<?xml version="1.0" encoding="UTF-8" standalone="no"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" article-type="research-article">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Neurosci.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Neuroscience</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Neurosci.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">1662-453X</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fnins.2021.681035</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Neuroscience</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Memristor Circuits for Simulating Neuron Spiking and Burst Phenomena</article-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name><surname>Innocenti</surname> <given-names>Giacomo</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"><sup>1</sup></xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001"><sup>&#x0002A;</sup></xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/1139811/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Di Marco</surname> <given-names>Mauro</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff2"><sup>2</sup></xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Tesi</surname> <given-names>Alberto</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"><sup>1</sup></xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Forti</surname> <given-names>Mauro</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff2"><sup>2</sup></xref>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1"><sup>1</sup><institution>Dipartimento di Ingegneria dell&#x00027;Informazione, Universit&#x000E0; degli Studi di Firenze</institution>, <addr-line>Firenze</addr-line>, <country>Italy</country></aff>
<aff id="aff2"><sup>2</sup><institution>Dipartimento di Ingegneria dell&#x00027;Informazione e Scienze Matematiche, Universit&#x000E0; degli Studi di Siena</institution>, <addr-line>Siena</addr-line>, <country>Italy</country></aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by"><p>Edited by: Kyeong-Sik Min, Kookmin University, South Korea</p></fn>
<fn fn-type="edited-by"><p>Reviewed by: Kazuki Nakada, Hiroshima City University, Japan; Alon Ascoli, Technische Universit&#x000E4;t Dresden, Germany</p></fn>
<corresp id="c001">&#x0002A;Correspondence: Giacomo Innocenti <email>giacomo.innocenti&#x00040;unifi.it</email></corresp>
<fn fn-type="other" id="fn001"><p>This article was submitted to Neuromorphic Engineering, a section of the journal Frontiers in Neuroscience</p></fn></author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>10</day>
<month>06</month>
<year>2021</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2021</year>
</pub-date>
<volume>15</volume>
<elocation-id>681035</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>15</day>
<month>03</month>
<year>2021</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>10</day>
<month>05</month>
<year>2021</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#x000A9; 2021 Innocenti, Di Marco, Tesi and Forti.</copyright-statement>
<copyright-year>2021</copyright-year>
<copyright-holder>Innocenti, Di Marco, Tesi and Forti</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/"><p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p></license>
</permissions>
<abstract><p>Since the introduction of memristors, it has been widely recognized that they can be successfully employed as synapses in neuromorphic circuits. This paper focuses on showing that memristor circuits can be also used for mimicking some features of the dynamics exhibited by neurons in response to an external stimulus. The proposed approach relies on exploiting multistability of memristor circuits, i.e., the coexistence of infinitely many attractors, and employing a suitable pulse-programmed input for switching among the different attractors. Specifically, it is first shown that a circuit composed of a resistor, an inductor, a capacitor and an ideal charge-controlled memristor displays infinitely many stable equilibrium points and limit cycles, each one pertaining to a planar invariant manifold. Moreover, each limit cycle is approximated via a first-order periodic approximation analytically obtained via the Describing Function (DF) method, a well-known technique in the Harmonic Balance (HB) context. Then, it is shown that the memristor charge is capable to mimic some simplified models of the neuron response when an external independent pulse-programmed current source is introduced in the circuit. The memristor charge behavior is generated via the concatenation of convergent and oscillatory behaviors which are obtained by switching between equilibrium points and limit cycles via a properly designed pulse timing of the current source. The design procedure takes also into account some relationships between the pulse features and the circuit parameters which are derived exploiting the analytic approximation of the limit cycles obtained via the DF method.</p></abstract>
<kwd-group>
<kwd>neuron</kwd>
<kwd>spiking</kwd>
<kwd>bursting</kwd>
<kwd>memristor</kwd>
<kwd>pulse-programmed circuit</kwd>
<kwd>harmonic balance</kwd>
</kwd-group>
<counts>
<fig-count count="12"/>
<table-count count="0"/>
<equation-count count="49"/>
<ref-count count="62"/>
<page-count count="13"/>
<word-count count="7990"/>
</counts>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec sec-type="intro" id="s1">
<title>1. Introduction</title>
<p>The ever-growing need of computing power to handle data intensive applications is seriously challenging conventional digital von Neumann computing architectures (Bonomi et al., <xref ref-type="bibr" rid="B8">2012</xref>; Satyanarayanan, <xref ref-type="bibr" rid="B51">2017</xref>; Williams, <xref ref-type="bibr" rid="B58">2017</xref>). The physical separation between the computing and memory units can indeed generate long latency time and large energy consumption when data intensive tasks are performed. In this context, researchers look at the emerging nanoscale analog devices, such as memristors, as a viable approach for developing new computing paradigms, based on in-memory and analog computation, which are potentially capable to overcome the limitations of conventional computer architectures (Waldrop, <xref ref-type="bibr" rid="B55">2016</xref>; Zidan et al., <xref ref-type="bibr" rid="B62">2018</xref>; Krestinskaya et al., <xref ref-type="bibr" rid="B43">2020</xref>).</p>
