Good Noise 이해와 응용

九州工業大学 情報工学大学院

機械情報工学研究系

許 宗焄 (허 종훈)

２０１８．１１．２１，대광발명과학고등학교

Since 1909

국립대학법인

큐슈공업대학

Locations

Tobata Campus School of Engineering Graduate School of Engineering

(공학부/공학원)

Iizuka Campus School of Computer Science and

Systems Engineering Graduate School of Computer

Science and Systems Engineering (정보공학부/정보공학원)

Wakamatsu Campus Graduate School of Life Science and Systems Engineering

(생명체공학원)

History

1909 The Meiji College of Technology was opened to its first students as a private institution with three departments.

1921 Became a 4-year course national institution.

1949 Under the National School Establishment Law, the Meiji College of Technology became the Kyushu Institute of Technology.

1986 The Faculty of Computer Science and Systems Engineering was established.

2000 The Graduate School of Life Science and Systems Engineering (Independent postgraduate school) was established.

2004 All National Universities were transformed into National University Corporations; the Kyushu Institute of Technology was also incorporated as a National University Corporation.

Mr. Keiichiro Yasukawa Founder

Dr. Kenjiro Yamakawa First President

Academic Programs

School of Engineering ( 공학부, Tobata Campus)

School of Computer Science and Systems Engineering

(정보공학부, Iizuka Campus)

Civil and Architectural Engineering (건설사회공학과)

Mechanical and Control Engineering (기계지능공학과)

Electrical and Electronic Engineering (전기전자공학과)

Applied Chemistry (응용화학과)

Materials Science and Engineering (재료공학과)

Integrated Systems Engineering (통합시스템공학과)

Artificial Intelligence (지능정보공학과)

Computer Science and Electronics (전자정보공학과)

Systems Design and Informatics (시스템정보공학과)

Mech. Information Science and Technology (기계정보공학과)

Bioscience and Bioinformatics (생명정보공학과)

- Undergraduate Schools -

Academic Programs - Graduate Schools -

Civil and Architectural Engineering

Mechanical and Control Engineering

Electrical and Electronic Engineering

Materials Science

Applied Science for Integrated System Engineering

Advanced Informatics

Interdisciplinary Informatics

Creative Informatics

Biological Functions Engineering

Human Intelligence Systems

Master’s Program

Graduate School of Engineering (공학대학원)

Graduate School of Computer Science and Systems Engineering (정보공학대학원)

Graduate School of Life Science and Systems Engineering (생명체공학대학원)

Engineering

Computer Science and Systems Engineering

Life Science and Systems Engineering

(Reorganization from April 2014)

Doctoral Program

유학에 관심있는 분은

연락주세요.

許 宗焄 Jong-Hoon HUH (허 종훈) 九州工業大学大学院 情報工学研究院

機械情報工学研究系 情報物理部門 教授

Department of Mechanical Information Science and Technology,

Faculty of Computer Science and Systems Engineering,

Kyushu Institute of Technology

Tel: +81-(0)948-29-7897, Fax: +81-(0)948-29-7750

Email: huh@mse.kyutech.ac.jp

Good Noise 이해와 응용

九州工業大学 情報工学大学院

機械情報工学研究系

許 宗焄 (허 종훈)

２０１８．１１．２１，대광발명과학고등학교

• Stochastic resonance (SR) is a phenomenon where a signal that is

normally too weak to be detected by a sensor, can be boosted by

adding white noise to the signal, which contains a wide spectrum of

frequencies.

• The added white noise can be enough to be detectable by the

sensor, which can then filter it out to effectively detect the original,

previously undetectable signal.

• Extends to many other systems, whether electromagnetic,

physical or biological, and is an area of intense research.

R. Benzi, A. Sutera and A. Vulpiani, The mechanism of stochastic resonance,

J. Phys. A14, L453-L457 (1981).

・확률적 공명현상(Stochastic Resonance)

일반적 공명현상

0

10

1:

共鳴

LC

LC

외부（ 回路Ｉ ）

주파수!

回路ＩＩ(내부)

에서 결정!

2 2

0

01

2

0

2

0

/tan

1

(

1,

1)

R R L

LC

MI

R LC

LC

I

　

0 cos( )I tI 　

tII cos011

IL

C

RM

1I

Ｉ ＩＩ

　？I

B B

회로 II의 전류가 최대가

되는 조건, I0의 최대조건

방송국

수신기

0

그네의 공명

0

●共鳴（共振）의 예

Ｃ（변조콘덴서）를

사용해서 주파수를 맟춤

라디오 방송수신：

TV리모콘：적외선

와 적외선 센서 0

0

0 cos( )I tI 　

tII cos011

IL

C

RM

1I

Ｉ ＩＩ

　？I

B B

0

10

1:

共鳴

LC

LC

외부（ 回路Ｉ ）

주파수!

回路ＩＩ(내부)

에서 결정!

強制振動과 共鳴現象의 例

0

1850년 프랑스 바스세느대교의 붕괴대참사. 약500명의 보병대의 행진중, 사고로 물에 빠진 487명중 226명이 사망. 병사들의 행진의 박자 주파수 와 대교의 고유 주파수 0가 공명을 일으켜, 대교의 상하흔들림의 진폭이 최대로 증폭되어 일어난 사고. 이 사고 후에, 군대에서는 지금도 “다리를 건널 때는 행진보조를 해제하라”고 명령함. 현재는 설계단계에서 공명에 의한 증폭을 고려해서 건설함.

타코마대교 붕괴사고 미국 워싱톤주에서 1940年11月7日에 발생한 타코마대교 붕괴사고. 개통4개월만에, 풍속 19m/s의 그렇게 강하지 않는 바람에도 불구하고, 대교의 뒤틀림진동이, 바람에 의해 생긴 소용돌이와 공명을 일으켜, 뒤틀림진동이 증폭되어 붕괴됨.

