正帰還
In electronicsEdit
再生回路は、非常に弱いラジオ信号の増幅と受信のために、1914年に発明され、特許を取得しました。 1 つのトランジスタ増幅器の周囲で注意深く制御された正帰還は、その利得を 1,000 倍以上にもすることができます。 そのため、通常は20〜50の利得しかない信号を、1段で2万倍、10万倍にも増幅することができる。 このように非常に高い利得で動作する再生増幅器は、不安定になりやすく、発振し始めるという問題がある。 このため、良好な受信状態を得るためには、オペレータはフィードバックの量をかなり継続的に調整する必要がある。
再生ラジオ回路で発生しうる発振は、電子発振器で使用されます。 同調回路や圧電結晶（一般に水晶）を使用することで、正帰還によって増幅される信号は線形で正弦波のままです。 このような高調波発振器には、アームストロング発振器、ハートリー発振器、コルピッツ発振器、ウィーンブリッジ発振器など、いくつかの設計が存在する。
多くの電子回路、特に増幅器は、負帰還を組み込んでいます。
多くの電子回路、特にアンプには負帰還が組み込まれており、利得は低下しますが、線形性、入力インピーダンス、出力インピーダンス、帯域幅が向上し、閉ループ利得を含むこれらすべてのパラメータが安定化します。 また、これらのパラメータは、増幅器自体の詳細への依存度が低くなり、製造公差や経年変化、温度による変化が少ないフィードバック部品への依存度が高くなる。 交流信号に対する正帰還と負帰還の違いは、位相の違いであり、信号が逆位相でフィードバックされる場合は負帰還、同位相の場合は正帰還となる。 負帰還を使用するアンプ設計者の問題点として、回路の構成部品の一部が帰還経路に位相のずれをもたらすことが挙げられます。 位相シフトが180°に達する周波数（通常は高周波数）がある場合、設計者はその周波数でのアンプの利得が非常に低くなるようにしなければならない（通常はローパスフィルタリングによって）。 ある周波数でのループ・ゲイン（アンプのゲインと正帰還の大きさの積）が1より大きい場合、アンプはその周波数で発振します（バルクハウゼン安定性基準）。 このような発振を寄生発振と呼ぶことがあります。 ある条件下で安定な増幅器が、別の条件下で寄生発振することがあります。
アンプは、オシロスコープなしでは検出が困難な方法で穏やかに発振するか、発振が広範囲に及ぶため、非常に歪んだ信号しか通さないか、必要な信号がまったく通らないか、または破損することがあります。
一般のデジタル電子回路の多くではポジティブ フィードバックが使用されています。 通常の単純なブール論理ゲートは、デジタル信号の電圧を中間値からブール語の「0」と「1」を表すための値に押し上げるために、単に利得に頼っていますが、より複雑なゲートの多くではフィードバックを使用しています。 入力電圧はアナログ的に変化するが、後のデジタル処理で鋭い閾値が必要な場合、シュミットトリガー回路は正帰還を利用して、入力電圧が閾値より緩やかに上昇すると、出力を賢くかつ迅速に論理状態から別の状態に強制的に変化させることができる。 また、シュミットトリガが正帰還を用いることにより、入力電圧が同じスレッショルドを越えて再び緩やかに下降した場合、正帰還により出力は変化せずに同じ状態に保たれます。 この効果をヒステリシスと呼びます。入力電圧は、出力を「アンラッチ」して元のデジタル値にリセットするために、別の低いスレッショルドを越えて降下する必要があります。 正帰還の範囲を狭めれば、ヒステリシスの幅を小さくすることができるが、完全になくすことはできない。
電子フリップフロップ、または「ラッチ」、あるいは「双安定マルチバイブレーター」は、高正帰還により、平衡状態または中間状態で安定しない回路です。 このような双安定回路は、1ビットの電子メモリの基礎となるものである。 フリップフロップは、互いに接続された一対の増幅器、トランジスタ、または論理ゲートを使用し、入力信号が除去された後、状態を変更するのに適した代替信号が適用されるまで、正のフィードバックによって回路の状態を2つの不平衡安定状態のうちの1つに維持するようにする。