<p>The memristor (a shorthand for memory resistor) is the fourth basic passive circuit element theoretically introduced by Prof. Leon Chua in 1971 (Chua, <xref ref-type="bibr" rid="B12">1971</xref>). The appealing features of a memristor are <italic>non-volatility</italic>, i.e., the memristor capability to hold data in memory without the need of a power supply, and <italic>non-linearity</italic>, which makes memristor circuits capable to generate quite a rich variety of oscillatory and complex dynamics. The combination of these two features enables in-memory computing, i.e., the co-location of computation and memory in the same device (Ielmini and Wong, <xref ref-type="bibr" rid="B33">2018</xref>). In-memory computing, which resembles a basic principle of brain computation, can provide several advantages, such as low energy consumption, high bandwidths, excellent scalability, thus lending itself as quite a promising novel computing approach in the field of artificial intelligence and big data (Ielmini and Pedretti, <xref ref-type="bibr" rid="B32">2020</xref>). Memristor circuits have been already positively used to address several tasks, including the solution of global optimization, constraint satisfaction and linear algebra problems (Yang et al., <xref ref-type="bibr" rid="B60">2013</xref>; Wang et al., <xref ref-type="bibr" rid="B57">2015</xref>; Kumar et al., <xref ref-type="bibr" rid="B44">2017</xref>). They are also used as building blocks in reservoir computing systems (Du et al., <xref ref-type="bibr" rid="B27">2017</xref>) and neuromorphic computing for on-line signal processing tasks (Di Marco et al., <xref ref-type="bibr" rid="B22">2016</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B24">2017</xref>; Di Marco et al., <xref ref-type="bibr" rid="B23">2017</xref>; Ascoli et al., <xref ref-type="bibr" rid="B2">2020a</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B3">b</xref>).</p>
<p>Since the very beginning it was clear that understanding the peculiar dynamical features of memristor circuits is the key step for developing analog in-memory computing schemes. It has been definitely shown that memristor circuits are capable to generate quite a large variety of dynamical behaviors (Corinto et al., <xref ref-type="bibr" rid="B13">2011</xref>; Corinto et al., <xref ref-type="bibr" rid="B14">2019</xref>; Pershin and Di Ventra, <xref ref-type="bibr" rid="B48">2011</xref>; Xu et al., <xref ref-type="bibr" rid="B59">2016</xref>; Yuan et al., <xref ref-type="bibr" rid="B61">2016</xref>; Di Marco et al., <xref ref-type="bibr" rid="B18">2018</xref>), including bursting oscillations (see e.g., Wang et al., <xref ref-type="bibr" rid="B56">2019</xref> and references therein). Recently, a new technique, named flux-charge analysis method (FCAM), has been introduced for the analysis of memristor circuits in the flux-charge domain (Corinto and Forti, <xref ref-type="bibr" rid="B15">2016</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B16">2017</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B17">2018</xref>). FCAM permits to show that the dynamical richness displayed by memristor circuits is a consequence of the property that the state space of any given circuit, i.e., with its parameter having fixed values, contains infinitely many invariants manifolds (foliation property of the state space). This specific property implies that in memristor circuits there is the coexistence of infinitely many different attractors, a property referred to as <italic>multistability</italic>. Moreover, structural changes of the attractors are observed when the initial conditions are varied while keeping constant the values of the circuit parameters, a peculiar phenomenon which is referred to as bifurcations without parameters (Corinto and Forti, <xref ref-type="bibr" rid="B16">2017</xref>; Di Marco et al., <xref ref-type="bibr" rid="B18">2018</xref>; Innocenti et al., <xref ref-type="bibr" rid="B35">2019b</xref>). In particular, Di Marco et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B18">2018</xref>), Innocenti et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B35">2019b</xref>) have employed techniques within the Harmonic Balance (HB) context for predicting limit cycles and their bifurcations by first showing that the dynamics of the memristor circuit admits an equivalent input-output representation, which has been recently extended also to circuits containing memory elements (Innocenti et al., <xref ref-type="bibr" rid="B36">2020</xref>).</p>
<p>Among other applications, it has been soon recognized that memristors can be successfully employed as synapses in neuromorphic circuits (see e.g., Jo et al., <xref ref-type="bibr" rid="B40">2010</xref>; Adhikari et al., <xref ref-type="bibr" rid="B1">2012</xref>; Thomas, <xref ref-type="bibr" rid="B53">2013</xref>; Kim et al., <xref ref-type="bibr" rid="B42">2015</xref>; Hu et al., <xref ref-type="bibr" rid="B31">2016</xref>; Hong et al., <xref ref-type="bibr" rid="B30">2019</xref>). It has been also pointed out that memristor circuits appear to be suited for modeling some features of the dynamics of neurons. Some contributions provide a memristor representation of popular neuron models (see e.g., Chua et al., <xref ref-type="bibr" rid="B11">2012</xref>; Usha and Subha, <xref ref-type="bibr" rid="B54">2019</xref> for the Hodgkin-Huxley axon), while others show how to mimic some typical dynamics displayed by cortical neurons (see e.g., Babacan et al., <xref ref-type="bibr" rid="B5">2016</xref>; Nakada, <xref ref-type="bibr" rid="B47">2019</xref>, and references therein). In Innocenti et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B34">2019a</xref>), it is shown that dynamics of the memristor Murali-Lakshmanan-Chua circuit, equipped with an independent pulse programmed input source and simple comparator and hysteresis feedback blocks, can resemble some dynamical behaviors of cortical neurons. Finally, it is worth noting that HB techniques have been suitably employed for the analysis of neural oscillations (see e.g., Chen et al., <xref ref-type="bibr" rid="B10">2008</xref>; Matsuoka, <xref ref-type="bibr" rid="B45">2011</xref> and references therein).</p>
