Fourier phase index for extracting signatures of determinism and nonlinear features in time series

Author:

Aguilar-Hernández Alberto Isaac12ORCID,Serrano-Solis David Michel3ORCID,Ríos-Herrera Wady A.4ORCID,Zapata-Berruecos José Fernando56ORCID,Vilaclara Gloria7ORCID,Martínez-Mekler Gustavo238ORCID,Müller Markus F.389ORCID

Affiliation:

1. Instituto de Ciencias Básicas y Aplicadas, Universidad Autónoma del Estado de Morelos 1 , Avenida Universidad 1001 Edificio 43, Cuernavaca, Morelos 62209, México

2. Instituto de Ciencias Físicas, Universidad Nacional Autónoma de México 2 , Avenida Universidad S/N, Cuernavaca, Morelos 62210, México

3. Centro de Ciencias de la Complejidad C3, Universidad Nacional Autónoma de México 3 , Ciudad Universitaria S/N, 04510 Ciudad de México, México

4. Facultad de Psicología, Universidad Nacional Autónoma de México, Circuito Ciudad Universitaria Avenida, C.U. 4 , 04510 Ciudad de México, México

5. Unidad de Neurofisiología Clinica, Instituto Neurológico de Colombia 5 , Calle 55 46-36, Medellín 04510, Antioquia, Colombia

6. Escuela de Graduados Universidad CES 6 , Calle 10a 22, Medellín 050021, Antioquia, Colombia

7. Limnología Tropical, División de Investigación y Posgrado, Facultad de Estudios Superiores, Iztacala, Universidad Nacional Autónoma de México 7 , 54090 Ciudad de México, México

8. Centro Internacional de Ciencias A.C. 8 , Avenida Universidad 1001, Cuernavaca, Morelos 62210, México

9. Centro de Investigación en Ciencias, Universidad Autónoma del Estado de Morelos 9 , Avenida Universidad 1001, Cuernavaca, Morelos 62209, México

Abstract

Detecting determinism and nonlinear properties from empirical time series is highly nontrivial. Traditionally, nonlinear time series analysis is based on an error-prone phase space reconstruction that is only applicable for stationary, largely noise-free data from a low-dimensional system and requires the nontrivial adjustment of various parameters. We present a data-driven index based on Fourier phases that detects determinism at a well-defined significance level, without using Fourier transform surrogate data. It extracts nonlinear features, is robust to noise, provides time-frequency resolution by a double running window approach, and potentially distinguishes regular and chaotic dynamics. We test this method on data derived from dynamical models as well as on real-world data, namely, intracranial recordings of an epileptic patient and a series of density related variations of sediments of a paleolake in Tlaxcala, Mexico.

Funder

Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología

Dirección General de Asuntos del Personal Académico, Universidad Nacional Autónoma de México

Publisher

AIP Publishing

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1. Nonlinear comparative analysis of Greenland and Antarctica ice cores data;Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science;2024-08-01

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