熱暴走は、電子システムにおいて、回路の一部が熱くなるとより多くの電流を流すようになり、さらに熱くなるとより多くの電流を流し、さらに熱くなり、さらに多くの電流を流すようになることで発生します。 その結果、そのデバイスは壊滅的な打撃を受ける。
オーディオとライブ ミュージック
オーディオ フィードバック (音響フィードバック、単にフィードバック、または Larsen 効果としても知られています) は、オーディオ入力 (たとえば、マイクまたはギター ピックアップ) とオーディオ出力 (たとえば、大きく増幅されたラウドスピーカー) 間に音のループが存在すると起こる、特殊な正帰還の 1 種です。 この例では、マイクで受信した信号が増幅され、ラウドスピーカーから出力されます。 ラウドスピーカーからの音は、再びマイクロフォンで受信され、さらに増幅された後、再びラウドスピーカーから出力されることが可能である。 音の周波数は、マイクロホン、アンプ、ラウドスピーカーの共振周波数、部屋の音響特性、マイクロホンとラウドスピーカーの指向性ピックアップとエミッションパターン、そして両者の距離によって決定される。
フィードバックは、SR システムや PA システムを使用するイベントで、歌手やスピーカーのマイクで発生した場合、ほとんどの場合、望ましくないと考えられています。 オーディオ エンジニアは、これらの不要な鳴き声や金切り声を防止するために、イコライザーや、1990 年代以降は自動フィードバック検出装置など、さまざまな電子デバイスを使用して、観客のイベントの楽しみを損なうような音を防止しています。 一方、1960年代以降、大音量のギターアンプやディストーションエフェクトを使用するロックバンドのエレキギター奏者は、望ましい音楽効果を生み出すために、意図的にギターのフィードバックを発生させるようになりました。 ビートルズの “I Feel Fine “は、ポピュラー音楽における録音効果としてのハウリングの最も初期の使用例の一つである。 この曲は、レノンのギターのA弦を弾くことで発生するパーカッシブなフィードバック音から始まります。 キンクスやザ・フーのようなアーティストはすでにフィードバックをライブで使っていたが、レノンは、ビートルズがおそらく意図的にそれをレコードに入れた最初のグループであるという事実に誇りを持ち続けていた。
オーディオのフィードバックの原理は、デンマークの科学者 Søren Absalon Larsen によって初めて発見されました。 この効果を受ける変換器は、マイクロフォンだけではありません。 レコード デッキのピックアップ カートリッジも同様で、通常は約 100 Hz 以下の低周波領域で、低い音として現れます。 ジミ・ヘンドリックスは、ギターソロでギターのフィードバックを意図的に使用し、ユニークなサウンド効果を生み出した革新的な人物です。 彼は、エレクトリック・ギター演奏におけるオーディオ・フィードバックの制御された音楽的な使用を発展させることに貢献し、後にブライアン・メイがこのテクニックの有名な提唱者となりました。
VideoEdit
同様に、カメラ自身の信号を表示しているモニター画面上にビデオカメラを向けた場合、正のフィードバックにより画面上に繰り返しのパターンを形成することが可能です。 このビデオ フィードバック効果は、テレビ番組『ドクター・フー』の最初の 10 シリーズのオープニング シークエンスで使用されました。
スイッチの編集
バイメタル ストリップ ベースのサーモスタットを含む電気スイッチでは、スイッチは通常、スイッチ動作にヒステリシスがあります。 これらの場合、ヒステリシスは、ティッピング ポイント メカニズム内のポジティブ フィードバックによって機械的に達成されます。
生物学における編集
In physiologyEdit