<p>The purpose of this paper is to show how memristor circuits can be exploited for modeling some features of the neurons dynamics (see e.g., Izhikevich, <xref ref-type="bibr" rid="B38">2000</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B39">2007</xref>). The basic ideas are to exploit multistability, i.e., the fact that a memristor circuit contains infinitely many attractors (equilibria, limit cycles, &#x02026;), and to employ a suitable pulse-programmed input for controlling multistability, i.e., for switching among the different attractors. Controlling multistability is currently a research field of general interest (see e.g., Pisarchik and Feudel, <xref ref-type="bibr" rid="B50">2014</xref> and references therein) and some contributions to the problem of steering the memristor circuit dynamics toward the attractors contained in one of the invariant manifolds have been given (Chen et al., <xref ref-type="bibr" rid="B9">2018</xref>; Corinto and Forti, <xref ref-type="bibr" rid="B17">2018</xref>; Corinto et al., <xref ref-type="bibr" rid="B14">2019</xref>; Di Marco et al., <xref ref-type="bibr" rid="B26">2019</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B19">2020a</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B21">b</xref>). In particular, Di Marco et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B21">2020b</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B19">a</xref>), Di Marco et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B20">2021</xref>) have shown that the dynamics of a second order <italic>R</italic>, <italic>L</italic>, <italic>C</italic> circuit connected with a charge-controlled memristor can be steered, via a pulse programmed source, toward a pre-assigned invariant manifold where it converges toward the attractor contained in the manifold itself. In this paper, such a simple memristor circuit is used to mimic some aspects of the dynamics displayed by cortical neurons in response to an external stimulus. Section 2 describes the circuit and formulates the problem of interest. Specifically, the memristor charge should exhibit some typical neuron dynamics when the current source is suitably pulse-programmed. It is assumed that the pulses and their timing are generated by some given hardware mechanisms, whose design is not the object of the paper. Section 2 also illustrates the foliation property of the circuit state space in the input-less case, by characterizing the infinitely many invariant manifolds and the differential equations governing the dynamics onto them. Section 3 investigates the dynamics of the input-less circuit by showing that each manifold contains as attractor either a stable equilibrium point or a stable limit cycle. The limit cycles analysis is performed via the Describing Function (DF) method, a classical technique within the HB context. By exploiting the coexistence of stable equilibrium points and limit cycles and the knowledge of the first order periodic approximations, section 4 provides a procedure for the design of a pulse timing of the current source ensuring that the memristor charge mimics some dynamical features of the neuron response. The sought behavior of the memristor charge is obtained via a suitable concatenation of convergent and oscillatory behaviors, which are generated by switching between different attractors according to the designed pulse timing. The relation between the pulse timing parameters and the circuit parameters is also discussed. Some conclusions are finally drawn in section 5.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<title>2. Problem Formulation and Preliminaries</title>
<p>The aim of the paper is to show that the coexistence of many different attractors in memristor circuits permits to mimic some features of the dynamics of cortical neurons. Specifically, we consider the simple circuit depicted in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref> which contains a resistor <italic>R</italic>, an inductor <italic>L</italic>, a capacitor <italic>C</italic> and a non-linear charge-controlled memristor.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>Figure 1</label>
<caption><p>Charge-controlled memristor circuit with <italic>R</italic>, <italic>L</italic>,<italic>C</italic> components and independent current source <italic>I</italic><sub><italic>s</italic></sub>.</p></caption>
<graphic xlink:href="fnins-15-681035-g0001.tif"/>
</fig>
<p>The capacitor voltage, the inductor current, the memristor voltage and current are denoted by <italic>v</italic><sub><italic>C</italic></sub>, <italic>i</italic><sub><italic>L</italic></sub>, <italic>v</italic><sub><italic>M</italic></sub>, and <italic>i</italic><sub><italic>M</italic></sub>, respectively. The circuit is subject to an independent current source <italic>I</italic><sub><italic>s</italic></sub>, which is the input of the circuit. The charge-flux characteristic <inline-formula><mml:math id="M1"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:math></inline-formula> of the memristor relating the charge <italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub> and the flux &#x003C6;<sub><italic>M</italic></sub> is assumed to have both a linear and a cubic term. Specifically,</p>
<disp-formula id="E1"><label>(1)</label><mml:math id="M2"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where the constant terms <italic>s</italic><sub>0</sub> and <italic>s</italic><sub>1</sub> satisfy</p>
<disp-formula id="E2"><label>(2)</label><mml:math id="M3"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Throughout the paper, we assume that all the circuit parameters <italic>R</italic>, <italic>L</italic>, <italic>C</italic>, <italic>s</italic><sub>0</sub>, <italic>s</italic><sub>1</sub> have normalized values. Also, we consider arbitrary units for the time.</p>
<p>We want to show that the circuit is able to generate some characteristic dynamical behaviors of a neuron in response to a pulse stimulus, as the typical one depicted in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2A</xref>. Specifically, the memristor charge <italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub> should display the time behavior of <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2B</xref> when the input source <italic>I</italic><sub><italic>s</italic></sub> provides a suitable stimulus.</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>Figure 2</label>
