PLD
Pincus–Lyapunov Diagram Explorer Fast radio bursts, magnetars and earthquakes: their “family feud”?

把你的瞬变事件序列,放进随机性–混沌相空间

本工具复现文章 “Fast radio bursts, magnetars and earthquakes: Their ‘family feud’?” 中的 Pincus–Lyapunov 图(PLD)。上传一组爆发的时间与能量序列, 即可计算 Pincus Index(PI,随机性) 与 Lyapunov Exponent(LE,混沌性), 并与重复快速射电暴、磁星耀发、脉冲星 glitch、地震和太阳耀发放在同一张图上比较。

Xu S.-L., Zhang Y.-K., Wang P., Li D., et al. Sci. China-Phys. Mech. Astron. 69, 109511 (2026) DOI: 10.1007/s11433-026-3030-x ↗ Springer ↗

Pincus–Lyapunov 图

我的数据 · 计算结果

源N Pincus Index± Lyapunov Exp. 说明

N 为差分后的序列长度(事件数 − 1)。PI 的误差为 100 次随机重排得到的标准差传播值。文章数据点的数值见下方「文章数据集」表。

数据格式说明

CSV 结构

上传文件需为纯文本表格,第 1 列时间、第 2 列能量:首行可以是表头(会自动识别列名 time / MJD 与 Energy / fluence / flux),也可以没有表头。

列名称单位 / 说明示例
1timeMJD(修正儒略日,单位:天)59093.151961
2Energy任意一致的能量单位(erg、J、注量、计数…)1.90e38
其他—忽略(可保留经纬、震级等附加列)
time,Energy
59093.151961,1.90023964159762e+38
59093.152157,5.332552452872839e+38
59093.153021,2.109214e+38
59093.154480,7.77e37

时间与能量的换算

  • 等待时间 Δt 由相邻事件时间差得到;MJD 会乘以 86400 转成秒。
  • 能量差分 ΔE 由相邻事件能量差得到;能量的绝对单位、距离、辐射口径都不影响结果,因为两条序列都会做 min–max 归一化。
  • 如果你的原始时间是 秒(例如任务经过时 MET),上传时把“新数据的时间单位”切换为“秒”即可;由于两条序列都会归一化,线性时标不影响 PI / LE。若有条件,仍建议换算成 MJD 以便与文章数据直接对照。

注意事项

  1. 时间顺序:无需预先排序,工具会按时间升序排列后再计算。
  2. 时间精度:MJD 请保留足够小数位(建议 ≥ 5 位)。爆发等待时间往往只有几十到几百秒,而 MJD 的 1 天 = 86400 s,时间被截断到 0.001 天就等于 86 s 的误差,会显著污染等待时间序列。
  3. 样本量:差分后至少需要 ~30 个点才能得到稳定的 PI 与 LE;少于 8 个点会被拒绝。样本越短,随机重排带来的涨落越大。
  4. 观测段:默认只取“最活跃”的一段(文章做法),以避免把不同观测日的长空档当成等待时间。若你的数据是连续监测,可在参数里改为“全部事件合并”。
  5. 多文件:可同时上传多个文件,每个文件作为一个独立源,各自分配颜色与标记。
  6. 缺失值 / 非数值行:空行、注释行(# 或 % 开头)与无法解析的行会自动跳过。
  7. 分隔符:逗号、分号、制表符、空格均可自动识别。
  8. 能量为零或负值:允许(差分序列可正可负),只要同一序列内单位一致即可。
为什么统一用 MJD?
MJD 是天文学通用的连续时间标度,避免了日期字符串与时区带来的歧义。文章中的 FRB、磁星、脉冲星与地震目录均以 MJD 记录; 少数 X 射线样本原始文件用的是任务经过时(秒)——由于 PI / LE 只作用在归一化后的序列上,线性尺度变换不改变结果, 这些样本在内置数据中仍保留秒单位并已在界面上标注。

数学原理

Pincus Index 和 Lyapunov Exponent 这两个统计量描述了两种“不可预测性”: Pincus Index 量化序列中重复模式的缺失(随机性), Lyapunov Exponent 量化系统对初始条件的敏感程度(混沌性)。

Pincus Index 随机性指标

① 嵌入向量与相似判定

对序列 X = {x1, …, xN},取嵌入维数 m,第 i 个嵌入向量由连续的 m 个样本构成:

[xi, xi+1, …, xi+m−1]

两个向量的距离取切比雪夫距离 d = maxk |xi+k − xj+k|,若 d < r 则判定“相似”。

② 近似熵 ApEn

ApEn(m, r, N) = − 1N − m ∑ N−mi=1 ln( Cm+1i(r)Cmi(r) )

Cmi(r) 是 m 维嵌入空间中与第 i 个向量距离小于 r 的向量占比。ApEn 越小 ⇒ 模式越重复、越可预测。

③ 消除阈值依赖:MaxApEn

MaxApEn = maxr | ApEn(m+1, r) − ApEn(m, r) |

文章在 r ∈ [10−10, 101] 上取 50 个对数等间距阈值,用其中的最大变化量表征该序列的熵水平,从而摆脱单一 r 的选择困难。

④ 与随机基线比较:PI

PI = MaxApEnoriginalMaxApEnshuffled (shuffled:100 次随机重排后取中位数)