正帰還システムの例は、生理学で数多く見受けられます。 収縮が起こると、オキシトシンというホルモンが神経を刺激し、視床下部を刺激してオキシトシンをさらに分泌させ、子宮の収縮を高める。 その結果、収縮は振幅と頻度を増していくのです（pp924-925）
ほとんどの場合、このようなフィードバック ループは、ループを抑制または解除するカウンター シグナルが放出されることで頂点に達します。 出産時の陣痛は、赤ちゃんが母親の体から出ると止まる。 化学物質が血栓を分解する。
遺伝子制御における編集
正のフィードバックは遺伝子制御におけるよく研究された現象であり、そこでは最も頻繁に双安定性と関連付けられます。 正帰還は、遺伝子が二重の負帰還ループを介して直接または間接的に自身を活性化するときに発生します。 遺伝子工学者は、双安定性の概念を実証するために、バクテリアの中に単純な正のフィードバックネットワークを構築し、テストしてきた。 正帰還の典型的な例として、大腸菌のlacオペロンが挙げられる。 正帰還は細胞の分化、発生、癌の進行に不可欠な役割を果たしており、従って、遺伝子制御における正帰還は重要な生理的結果をもたらす可能性がある。 分子ダイナミクスのランダムな運動とポジティブフィードバックが組み合わさると、同じ親細胞から表現型の異なる細胞の集団を作り出すなど、興味深い効果を引き起こすことができる。 これは、正帰還によってノイズが増幅されるために起こる現象である。
進化生物学における編集
正帰還ループは、生物進化の変化のダイナミクスの側面を説明するために使用されてきました。 たとえば、マクロのレベルから始まって、Alfred J. ロトカ（1945）は、種の進化は、最も本質的には、エネルギーの流れをフィードバックして、生物系が使用するエネルギーをどんどん取り込んでいく淘汰の問題であると主張した。 人間でいえば、Richard D. Alexander（1989）は、人間集団間や集団内での社会的競争が知能の淘汰にフィードバックされ、より洗練された人間の知能が絶えず生み出されると提唱している。 Crespi (2004)は、進化における正のフィードバックループの他のいくつかの例について論じている。
原生代の生物多様性の変化は、指数モデルやロジスティックモデル（伝統的に集団生物学で使用され、化石生物多様性にも広く適用されている）よりも双曲モデル（人口学やマクロ社会学で広く使われている）の方がはるかによく相関することが示されました。 後者のモデルは、多様性の変化が一次の正のフィードバック（祖先が増えれば子孫が増える）と資源の制限から生じる負のフィードバックによって導かれることを意味する。 双曲線モデルは、2次的な正のフィードバックを意味する。 世界人口の増加の双曲線パターンは、人口サイズと技術成長率の間の2次の正のフィードバックから生じることが実証されている（下記参照）。 生物多様性の増加も同様に、多様性と群集構造の複雑さとの間の正帰還によって説明することができる。 生物多様性の曲線と人間の人口の間の類似性は、おそらく両方とも、（正帰還によって生じる）双曲線トレンドと周期的および確率的なダイナミクスの干渉から得られるという事実から来ることが示唆されています。
免疫システム
サイトカイン嵐、または高サイトカイン血症は、サイトカインと免疫細胞の間の正のフィードバックループで構成され、さまざまなサイトカインのレベルが非常に上昇した、致命傷ともなり得る免疫反応です。 正常な免疫機能では、正帰還ループはBリンパ球の作用を増強するために利用されることがある。 B細胞は、抗原に抗体が結合して活性化すると、抗体の放出とC3という補体タンパク質の分泌を開始する。 C3 と B 細胞の抗体の両方が病原体に結合することができ、B 細胞がその抗体を C3 とともに病原体に結合させると、B 細胞の抗体と C3 の分泌が促進され、正のフィードバック ループが形成されます。
細胞死