<caption><p><bold>(A)</bold> Schematic of an ideal voltage-pulse of the cellular membrane (action potential). <bold>(B)</bold> Reference shape of the memristor charge-pulse considered in this paper. For the sake of simplicity, the depolarization is assumed to occur without distinction between the sub- and the super-threshold branches, and the hyperpolarization dynamics admits small ripples during the convergence to the resting state.</p></caption>
<graphic xlink:href="fnins-15-681035-g0002.tif"/>
</fig>
<p>It can be readily verified that the circuit dynamics is described by the following third-order system of differential equations</p>
<disp-formula id="E3"><label>(3)</label><mml:math id="M4"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr columnalign="left"><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr columnalign="left"><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign="left"><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign="left"><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M5"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the time-derivative operator<xref ref-type="fn" rid="fn0001"><sup>1</sup></xref> and <italic>v</italic><sub><italic>C</italic></sub>, <italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub>, and <italic>i</italic><sub><italic>L</italic></sub> are the state variables.</p>
<p>Let us consider the input-less case, i.e., <italic>I</italic><sub><italic>s</italic></sub> &#x0003D; 0. It has been shown (see e.g., Corinto and Forti, <xref ref-type="bibr" rid="B16">2017</xref>) that memristor circuits enjoy the so-called foliation property, i.e., the memristor state space is decomposed into infinitely many invariant manifolds. The verification of this property for the considered circuit is readily obtained. Since <italic>I</italic><sub><italic>s</italic></sub> &#x0003D; 0, the first equation of Equation (3) can be rewritten equivalently as</p>
<disp-formula id="E4"><label>(4)</label><mml:math id="M8"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>which means that the quantity <italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub>(<italic>t</italic>) &#x0002B; <italic>Cv</italic><sub><italic>C</italic></sub>(<italic>t</italic>) is constant along the solutions of Equation (3) with initial conditions <italic>v</italic><sub><italic>C</italic></sub>(<italic>t</italic><sub>0</sub>), <italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub>(<italic>t</italic><sub>0</sub>), and <italic>i</italic><sub><italic>L</italic></sub>(<italic>t</italic><sub>0</sub>) at time <italic>t</italic> &#x0003D; <italic>t</italic><sub>0</sub>, i.e.,</p>
<disp-formula id="E5"><label>(5)</label><mml:math id="M9"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02200;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Hence, in the input-less case the state space of the memristor circuit is decomposed into infinitely many invariant manifolds of the form</p>
<disp-formula id="E6"><label>(6)</label><mml:math id="M10"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02200;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>}</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic>Q</italic><sub>0</sub> is the index of the manifold whose value depends on the circuit initial conditions according to the relation <italic>Q</italic><sub>0</sub> &#x0003D; <italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub>(<italic>t</italic><sub>0</sub>) &#x0002B; <italic>Cv</italic><sub><italic>C</italic></sub>(<italic>t</italic><sub>0</sub>). Note that the invariant manifolds <italic>M</italic>(<italic>Q</italic><sub>0</sub>) are planar surfaces parameterized by the manifold index <italic>Q</italic><sub>0</sub>, as illustrated in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref>.</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>Figure 3</label>
<caption><p>Invariant manifolds of the input-less circuit: the state space trajectory generated by the solution of Equation (3) with initial conditions <italic>v</italic><sub><italic>C</italic></sub>(<italic>t</italic><sub>0</sub>), <italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub>(<italic>t</italic><sub>0</sub>), <italic>i</italic><sub><italic>L</italic></sub>(<italic>t</italic><sub>0</sub>) (marked with &#x025E6;) at time <italic>t</italic> &#x0003D; <italic>t</italic><sub>0</sub> belongs to the manifold <italic>M</italic>(<italic>Q</italic><sub>0</sub>) with <italic>Q</italic><sub>0</sub> &#x0003D; <italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub>(<italic>t</italic><sub>0</sub>) &#x0002B; <italic>Cv</italic><sub><italic>C</italic></sub>(<italic>t</italic><sub>0</sub>) for all <italic>t</italic> &#x02265; <italic>t</italic><sub>0</sub>.</p></caption>
<graphic xlink:href="fnins-15-681035-g0003.tif"/>
</fig>
<p>We have then established that in the input-less case the circuit dynamics is confined to lie onto one of the invariant manifolds. The differential equations governing the dynamics onto the invariant manifold <italic>M</italic>(<italic>Q</italic><sub>0</sub>) can be readily singled out. Since the first equation of Equation (3) has been used to obtain <italic>M</italic>(<italic>Q</italic><sub>0</sub>), it follows that the dynamics is characterized by the two remaining equations once <italic>v</italic><sub><italic>C</italic></sub>(<italic>t</italic>) is replaced by <inline-formula><mml:math id="M11"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Hence, the dynamics onto <italic>M</italic>(<italic>Q</italic><sub>0</sub>) obeys the second-order system of differential equations</p>
<disp-formula id="E7"><label>(7)</label><mml:math id="M12"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr columnalign="left"><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr columnalign="left"><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign="left"><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Clearly, the complete dynamical behaviors of the input-less circuit can be obtained by collecting all the dynamics confined to lie onto each invariant manifold <italic>M</italic>(<italic>Q</italic><sub>0</sub>). The dynamical analysis of Equation (7) for any value of the index manifold <italic>Q</italic><sub>0</sub> will be pursued in section 3. Note that <italic>Q</italic><sub>0</sub> can be seen as a parameter of Equation (7) which however depends on the circuit initial conditions and hence it has a different nature with respect to the circuit parameters <italic>R</italic>, <italic>L</italic>, <italic>C</italic>, <italic>s</italic><sub>0</sub>, and <italic>s</italic><sub>1</sub>.</p>
