Как нарушить спонтанную синхронность


Спонтанная синхронизация – обычное явление – от шагающих во времени пешеходов до развития ритмичных аплодисментов на митингах и концертах. Но это не всегда хорошо. Сможете ли вы нарушить систему, поместив в толпу несколько «противников»? Оказывается, это возможно.

Примечательно, насколько легко группа независимых, но взаимодействующих агентов может синхронизироваться без единого лидера. Иногда это хорошо, но часто это проблема – подумайте, что люди, идущие по мосту на шаге блокировки, или маршрутизаторы синхронизируются при передаче, что приводит к отключению сети. Когда нейронная сеть переходит в синхронность, результатом обычно является припадок.

Если мы сможем предотвратить такие события, то можно будет создать «кардиостимулятор» мозга, который нарушит такую синхронизацию. Точно так же мы могли бы задействовать механизм, чтобы остановить разрушение структур из-за резонанса или, возможно, изменить исход политического митинга, подавив синхронные хлопки, к которым присоединяются даже менее одобряющие.

Но как лучше это сделать?

Может ли механизм, который приводит агентов в синхронизацию, быть испорчен вставкой всего нескольких противоположных агентов, которые пытаются прервать время с остальной частью группы?

Это вопрос, который недавно привлек некоторое внимание исследователей из физического факультета ETH Honggerber (Швейцария) и Universidade Federal do Cear a (Бразилия), и результаты впечатляют.

Стандартная модель для анализа спонтанной синхронности – это модель Курамото. Это набор агентов, выполняющих определенные действия с определенной частотой. Со временем на частоту влияет разность фаз между агентом и набором соседних агентов. Сила взаимодействия контролируется параметром связи λ. Когда λ мало, частоты остаются разнесенными и некоррелированными, но как только оно превышает пороговое значение, агенты быстро приходят в синхронность.

Если вы хотите увидеть это в действии, посмотрите следующее видео, которое показывает полярный график осцилляторов с частотой как радиус и фазой как полярный угол. Вы можете увидеть, как быстро они синхронизируются:

Новая работа добавляет небольшое количество контрарианов, которые меняют свою частоту в противоположном направлении от остальной группы. Были протестированы две стратегии: одна заключалась в удалении противоположных от общей средней частоты, а другая просто отодвигала их от частот их соседей.

Вы можете подумать, что противоположный метод, использующий среднюю частоту, с большей готовностью нарушит синхронизацию, поскольку он использует глобальную информацию – но нет. Оказывается, вместо того, чтобы нарушать синхронизацию, он вводит дополнительное циклическое поведение с переключением частоты синхронизации между двумя фазами.

Противники, использующие только местную информацию, были чрезвычайно эффективны. Если вы добавите около 5% контрарианов, эффект синхронизации полностью нарушится. Вы можете увидеть это на графиках ниже.

Первый график показывает, что происходит, когда противники реагируют на среднюю частоту и фазу. По мере увеличения константы связи показатель когерентности r внезапно увеличивается примерно до 0,2. Другими словами, противники, использующие глобальную информацию, малоэффективны.

Вторая диаграмма показывает, что происходит, когда они реагируют на частоту и фазу своего соседа, то есть когда они используют только локальную информацию. Каждая из цветных линий предназначена для разных пропорций контррарианцев. Вы можете видеть, что для малых пропорций все еще есть большой эффект, а когда пропорция составляет около 0,2, нет свидетельств самопроизвольной синхронизации.

Все это означает, что при небольшом количестве противников, реагирующих только на своих ближайших соседей, вы можете нарушить синхронизацию.

Далее в статье демонстрируется разрушительный эффект в некоторых реальных сетях, включая нейронную сеть небольшого червя и сеть маршрутизаторов. В каждом случае результаты показали, что можно было использовать небольшое количество контрарианов, чтобы нарушить синхронность.

Исследование открывает новые возможности в параллельных распределенных алгоритмах и демонстрирует, что синхронность можно не только создать без главного проводника, но и предотвратить ее с помощью агентов, использующих только локальную информацию.

Поэтому, если вы хотите повлиять на толпу, просто представьте небольшое количество людей, обученных хлопать не синхронно со своими соседями.


Добавить комментарий