アポトーシスは、カスパーゼが仲介する細胞死のプロセスで、長命の細胞や損傷を受けた細胞を除去することを目的としています。 このプロセスの失敗は、癌やパーキンソン病のような顕著な状態に関与しています。 アポトーシス過程の中核は、カスパーゼの自動的な活性化であり、これはポジティブフィードバックループを介してモデル化されることがある。 このポジティブフィードバックは、中間カスパーゼによってエフェクターカスパーゼを自己活性化させる。 アポトーシス経路の他の部分から切り離された場合、このポジティブフィードバックは、エフェクターカスパーゼの中間活性化ステップの数にかかわらず、ただ一つの安定した定常状態を示す。 このコア プロセスがカスパーゼ効果の阻害剤および増強剤で補完される場合、このプロセスは双安定性を示し、それによって細胞の生死状態をモデル化します。
In psychologyEdit
Winner (1996) は、才能ある子供は、自分自身の学習コースを設定する、このフィードバックが満足感をもたらし、それによってさらに学習目標を高いレベルに設定するといった正のフィードバック ループによって駆動されていると説明しました。 ウィナーはこのポジティブなフィードバックループを “マスターへの怒り “と呼びました。 Vandervert (2009a, 2009b)は、神童は、ワーキングメモリで思考・実行した出力が小脳に送られ、そこで効率化され、さらにワーキングメモリにフィードバックされ、ワーキングメモリの量的・質的出力が着実に増大するという正のフィードバックループで説明できることを提案しました。
In economicsEdit
Markets with social influenceEdit
製品の推奨や過去の購入に関する情報は、それが音楽、映画、書籍、技術、および他のタイプの製品であっても、消費者の選択に大きく影響を与えることが示されています。
Market dynamicsEdit
ジョージ ソロスが提唱した反射率の理論によると、価格の変化は、投資家の期待が価格の動きによって影響を受け、それが維持できなくなるまでその方向への動きを強化するように彼らの行動が作用する、正のフィードバック プロセスによって駆動されます。
システムリスク
システムリスクは、増幅、レバレッジ、または正帰還プロセスがシステムにもたらすリスクです。 これは通常未知であり、特定の条件下では、このプロセスが指数関数的に増幅し、急速に破壊的または無秩序な行動につながる可能性があります。 ネズミ講は正帰還システムの良い例である。新規投資家からの資金が異常に高い利回りの支払いに使われ、それがさらに新規投資家を引きつけ、崩壊に向けて急成長するのである。 W. Brian Arthurも経済におけるポジティブ・フィードバックについて研究・執筆している（W. Brian Arthur, 1990など）。 Hyman Minskyは、ある種の信用拡大行為が市場経済を「偏差増幅システム」にし、突然崩壊する可能性があるという理論を提唱し、「Minsky moment」と呼ばれることもあります。
入力と出力を明確に分離した単純なシステムは、システミックリスクになりにくいです。 このリスクは、システムの複雑さが増すほど発生しやすくなります。なぜなら、慎重なストレステスト条件下でも、システム内の変数の可能な組み合わせをすべて見たり分析したりすることは難しくなるからです。 複雑なシステムが効率的であればあるほど、システムを混乱させるのにわずかな偏差しか必要としないため、システミックリスクが発生しやすくなるのです。 したがって、よく設計された複雑なシステムには、一般にこのような状態を避けるための機能が組み込まれています。たとえば、システム内の入力から出力を切り離すための少量の摩擦、抵抗、慣性、時間遅延などがあります。
2010年のフラッシュ クラッシュ事件は、高頻度取引 (HFT) の実践が原因とされましたが、HFT が本当にシステミック リスクを高めるかどうかは、依然として議論の余地があります。
人間の人口成長
農業と人間の人口は正のフィードバック モードであると考えられ、これは、一方の勢いが増すにつれ、他方を動かすということを意味します。
