1でアクセスできます


theta_tips1=np.array(theta_tips1)
theta_tips2=np.array(theta_tips2)

fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(111)
#ax.set_xlim(0,100)
#ax.set_ylim()
#plt.plot(tpoints,np.log10(theta_tips2-theta_tips1))

plt.show()

def lyapunov_exponent():
    lyapunov_exponent = []
    d_0 = abs((theta_tips2[0]-theta_tips1[0])) #初期値段階での差異の絶対値
    for i in range(int(len(theta_tips2))):
        d_i = abs(theta_tips2[i] - theta_tips1[i]) # i期での差異の絶対値
        d_rate = (d_i/d_0) # i期と初期値のずれ幅の比率
        ln_d_rate = np.log10(d_rate)
        lmd = (1/(i+1)) *ln_d_rate
        lyapunov_exponent.append(lmd)
    return lyapunov_exponent

print(lyapunov_exponent())
lyapunov_exponent = lyapunov_exponent()
ax.set_title('Lyapunov Exponent')
plt.plot(lyapunov_exponent, label="Lyapunov Exponent")
plt.show()




0

1Answer

最初の方はわずかですが負の値をとりました。これは、結果として正しい結果なのでしょうか、それとも私のコードがどこかで間違えてしまっているのでしょうか?

問題ないと思います。

なぜ問題ないかは式の定義を考えればわかります。

リヤプノフ指数の定義は以下です。

\lambda(t_n) = \frac{1}{n}\ln{\frac{|\delta(t_n)|}{|\delta(0)|}}

ここで、$\ln$は自然対数です(質問者さんのコードでは常用対数ですが、底の変換公式から係数の違いしかありません)。

リヤプノフ指数が負とは、すなわち$|\delta(t)|<|\delta(0)|$であることと同値です。
したがって、一時的に初期角度の異なる二つの振り子の軌道差が初期よりも縮まっているということです。

そしてその後、二つの振り子の軌道はお互いに離れていく、すなわち$|\delta(t)|$が大きくなっていき、リヤプノフ指数$\lambda$は正になったということでしょう。

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Comments

  1. @syotalos

    Questioner

    ご返信ありがとうございます。
    このグラフの収束した先の先の値がリアプノフ指数という解釈でよろしかったでしょうか??
  2. うーん、難しいですね💦

    ここでは、「おおむねokだがアカデミック的にはよろしくない」としときましょう。

    N重振り子のような多次元の系ではリヤプノフ指数は変数の数だけあって定義が1次元の拡張版になっています。

    厳密にカオスを判定したい場合は、系のすべてのリヤプノフ指数を調べる必要があります。
  3. @syotalos

    Questioner

    なるほどです。
    「系のすべてのリヤプノフ指数を調べるとは、各重りのリアプノフ指数の極限をとればいいといううことでしょうか?
    (私は今回、最後質点のみを図っているので、1個目のおもり、2個目のおもり、、、、の極限値を取ればよいのでしょうか?)
  4. >各重りのリアプノフ指数の極限をとればいいといううことでしょうか?

    そうですね。

    ただ、角度だけで角速度は良いのかなど私も曖昧です(N重振り子はN個の2階微分方程式なので2N個の1階微分方程式が存在し、リヤプノフ指数は1階微分方程式に対して定義されている)。

    これ以上は私も専門外なので、書籍や論文で勉強することをおすすめします。

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