递归图
图论
递归图(recurrence plot, RP)是分析时间序列周期性、混沌性以及非平稳性的一个重要方法,可以揭示时间序列的内部结构,给出有关相似性、信息量和预测性的先验知识。递归图特别适合短时间序列数据,可以检验时间序列的平稳性、内在相似性。
定义
递归图是在水平轴上显示,在垂直轴上显示,其中是相空间轨迹。
背景介绍
递归图最初由Eckmann等人于1987年提出,主要用于对非线性动力系统的定性分析。递归图已经成功的应用在诸如气候变化,脑心电图分析,股市分析等众多领域。定量递归分析(recurrence quantificationanalysis,RQA)是基于递归图中的对角线、水平线及垂直线的分布对系统进行分析,从而获得动力学系统的定量信息。
详细说明
递推图提供了一种通过相空间可视化轨迹周期性的方法。由于高维相空间只能通过投影到二维或三维子空间中来可视化,因此相空间通常没有足够低的维度(两个或三个)来被描绘。然而,通过绘制递归图,我们可以通过二维表示来研究m维相空间轨迹的某些方面。
重复是指轨迹返回到它以前访问过的位置的时间。递归图描述轨迹在同一位置的成对时间的集合,即与的集合。这可以显示很多东西:例如,如果轨迹是严格周期性的,周期为,那么所有这类时间对将由的倍数分隔,并以对角线形式可见。为了绘制曲线图,将连续时间和连续相空间离散化,例如作为轨迹在时的位置,并在轨迹与之前的点足够接近(例如,在ε内)时作为递归计算。具体来说,递归/非递归可以以二元函数记录为:
如果,则递归图在坐标处放置一个(黑色)点。
由于相空间轨迹的特性,递归图包含典型的小尺度结构,如单点、对角线和垂直/水平线(或后者的混合,组合成扩展的簇)。这种大规模的结构,也称为纹理,在视觉上可以表现为同质、周期性、漂移或破坏。RP的视觉外观提供了有关系统动力学的提示。
递归图中的小尺度结构被递归量化分析所使用(Zbilut&Webber 1992;Marwan等人,2002)。这种量化可以定量地描述递归图,并研究系统的跃迁或非线性参数。与依赖于嵌入参数选择的递归量化分析的启发式方法不同,一些独立于嵌入的相关维数、K2熵或互信息等动态不变量也可以从递归图中导出。这些动力学不变量的基础是递推率和对角线长度的分布。
关闭返回图类似于递归图。不同之处在于,重复之间的相对时间用于y轴(而不是绝对时间)。
递归图的主要优点是,即使对于其他方法失败的短数据和非平稳数据,它们也能提供有用的信息
扩展
多变量递推图扩展为交叉递推图和联合递推图。
交叉递归图考虑了同一相空间中两个不同系统的相空间轨迹(Marwan&Kurths,2002):
两个系统的维度必须相同,但考虑的状态数(即数据长度)可能不同。交叉递归图比较两个系统相似状态的出现。它们可以用来分析两个不同系统之间动力学演化的相似性,在两个系统中寻找相似的匹配模式,或者用来研究两个时间尺度不同的相似系统的时间关系(Marwan&Kurths 2005)。
联合递归图是所考虑子系统的递归图的Hadamard乘积(Romano等人,2004),例如,对于两个系统和联合递归图是
与交叉复发图相比,联合复发图比较两个(或更多)系统中同时出现复发的情况。此外,所考虑的相空间的维数可以不同,但对于所有子系统,所考虑的状态数必须相同。联合递归图可用于检测相位同步。
参考资料
最新修订时间:2024-05-21 15:51
目录
概述
定义
背景介绍
详细说明
参考资料