技術革新と人類の人口も同様に考えることができ、これは、過去の人類の人口がより単純な指数関数的成長ではなく、明らかに双曲線的な成長であることの説明として提供されてきました。成長率が加速しているのは、人口と技術の間の二次的な正のフィードバックによるものだと提案されている(p133-160)。 技術的な成長によって人間に対する土地の収容力が高まり、それが人口増加につながり、それがさらなる技術的成長を促しているのである。(p146)
Prejudice, social institutions and povertyEdit
Gunnar Myrdalは、不平等の拡大、貧困の悪循環を説明し、これは「循環累積因果関係」として知られている。
In meteorologyEdit
旱魃はポジティブフィードバックにより強まる。 雨が降らないと土壌の水分が減少し、植物を枯らしたり、蒸散による水の放出が少なくなったりします。 両方の要因が蒸発散を制限し、水蒸気が表面から大気中に追加されるプロセス、および水を吸収する大気中に乾燥したほこりを追加します。 水蒸気が少ないということは、露点温度が低く、日中の暖房効率が良いということであり、大気中の湿度が低くなり、雲が発生しにくくなる。 最後に、雲がなければ雨は降らず、ループは完了します。
In climateologyEdit
気候の「強制」は、気候システムを温暖化または冷却の方向に押しやるかもしれません。例えば、温室効果ガスの大気濃度の増加は、地表の温暖化を引き起こします。 強制力は気候系の外部にあり、フィードバックは気候系の内部プロセスである。 フィードバック機構には、気候システムの他の部分と相対的に分離して作用するものもあれば、緊密に結合して作用するものもある。 強制力、フィードバック、そして気候系のダイナミクスが、気候の変化の大きさと速さを決定する。 地球温暖化における主な正のフィードバックは、温暖化によって大気中の水蒸気量が増加し、それがさらなる温暖化につながるという傾向である。 負のフィードバックは、地球から宇宙へ放射される熱量が地表と大気の温度の4乗に比例するというステファン-ボルツマンの法則によるものである。
気候学における正帰還サブシステムの他の例としては、以下のものがあります。
- より暖かい大気は氷を溶かし、これによりアルベドが変化し、さらに大気が暖められます
- メタンハイドレートは不安定で、暖まる海洋はさらにメタンを放出し、これも温室ガスとなる
- 泥炭地で自然に発生するピートは、炭素を含んでいます。 泥炭が乾燥すると分解され、さらに燃えることがあります。
- 地球温暖化は、雲の分布に影響を与えます。
気候変動に関する政府間パネル（IPCC）第4次評価報告書では、「人為的な温暖化は、気候変動の速度と大きさによっては、突然または不可逆的な影響をもたらす可能性がある」と述べられています。「
In sociologyEdit
自己成就予言とは、信念と行動の間の社会的な正のフィードバック ループのことで、もし多くの人が何かが真実だと信じているなら、彼らの行動はそれを真実にしてしまい、彼らの行動の観察は、逆に信念を増加させるかもしれません。
正帰還のもう一つの社会学的な例は、ネットワーク効果です。
ポジティブフィードバックの社会学的なもう一つの例は、ネットワーク効果です。より多くの人がネットワークに参加するよう促されると、ネットワークの範囲が広がり、ネットワークはより急速に拡大します。 バイラルビデオはネットワーク効果の一例で、人気のあるビデオへのリンクが共有・再配布され、より多くの人がそのビデオを見て、リンクを再公開することを確実にします。 これは、ねずみ講やチェーンレターなど、多くの社会現象の基礎となっている。 多くの場合、母集団のサイズがフィードバック効果の制限要因になります。
化学の場合
化学反応により熱が放出され、反応自体が高温で速く起こる場合、正のフィードバックが起こる可能性が高くなります。
保全活動
多くの野生生物が、非常に価値のある部位のために狩猟されています。 対象となる種が絶滅に近づけば近づくほど、その部品に高い値段がつきます。 これは、正のフィードバックの一例です。