べき乗則の背後に同期現象の存在~ある普遍的現象が別の普遍的現象を誘発~

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2025-05-07 東京大学

東京大学大学院新領域創成科学研究科の三井譲氏(研究当時)と郡宏教授らの研究チームは、平均と分散の間に成立するべき乗則「Taylor’s law(TL)」が、同期現象によって誘発される可能性を数理モデルにより示しました。TLは生態系など多様な分野で観測される普遍的な法則であり、特に指数が2となる場合が多く報告されていますが、その成立メカニズムは未解明でした。本研究では、同期現象を再現する数理モデルを用いて解析を行い、強い結合による同期状態が発生すると、時系列データ間に定数倍の関係が生じ、指数が2のTLが現れることを確認しました。この結果は、TLの存在から同期状態を推定できる可能性を示唆し、心臓や通信網など強く結合したシステムに共通する普遍的性質の理解に貢献すると期待されます。

べき乗則の背後に同期現象の存在~ある普遍的現象が別の普遍的現象を誘発~図1:同期現象に誘発されるTaylor’s law
同期していない時系列データから平均と分散の関係を計算してもTLは観測されない(上段)が、同期している時系列データからはTLが観測される(下段)。

<関連情報>

周期発振器とカオス発振器の同期による波形の比例性とテイラーの法則 Waveform Proportionality and Taylor’s Law Induced by Synchronization of Periodic and Chaotic Oscillators

Yuzuru Mitsui and Hiroshi Kori
Physical Review Letters  Published: 25 April, 2025
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.167202

Abstract

Taylor’s law (TL), the scaling relationship between mean and variance, has been observed in various fields. However, the underlying reasons for the widespread occurrence of TL, the frequent appearance of the TL exponent value close to 2, and the relationship between temporal and spatial TLs are not fully understood. Here, using coupled oscillator models, we analytically and numerically demonstrate that synchronization can induce TL. In particular, we show that strong synchronization leads to waveform proportionality, resulting in temporal and spatial TLs with an exponent 2. Our results can help infer the existence of synchronization solely from the correlation between mean and variance.

1504数理・情報
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