</sec>
<sec id="s3">
<title>3. Input-Less Memristor Circuit Dynamics</title>
<p>In this section, we summarize the properties of the dynamics onto <italic>M</italic>(<italic>Q</italic><sub>0</sub>) by investigating system (7). Specifically, the equilibrium points and their stability features are dealt with in section 3.1, while the presence of limit cycles is considered in section 3.2.</p>
<sec>
<title>3.1. Equilibrium Points</title>
<p>It readily follows that each invariant manifold <italic>M</italic>(<italic>Q</italic><sub>0</sub>) has a unique equilibrium point at (<italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub>, <italic>i</italic><sub><italic>L</italic></sub>) &#x0003D; (<italic>Q</italic><sub>0</sub>, 0). Taking into account (6), this implies that the circuit system (7) has an equilibrium point at (<italic>v</italic><sub><italic>C</italic></sub>, <italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub>, <italic>i</italic><sub><italic>L</italic></sub>) &#x0003D; (0, <italic>Q</italic><sub>0</sub>, 0) for any value of the index <italic>Q</italic><sub>0</sub>. Hence, the <italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub>-axis is a line of equilibrium points of the circuit.</p>
<p>To assess the stability properties of the equilibrium point of <italic>M</italic>(<italic>Q</italic><sub>0</sub>), we compute the Jacobian <italic>J</italic>(<italic>Q</italic><sub>0</sub>) of (7) at (<italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub>, <italic>i</italic><sub><italic>L</italic></sub>) &#x0003D; (<italic>Q</italic><sub>0</sub>, 0), getting</p>
<disp-formula id="E8"><label>(8)</label><mml:math id="M13"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0002D;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where</p>
<disp-formula id="E9"><label>(9)</label><mml:math id="M14"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0002D;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The eigenvalues of <italic>J</italic>(<italic>Q</italic><sub>0</sub>) have a negative real part if <inline-formula><mml:math id="M15"><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0002D;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and a positive real part if <inline-formula><mml:math id="M16"><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0002D;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, while they are pure imaginary at <inline-formula><mml:math id="M17"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x000B1;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0002D;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. This implies that the equilibrium point at (<italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub>, <italic>i</italic><sub><italic>L</italic></sub>) &#x0003D; (<italic>Q</italic><sub>0</sub>, 0) is ensured to be (locally) asymptotically stable if <inline-formula><mml:math id="M18"><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0002D;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and unstable if <inline-formula><mml:math id="M19"><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0002D;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>Hence, the equilibrium point of each manifold <italic>M</italic>(<italic>Q</italic><sub>0</sub>) with <inline-formula><mml:math id="M20"><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0002D;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is an attractor of the input-less memristor circuit. <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref> summarizes the dynamical behavior around the equilibrium point of <italic>M</italic>(<italic>Q</italic><sub>0</sub>).</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>Figure 4</label>
<caption><p>Stable (green half lines) and unstable (red segment) equilibrium points: the trajectories starting on the planes with <inline-formula><mml:math id="M21"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0002D;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M22"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0002D;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> converge toward the corresponding equilibrium points; the trajectory starting on the plane with <inline-formula><mml:math id="M23"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0002D;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0002D;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> converges toward the stable limit cycle (green).</p></caption>
<graphic xlink:href="fnins-15-681035-g0004.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec>
<title>3.2. Limit Cycles</title>
<p>To investigate the presence of limit cycles on <italic>M</italic>(<italic>Q</italic><sub>0</sub>) we resort to the DF method, a classical technique within the HB context. The DF method has been widely used for analyzing oscillatory behaviors in non-linear feedback control systems (see e.g., Gelb and Vander Velde, <xref ref-type="bibr" rid="B28">1968</xref>; Atherton, <xref ref-type="bibr" rid="B4">1975</xref>; Mees, <xref ref-type="bibr" rid="B46">1981</xref>; Khalil, <xref ref-type="bibr" rid="B41">2002</xref>). Within the HB setting, other techniques have been proposed to predict bifurcations of limit cycles and more complex dynamics (Genesio and Tesi, <xref ref-type="bibr" rid="B29">1992</xref>; Piccardi, <xref ref-type="bibr" rid="B49">1994</xref>; Tesi et al., <xref ref-type="bibr" rid="B52">1996</xref>; Basso et al., <xref ref-type="bibr" rid="B6">1997</xref>; Bonani and Gilli, <xref ref-type="bibr" rid="B7">1999</xref>; Di Marco et al., <xref ref-type="bibr" rid="B25">2003</xref>; Innocenti et al., <xref ref-type="bibr" rid="B37">2010</xref>). The first step to apply the DF method is to show that system (7) admits the representation of <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref> whose dynamics is governed by the following input-output relation</p>
