带有领导者和矢量噪声的Vicsek模型动力学行为研究

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对于正在进行觅食或者迁徙的动物种群,例如野牛群、羊群、鱼群、蜂群等,它们群体运动方向的决策往往只取决于少量个体(称为领导者)。通常,这些领导者与普通个体相差无异,仅仅掌握了其他个体所不具备的信息,例如食物的位置或者迁移路线等。这种仅由信息差异带来的领导效应如何影响群体的集体运动行为是我们关注的重点。例如,在鱼群中,往往只需要相对较少的“知情者”即可带领集体进行觅食以及控制群体的前进方向;在蜂群中也仅需要大约5%的领导者即可控制群体的集体运动。为了研究这一现象,有研究者在低速无噪声的Vicsek模型中引入了领导者:朝着预期方向运动且不随相邻个体的相互作用而改变运动方向。前人的工作中没有讨论噪声的影响,因而无法刻画系统的相变行为。为了更为系统地研究领导者效应,本文以带有领导者的矢量噪声的Vicsek模型为研究对象。在矢量噪声版本下,系统中存在的相变是一级相变。在引入领导者后,我们发现,随着领导者占比的增加,系统的相变也会发生改变:超过某一阈值时系统中发生的相变行为将从突变转化为连续相变。我们证明了在周期性边界条件下,仅需要一个领导者即可领导整个群体的运动方向,而在开放边界条件下,需要领导者所占比例达到某个阈值才能实现同样效果。进一步,我们通过理论推导得到了模型的演化方程,并对领导者领导群体运动的效率与领导者占比、系统密度以及噪声强度的依赖关系进行了定性上的预测。此外,通过大规模模拟发现:领导者占比越大,系统密度越大,领导者的效率越高。特别地,对于噪声强度的影响效应,当它在临界噪声附近甚至超过临界噪声时,系统表现为杂乱无章的运动,即领导者无法领导群体;噪声强度低于临界噪声时,我们发现领导者领导群体运动的效率随噪声强度的增大而提高。研究结果表明,噪声能在提高群体有序运动方面起到意想不到的建设性作用。
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