PI → 1 表示原始序列已经和随机重排一样无序;PI 越小表示规则性、可预测性越强。文章中时间序列与能量序列各算一次并取平均,误差由两次重排的标准差传播得到(± 后即 1σ 误差):

PI = PIt + PIE2 ± √¼ (σt2 + σE2)

⑤ 参考文献

  • S. M. Pincus, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 88, 2297 (1991). DOI ↗
  • A. Delgado-Bonal, Sci. Rep. 9, 12761 (2019). DOI ↗

Lyapunov Exponent 混沌指标

① 定义

相空间中两条初始相距 |δ0| 的轨道,其分离量随时间近似指数增长:

|δ(t)| ≃ |δ0| eλt

λ > 0 ⇒ 混沌(对初值敏感);λ < 0 ⇒ 稳定 / 周期。

② 从单变量序列重建相空间

用延迟嵌入把标量序列还原成轨道:xi = [xi, xi+τ, …, xi+(m−1)τ]。文章采用 m = 10(嵌入维数)、矩阵维数 4、τ = 1。

③ Eckmann 等(1986)算法

  1. 对每个轨道点 xi,用切比雪夫距离找到至少 8 个最近邻;
  2. 用最小二乘求局部雅可比矩阵 Ti,使 Ti(xj − xi) ≈ xj+s − xi+s;
  3. 依次对 Ti Qi−1 做 QR 分解,累积 ln |Rkk|;
  4. 对轨道长度平均,并除以步长 τ 与间隔 s,得到完整的 Lyapunov 谱。

取谱中最大者为最大 Lyapunov 指数(MLE)。同样对时间与能量两条序列分别计算后取平均:

LE = λt + λE2

④ 序列的构造

Δti = (ti+1 − ti) × 86400 s, ΔEi = Ei+1 − Ei

两条序列各自 min–max 归一化到 [0, 1] 后再送入上述算法,因此时间单位与能量单位的线性缩放不影响结果。

⑤ 参考文献

  • C. Schölzel, Nonlinear measures for dynamical systems, Zenodo (2019). DOI ↗
  • J. P. Eckmann, S. Oliffson Kamphorst, D. Ruelle, and S. Ciliberto, Phys. Rev. A 34, 4971 (1986). DOI ↗

文章数据集与数据来源

下表即文章 figure 1 中的全部数据点。同时列出每个源所用的望远镜 / 设备与事件能量 Ei 的定义 (取自文章 Table 1 与第 2 节)。勾选即在上方图中显示,行末可下载对应的原始 CSV。

文章内置数据集

Select 源 望远镜 / 设备 能量定义 N Pincus Index± Lyapunov Exp. 处理方式 CSV

N 为差分后的序列长度(事件数 − 1);PI 的误差为 100 次随机重排得到的标准差传播值。「能量定义」一列给出各序列所用的事件幅度 Ei 的含义。

数据来源

本文分析所用的全部数据集已存档于 Science Data Bank,可公开获取:

Silu XU, Yongkun Zhang, Pei Wang, et al. A Stochasticity-Chaos Analysis of Magnetar Flares, Glitches, Solar Flares, Earthquakes, FRBs and Repeating Source FRB 20240114A[DS/OL]. V1. Science Data Bank, 2026[2026-10-24]. https://doi.org/10.57760/sciencedb.fastro.00031. DOI:10.57760/sciencedb.fastro.00031.

引用这些数据时请同时引用上述数据集(Science Data Bank)与文章本身。

Science Data Bank ↗

引用 & 参考文献

引用本文

S.-L. Xu, Y.-K. Zhang, P. Wang, D. Li, J.-S. Zhang, T.-C. Lv, et al., “Fast radio bursts, magnetars and earthquakes: Their ‘family feud’?”, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 69, 109511 (2026).

https://doi.org/10.1007/s11433-026-3030-x ↗

引用数据

Silu XU, Yongkun Zhang, Pei Wang, et al. A Stochasticity-Chaos Analysis of Magnetar Flares, Glitches, Solar Flares, Earthquakes, FRBs and Repeating Source FRB 20240114A[DS/OL]. V1. Science Data Bank, 2026[2026-10-24]. https://doi.org/10.57760/sciencedb.fastro.00031. DOI:10.57760/sciencedb.fastro.00031.

算法文献

  • S. M. Pincus, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 88, 2297 (1991) — 近似熵与序列随机性。 DOI ↗
  • A. Delgado-Bonal, Sci. Rep. 9, 12761 (2019) — MaxApEn 与 Pincus Index 的定义。 DOI ↗
  • J. P. Eckmann, S. Oliffson Kamphorst, D. Ruelle, and S. Ciliberto, Phys. Rev. A 34, 4971 (1986) — 由时间序列估计 Lyapunov 谱。 DOI ↗
  • C. Schölzel, Nonlinear measures for dynamical systems, Zenodo (2019) — nolds 参考实现。 DOI ↗

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