<disp-formula id="E10"><label>(10)</label><mml:math id="M24"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M25"><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M26"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are suitable rational functions.</p>
<fig id="F5" position="float">
<label>Figure 5</label>
<caption><p>Equivalent input-output representation of system (7).</p></caption>
<graphic xlink:href="fnins-15-681035-g0005.tif"/>
</fig>
<p>It is worth observing that this representation has an internal feedback interconnection between the linear subsystem <inline-formula><mml:math id="M27"><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the non-linear subsystem described by the memristor characteristic, while <inline-formula><mml:math id="M28"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a feed-forward linear block driven by a constant input.</p>
<p>It can be readily verified that Equation (7) can be rewritten equivalently as a unique second order differential equation involving only <italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub>. Since <inline-formula><mml:math id="M29"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> the second equation of Equation (7) becomes</p>
<disp-formula id="E11"><label>(11)</label><mml:math id="M30"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Taking into account that <inline-formula><mml:math id="M32"><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the above differential equation can be rearranged in the following equivalent input-output form</p>
<disp-formula id="E13"><label>(12)</label><mml:math id="M33"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Hence, system (7) can be equivalently described via the input-output relation (10) with <inline-formula><mml:math id="M34"><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M35"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> given by</p>
<disp-formula id="E14"><label>(13)</label><mml:math id="M36"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>It is worth observing that <inline-formula><mml:math id="M37"><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is exactly the equivalent admittance of the linear part of the circuit with <italic>I</italic><sub><italic>S</italic></sub>(<italic>t</italic>) &#x0003D; 0, i.e., the one seen at the terminals <italic>T</italic>&#x02032; and <italic>T</italic><sup>&#x02032;&#x02032;</sup> in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref> where the memristor is connected.</p>
<p>The DF method looks for a first-order approximation of a periodic output <italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub>(<italic>t</italic>) of the system of <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref>, i.e.,</p>
<disp-formula id="E15"><label>(14)</label><mml:math id="M38"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mtext>&#x000A0;cos&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The corresponding periodic output &#x003C6;<sub><italic>M</italic></sub>(<italic>t</italic>) of period 2&#x003C0;/&#x003C9; of the non-linear subsystem can be written as</p>
<disp-formula id="E16"><label>(15)</label><mml:math id="M39"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="right"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mtext>&#x000A0;cos&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi><mml:mtext>&#x000A0;cos&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic>N</italic><sub>0</sub>(<italic>A, B</italic>) is the bias gain and <italic>N</italic><sub>1</sub>(<italic>A, B</italic>) is first harmonic gain, which are known as describing function terms, while &#x003C6;<sub><italic>h</italic></sub>(<italic>t</italic>) contains the higher order harmonics, i.e.,</p>
<disp-formula id="E18"><label>(16)</label><mml:math id="M41"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x000A0;cos&#x000A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>with &#x003B3;<sub><italic>h</italic></sub> and &#x003B8;<sub><italic>h</italic></sub>, <italic>h</italic> &#x0003D; 2, &#x02026;, being suitable constants.</p>
<p>The final step of the DF method consists in first computing the periodic signal of period 2&#x003C0;/&#x003C9; given by the sum of the outputs <italic>y</italic>(<italic>t</italic>) and <italic>y</italic><sub>0</sub>(<italic>t</italic>) of the two linear subsystems driven by &#x02212;&#x003C6;<sub><italic>M</italic></sub>(<italic>t</italic>) and the constant signal <italic>Q</italic><sub>0</sub>, respectively, then in equating the constant and the first order harmonic terms of the obtained periodic signal with the corresponding terms of <italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub>(<italic>t</italic>), i.e., <italic>A</italic> and <italic>B</italic>. Taking into account that the constant and first order harmonic terms of &#x003C6;<sub><italic>M</italic></sub>(<italic>t</italic>) can be rewritten in an exponential form as <inline-formula><mml:math id="M42"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M43"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>, respectively, the periodic signal given by the sum of <italic>y</italic>(<italic>t</italic>) and <italic>y</italic><sub>0</sub>(<italic>t</italic>) can be computed by exploiting superposition and the expression of the response of a linear system which has the same exponential form of the input<xref ref-type="fn" rid="fn0002"><sup>2</sup></xref>. The so computed periodic signal has the following expression</p>
<disp-formula id="E20"><label>(17)</label><mml:math id="M47"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="center"><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic>y</italic><sub><italic>h</italic></sub>(<italic>t</italic>) contains the higher order harmonics generated by &#x02212;&#x003C6;<sub><italic>h</italic></sub>(<italic>t</italic>). Then, by equating the constant term in Equation (17) with that of <italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub>(<italic>t</italic>), we get the real equation</p>
