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Page 1: Introduction to pattern-formation 목표 : 맛보이기, 개념설명 정성옥 (Seong-Ok Jeong) * 이 version 은 약식 version 으로 정식 version 에 있는 수식들과 그림들이

Introduction to pattern-formation

목표 : 맛보이기 , 개념설명

정성옥 (Seong-Ok Jeong)

* 이 version 은 약식 version 으로 정식 version에 있는 수식들과 그림들이 생략되고 , 개요만 나와 있습니다 . (2 장부터 5 장까지 )

Page 2: Introduction to pattern-formation 목표 : 맛보이기, 개념설명 정성옥 (Seong-Ok Jeong) * 이 version 은 약식 version 으로 정식 version 에 있는 수식들과 그림들이

1. What is Pattern Formation?

2. Basic Concepts

2.1 dissipative structure

2.2 symmetry breaking

2.3 primary instability

2.4 mode interaction

2.5 triad interaction

2.6 quasi-crystal

2.7 slaving principle

2.8 parametric resonance

2.9 self-organization

Page 3: Introduction to pattern-formation 목표 : 맛보이기, 개념설명 정성옥 (Seong-Ok Jeong) * 이 version 은 약식 version 으로 정식 version 에 있는 수식들과 그림들이

3. Classification of systems (bistable, oscillatory, excitable)

4. Amplitude Equation

5. Some Theoretical Aspects

5.1 amplitude eq. 의 application

5.2 secondary instabilities

5.3 defects

5.4 front dynamics

6. Simple models (CO,CML,CA)

7. Future Aspects (ex. Biology)

8. Summary ( 중요 개념 15 가지 정리 )

Page 4: Introduction to pattern-formation 목표 : 맛보이기, 개념설명 정성옥 (Seong-Ok Jeong) * 이 version 은 약식 version 으로 정식 version 에 있는 수식들과 그림들이

레일리 버나드 대류

마랑고니 패턴

( 식당국 , 라면국물 )

패러데이 패턴

super-lattice

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Spatiotemporal patterns arise in numerous physical, chemical, and biological systems.

[F. Melo, P. B. Umbanhowar, H. L Swinney PRL 1995] Oscillon[Nature 1996]

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Decoration of kinks

P. Umbanhowar, Physica A (1998)

-peculiar to granular material

-phase front instability

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Fibrillation of Heart

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2. Basic concepts

2.1 dissipative structure - 외부에서 공급되는 에너지가 구조 유지에 쓰임

2.2 symmetry breaking

2.3 primary instability - 특정한 모드가 자람 . - bifurcation (supercritical, subcritical) : subcritical 의 경우는 hysterisis

2.4 Mode interaction

2.5 triad interaction - up-down symmetry 가 깨진 system 에서 k1+k2+k3=0 인 세 모드가 공명 .

2.5 quasi-crystal - 예를 들어 동시에 8 개의 모드가 생겨나면 ?

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Penrose tiling - Quasi-Crystal

Page 15: Introduction to pattern-formation 목표 : 맛보이기, 개념설명 정성옥 (Seong-Ok Jeong) * 이 version 은 약식 version 으로 정식 version 에 있는 수식들과 그림들이

2.7 slaving principle - 빠르게 decay 하는 모드는 느리게 성장하는 mode 에 빠르게 적응한다 .

- ex) mode projection method

2.8 parametric resonance

- 외부 driving 과 internal mode 의 resonance.

2.9 self-organization

3. Classification of systems

3.1 bistable - trigger wave (front propagation)

3.2 oscillatory - plane waves

- center or target

- archimedian spirals

Page 16: Introduction to pattern-formation 목표 : 맛보이기, 개념설명 정성옥 (Seong-Ok Jeong) * 이 version 은 약식 version 으로 정식 version 에 있는 수식들과 그림들이

3.3 excitable - ex) neuron, heart, BZ reaction

- trigger wave, spiral formation

- “drift”, “resonance”, “meandering”

- target wave (impurity 때문 ), vortex filament

- “activator-inhibitor model”

- cf) “turing instability” : long-range inhibitor diffusion

-> “quick long-range negative feedback”

-> 그러면 bistable, excitable, oscillatory 별 관계 없이

stable stationary dissipative patterns such as spikes or broad strata.

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4. Amplitude equation - slow, fast variable 분리 후 perturbation 전개하면 secular term 없애면서 나온

- universality 는 강력한 tool 이다 .

- ex) RGL, CGL (Benjamin-Feir instability)

- 그러나 threshold 근처에서만 성립함을 기억하자 .

5. Some theoretical aspects

5.1 amplitude eq. 의 application

5.2 secondary instability - “phase equation” (cf. Kuramoto-Sivashinsky eq.)

- ex) zigzag & Eckhaus instability

- “Busse baloon”

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5.3 Defects - codimension of defect = physical space dimension - defect dimension

- Codim(D) = nonattracting set 의 unstable manifold 의 dim.

- 즉 2 차원 상의 scalar filed 에서는 point defect 가 불가능하다 !

- defect 들도 dynamics 가 있다 !