재건설후 현재의 대교

확률적 공명현상(Stochastic Resonance)

규칙적인 주파수 대신에 불규칙한

노이즈 (good noise)를 사용해서

공명을 일으킴!

0

10

1:

共鳴

LC

LC

外部（ 回路Ｉ ）

주파수!

回路ＩＩ(내부)

에서 결정!

0

미지의 0

P. Hänggi, Stochastic resonance in

biology - How noise can enhance

detection of weak signals and help

improve biological information

processing, ChemPhysChem 3, 285-290

(2002).

♣ 미약한 신호 측정에 응용

측정기의 한계

미약한 신호

good noise

확률적 공명현상(Stochastic Resonance)

미지의

●1920-30:Milankovitch Cycles and Glaciation

mx

mx

mxmx

빙하기의 주기는

무엇이 결정하는가? 빙하기 간빙기

확률적 공명현상의 아이디어 의 출발점

mx

mx

t 미약한 미지의 신호를

잡아 낼 수 있다 !

혹은, 신호의 원인을

밝혀 낼 수 있다 !

적당한

good noise

일 때만!

mxmx

확률적 공명현상(Stochastic Resonance)

빙하기

간빙기

노이즈

小

노이즈

大

田中裕也，博論（2017）

From http://www.sp.fukuoka-u.ac.jp/section/butsujoh/misono/

확률적 공명현상(Stochastic Resonance)

적당한

최적의

노이즈

good noise

일반적

bad noise

Use of behavioral stochastic resonance by paddle fish for feeding_D. F. Russell et al., Nature 402, 291 (1999).

확률적 공명현상(Stochastic Resonance)

미약한 신호

good noise

너무 약하지도 너무 강하지도

않은 적당한 노이즈 에서

먹이사냥이 최고!

Detection of electric biological,

weak signals (건강감시 디바이스)

Y. Imai et al., Japanese Journal of

Applied Physics 53, 06JE01 (2014).

확률적 공명현상(Functional Stochastic Resonance)

인체에 적용

뇌과학등에 응용

노령화와 함께 감각이 둔해 지는

것은 감지 임계치(Threshold)가

높아 지는 것 !

심전도 측정

근

미약한 신호

good

noise

신호

증폭

전기대류현상에서 발견된 역확률공명현상

(a)

(e)

(d)

(c)

(b)

Spatiotemporal Stochastic

Resonance in the Swift-Hohenberg

Equation, J. M. G. Vilar and J. M.

Rubi, PRL78, 2886 (1997).

Conventional

SR

Inverse stochastic resonance in electroconvections by multiplicative

colored noise, Jong-Hoon Huh, PRE94,052702(2016).

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

0 5 10 15 20

increasing VN

decreasing VN

0 [

arb.

unit

]

VN [V]

Inverse

SR

역확률적 공명현상(Inverse Stochastic Resonance)

Nois

e In

ten

sity

열대류현상

Huh Lab:전기유체역학의 구조형성과 공명현상

・노이즈는 규칙적인 구조를 만들 수 있는가?

・전기대류현상 구조와 확률공명관계

・노이즈에 의한 상전이문제

・노이즈가 유발하는 시간적 공간적 구조

chaos cosmos

uniformity patterns,

rhythms

noise, fluctuation

V

V(t) =[V0 + A0x(t)]cos{0t + 0x(t)}

진폭노이즈 위상노이즈

바이오 시스템, 지구환경 시스템 (비평형계)

에 관한 노이즈의 영향

Huh Lab研究領域

自然現象의多様性

非平衡度 平衡系 線形非平衡系 非線形非平衡系

죽음의 세계 일정한 변화 다양한 세계

・Soliton

・時空카오스（乱流）

・Chaos & Fractal

・Turing pattern

・Limit cycle

・Brown運動（균일상태）

・緩和現象

（非平衡平衡）

T

T+DT DT<Tc

T

T+DT DT> DTc

균일지향 불균일지향의 세계

自然現象의多様性

混沌

DT

V

V

액정에 의한 전기대류현상 Good Noise Huh Lab:전기유체역학의 구조형성과 공명현상

V(t) =[V0 + A0x(t)]cos{0t + 0x(t)}

전망과 결론 1. 노이즈를 최소화하고, 가능하면 제거해야 하는 분야가 있다.

bad noise

2. 미약한 신호를 효과적으로 증폭시키는 노이즈가 있다.

good noise 확률공명(Stochastic Resonance)

3. 노이즈를 질적으로 잘 조절배합하면 다양한 시스템에서

공명현상을 기대할 수 있다.

good colored noise (vs. white noise) - 다음 기회에!

질문1 식물(광합성작용)은

일정한 광량의 빛이 효과적일까,

불규칙한 것이 효과적일까? CO2センサー

光 光量制御装置

CO2・O2測定器 解析システム

O2センサー

密閉容器

光量カウンター

질문2 다이어트를 위한 운동 혹은

영양섭취는 규칙적인 것이 효과적일까,

불규칙한 것이 효과적일까?

감사의 말씀

대광발명과학고의 전신인 상록기술학교의 5회졸업생

(1979년)으로, 오늘의 제가 있기까지, 힘들었던 시절,

사랑과 격려를 아끼지 않고 이끌어 주시고 지지해 주신,

배 상태 前교장선생님과 송 수천 이사장님께, 진심으로

감사드립니다.

후배 여러분들에게도 밝은 미래와, 장차 기술과학강국

대한민국의 영향력있는 일꾼이 되기를 바랍니다.

ご清聴ありがとうございました．

경청해 주셔서 감사합니다.