<disp-formula id="E22"><label>(18)</label><mml:math id="M49"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>while by equating the first harmonic terms and taking into account that <italic>B</italic> cos &#x003C9;<italic>t</italic> &#x0003D; <italic>B</italic>(<italic>e</italic><sup><italic>j&#x003C9;t</italic></sup> &#x0002B; <italic>e</italic><sup>&#x02212;<italic>j&#x003C9;t</italic></sup>)/2 we get the complex equation</p>
<disp-formula id="E23"><label>(19)</label><mml:math id="M50"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>In the HB approach, any first-order periodic signal (14) with <italic>A</italic>, <italic>B</italic>, and &#x003C9; solving both Equations (18) and (19) is called a Predicted Limit Cycle (PLC) of the system of <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref>. Also, it is expected that there exists a true limit cycle close to a PLC if the system of <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref> satisfies some conditions (see Atherton, <xref ref-type="bibr" rid="B4">1975</xref>; Mees, <xref ref-type="bibr" rid="B46">1981</xref>; Khalil, <xref ref-type="bibr" rid="B41">2002</xref> and references therein). These conditions basically rely on so-called filtering hypothesis which means that the non-linear subsystem does not generate large higher-order harmonics (i.e., &#x003C6;<sub><italic>h</italic></sub>(<italic>t</italic>) is small) and the two linear subsystems are low-pass filters (i.e., the gains |<italic>L</italic>(<italic>jh&#x003C9;</italic>)|, <italic>h</italic> &#x0003D; 2, &#x02026;, are smaller than |<italic>L</italic>(0)| and |<italic>L</italic>(<italic>j&#x003C9;</italic>)|). Hence, this hypothesis requires that <italic>y</italic><sub><italic>h</italic></sub>(<italic>t</italic>) must be much smaller than the constant and first order harmonic terms of Equation (17), according to some quantitative measure. For instance, in Di Marco et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B18">2018</xref>) the distortion index is used to this purpose.</p>
<p>Now, to apply the DF method to the system under consideration, we observe that from Equation (13) we get <italic>L</italic>(0) &#x0003D; 0 and <italic>L</italic><sub>0</sub>(0) &#x0003D; 1, while from Equations (1) and (15) it can be verified that the gains <italic>N</italic><sub>0</sub>(<italic>A, B</italic>) and <italic>N</italic><sub>1</sub>(<italic>A, B</italic>) have the following expressions:</p>
<disp-formula id="E24"><label>(20)</label><mml:math id="M51"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E25"><label>(21)</label><mml:math id="M52"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Then, the Equation (18) reduces to</p>
<disp-formula id="E26"><label>(22)</label><mml:math id="M53"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>and the complex equation (19) boils down to</p>
<disp-formula id="E27"><label>(23)</label><mml:math id="M54"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>which can equivalently be written by separating the real and imaginary parts as</p>
<disp-formula id="E28"><label>(24)</label><mml:math id="M55"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E29"><label>(25)</label><mml:math id="M56"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Equations (22), (24), and (25) are then solved for <italic>A</italic> &#x0003D; &#x000C2; &#x0003D; <italic>Q</italic><sub>0</sub>, <inline-formula><mml:math id="M57"><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M58"><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math id="M59"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> such that</p>
<disp-formula id="E30"><label>(26)</label><mml:math id="M60"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0002D;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Hence, for each index <italic>Q</italic><sub>0</sub> such that <inline-formula><mml:math id="M61"><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0002D;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> there exists a PLC of the following form</p>
<disp-formula id="E31"><label>(27)</label><mml:math id="M62"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x000C2;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>&#x000A0;cos&#x000A0;</mml:mtext><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="qopname">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo class="qopname">&#x0002D;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mtext>&#x000A0;cos&#x000A0;</mml:mtext><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>t</mml:mi><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>This implies that each manifold <italic>M</italic>(<italic>Q</italic><sub>0</sub>) contains a unique PLC for <inline-formula><mml:math id="M63"><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0002D;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. Since</p>
<disp-formula id="E32"><label>(28)</label><mml:math id="M64"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>&#x000A0;sin&#x000A0;</mml:mtext><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="qopname">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo class="qopname">&#x0002D;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mtext>&#x000A0;sin&#x000A0;</mml:mtext><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>t</mml:mi><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>the trajectory described by the PLC in the (<italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub>, <italic>i</italic><sub><italic>L</italic></sub>)-plane lies on the following ellipse</p>
<disp-formula id="E33"><label>(29)</label><mml:math id="M65"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>&#x0002D;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Note that the ellipse is centered at the equilibrium point (<italic>Q</italic><sub>0</sub>, 0) and its size is maximum at <italic>Q</italic><sub>0</sub> &#x0003D; 0 and decreases to zero as the index <italic>Q</italic><sub>0</sub> tends to <inline-formula><mml:math id="M66"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0002D;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, thus collapsing to the equilibrium point. Moreover, since for <inline-formula><mml:math id="M67"><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0002D;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> the equilibrium point is unstable and taking into account that the system is two dimensional, we can conclude that the PLC is stable. In this regard, we mention that PLC stability can be assessed also via approximate HB tools, such as the Loeb criterion (see e.g., Atherton, <xref ref-type="bibr" rid="B4">1975</xref>; Tesi et al., <xref ref-type="bibr" rid="B52">1996</xref>).</p>