5.4 Front dynamics - “Ising wall” (immobile), “Bloch wall” (chirality 에 비례한 속도 )

- “Neel point”

- “labyrinth formation”

- snow flake : “Mullins-Sekerka instability”, latent heat 관여

- flame

5.5 Simple models - Maps are proven to be powerful tools! (O.D. 의 경우 특히 )

state time-step space

CA: d d d

CML: c d d

CO: c c d (d:discrete, c:continuous)

SCTM: c d d

PDE: c c c

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Patterns in granular systems are formed by discrete events – collisions between sand and container.

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t=(n-1)T

t=(n+1)T

t=nT

),(),(: 11 iiii XXXXF

]),[ ],,[ (]),[ ],,[ (: TtrhTtrhtrhtrhF

Patterns in granular system can be described by models

discrete in time.

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t=(n-1)T

t=(n+1)T

t=nT

),(),(: 11 iiii XXXXF

]),[ ],,[ (]),[ ],,[ (: TtrhTtrhtrhtrhF

The variable ],[ trh

is not important in the formation of patterns in

vibrated granular system

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What kind of model systems can we use to capture the essential features of complex systems?

0 0

0

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for

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for

)(

hhh

hhh

hhh

hF

02

2tan)( hhhG

rdtrhtrhWS

trh rr

2),(),(1

),(

))(()()(1 rhGrhFrh nnn

S.-O.Jeong, H.-T.Moon, Phys. Rev. E vol.59 p.850 (1999)S.-O.Jeong,H.-T.Moon,T.-W.Ko, Phys. Rev. E vol.62 p.7778 (200

0)S.-O.Jeong,T.-W.Ko,H.-T.Moon, Physica D vol.164 p.71 (2002)

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Bifurcation diagram of the model

Nucleation of oscillons

A localized structure ‘oscillon’ of the model

(a) The peak phase

(b) The crater phase

2.13

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Skew-varicose Crossroll

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Kink Solutions

Dynamics of kinks : We can use simple models to study some specific features of complex systems. (Universality)

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7. Future Aspects

7.1 Various New Viewpoints

7.2 information processing

7.3 pattern control

7.4 biology-oriented studies

- noise

- time delay

- network

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F. Melo, PRL(1993)

Localized excitations form

patterns!

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Nucleation of oscillons

Oscillon ‘molecules’ and ‘crystal’[P.B.Umbanhowar, Nature 1996]

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(b) The nucleation of the oscillon(a) Oscillon

Nucleation of oscillons

2.13 123.14

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Stripes and oscillons

0.15 0.15

3.13

Global stripes Growing pattern

< In the hysteresis region > Oscillon chains Oscillon lattice

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Time-Delay

• Interaction is not instantaneous.• In some systems such as biological systems, time-delay is co

mparable to the characteristic time of systems.• Recently, noting that an inclusion of time-delay is more natu

ral in realistic systems, several authors have investigated the effects of time delay.

• In case of coupled oscillators, previous results: - Uniform delay induces multistability, desynchronization, and

amplitude death.

- A delay proportional to a distance between elements could produce a propagating structure in 1-dim. coupled oscillators.

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Time Delay Effects

M.K.S.Yeung and S.H.Strogatz, Phys. Rev. Lett. Vol.82, 648 (1999)

j

iji ttN

Kt )()( sin)(

S.-O.Jeong, T.-W.Ko, and H.-T.Moon, Phys. Rev. Lett. Vol. 89, 154104 (2002)

00

,0

)()( sin1

)()(

rr

lkijklij t

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rt

rrN

Kt

0

2

00

,0

22 1)(N and )()(|),(),(|

rr

lk rrljkilkjir

References

I. E. Niebur, PRL (1991)

II. S. Kim, PRL (1997)

III. D.V.R.Reddy, PRL (1998)

IV. S.R.Campbell, PhysicaD (1998)

V. M.K.S.Yeung, PRL (1999)

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Coupled Phase Oscillators with Time Delay

the phase of a oscillator located on in a 2-dim. discrete space

Time DelayIntrinsic frequency Coupling term

We start with the following coupled oscillator model equation:

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Synchronization Frequency vs Time Delay

Patterns

Planar Oscillations

Only planar solutions occur.

Planar solutions as well as

patterns are possible.The planar solution is not

available but patterns occur.

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Phase diagram of the model

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Typical Patterns

The space discreteness of the system admits topological defects, so other phase configurations are also possible.

Lattice plane

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H. G. Schuster and P. Wagner, Prog. Theo. Phys. Vol. 81, 939 (1989)

M.K.S. Yeung and S. H. Strogatz, Phys. Rev. Lett. Vol. 82, 648 (1999)

S.-O. Jeong, T.-W. Ko, and H.-T. Moon, Phys. Rev. Lett. Vol. 89, 154104 (2002)

vr /0

In the systems of two-coupled oscillators or globally coupled oscillators with uniform time-delays, the dynamics are determined by the value of .

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in-phase locking

anti-phase locking

b t

( )a t

( )a t

( )b t

( )b t

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a t

a t b t

b t

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8. Summary (중요개념정리 )(1) pattern formation (2) dissipative structure

(3) primary instability (4) secondary instability

(5) mode interaction (6) triad interaction (ud sym)

(7) quasi-crystal (8) slaving principle

(9) parametric resonance

(10) bistable, oscillatory, excitable

(11) turing pattern (12) Am Eq. Ph. Eq. Op. Eq.

(13) SH, CGL, BF-instability

(14) CA, CML, CO, Time-map

(15) Time-delay induced pattern formation