<p>Summing up, we have shown that in the input-less memristor circuit there coexist infinitely many attractors: a stable equilibrium point for each value of the manifold index <italic>Q</italic><sub>0</sub> such that <inline-formula><mml:math id="M68"><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0002D;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and a stable PLC for each value of the index <italic>Q</italic><sub>0</sub> such that <inline-formula><mml:math id="M69"><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0002D;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6</xref> illustrates this multistability scenario for the following normalized values of the circuit parameters</p>
<disp-formula id="E34"><label>(30)</label><mml:math id="M70"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>7</mml:mn><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>from which it follows that <inline-formula><mml:math id="M71"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0002D;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>.</p>
<fig id="F6" position="float">
<label>Figure 6</label>
<caption><p>Input-less circuit attractors: stable (green &#x022C6;) equilibrium points and stable PLCs (solid green) given by Equations (27) and (28) as a function of the manifold index <italic>Q</italic><sub>0</sub>. The red circles denote the unstable equilibrium points.</p></caption>
<graphic xlink:href="fnins-15-681035-g0006.tif"/>
</fig>
<p>In particular, it turns out that at <inline-formula><mml:math id="M72"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x000B1;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0002D;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x000B1;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> a typical behavior of (supercritical) Hopf bifurcation is observed. However, since it is obtained by varying the index <italic>Q</italic><sub>0</sub> and thus the circuit initial conditions (for fixed circuit parameters), it may be referred to as a bifurcation without parameters (Corinto and Forti, <xref ref-type="bibr" rid="B16">2017</xref>; Di Marco et al., <xref ref-type="bibr" rid="B18">2018</xref>; Innocenti et al., <xref ref-type="bibr" rid="B35">2019b</xref>; Ascoli et al., <xref ref-type="bibr" rid="B2">2020a</xref>). As already discussed, it is expected that there exists a true limit cycle close to a PLC. Indeed, a more refined numerical analysis shows that for each |<italic>Q</italic><sub>0</sub>| &#x0003C; 1 the corresponding invariant manifold <italic>M</italic>(<italic>Q</italic><sub>0</sub>) has a unique limit cycle which attracts all the (non-trivial) trajectories. Moreover, the limit cycle is well-approximated by the PLC, as shown in <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7</xref> for <italic>Q</italic><sub>0</sub> &#x0003D; 0.</p>
<fig id="F7" position="float">
<label>Figure 7</label>
<caption><p>True limit cycle (solid dark) and PLC (solid red) in the (<italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub>, <italic>i</italic><sub><italic>L</italic></sub>)-plane for <italic>Q</italic><sub>0</sub> &#x0003D; 0.</p></caption>
<graphic xlink:href="fnins-15-681035-g0007.tif"/>
</fig>
<p>A quantitative comparison between the PLCs and the true limit cycles is provided by <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8</xref> where the maximum and the minimum of both the true periodic solution <italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub>(<italic>t</italic>) and the PLC in Equation (27) are depicted as a function of the index <italic>Q</italic><sub>0</sub>.</p>
<fig id="F8" position="float">
<label>Figure 8</label>
<caption><p>Stable (green &#x022C6;) and unstable (red &#x025E6;) equilibrium points; maximum (32) and minimum (31) of the PLCs (solid red) as a function of <italic>Q</italic><sub>0</sub>; maximum and minimum values of the numerically computed limit cycles (dotted dark points).</p></caption>
<graphic xlink:href="fnins-15-681035-g0008.tif"/>
</fig>
<p>It can be readily checked that the minimum and the maximum of the first-order approximation are given by</p>
<disp-formula id="E35"><label>(31)</label><mml:math id="M73"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">min</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>&#x0002D;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>and</p>
<disp-formula id="E36"><label>(32)</label><mml:math id="M74"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">max</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>&#x0002D;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>respectively. We finally observe that similar results can be derived also for values of the circuit parameters different from those in Equation (30).</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s4">
<title>4. Modeling Neuron Dynamics via the Controlled Circuit</title>
<p>Section 3 makes it clear that in the input-less case the memristor circuit displays infinitely many attractors. Specifically, each planar invariant manifold <italic>M</italic>(<italic>Q</italic><sub>0</sub>) contains either a unique stable equilibrium point or a stable limit cycle. Moreover, an approximation of the limit cycle belonging to <italic>M</italic>(<italic>Q</italic><sub>0</sub>), with <italic>Q</italic><sub>0</sub> such that <inline-formula><mml:math id="M75"><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0002D;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, is explicitly obtained in terms of the PLC (27).</p>
<p>In this section it will be shown how the coexistence of infinitely many stable equilibrium points and limit cycles, together with the knowledge of their dependence on the manifold index <italic>Q</italic><sub>0</sub>, which in the case of limit cycles is given in an approximate way by Equation (27), can be suitably exploited to make the memristor charge <italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub> responding as in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2B</xref> to a pulse shaped input source <italic>I</italic><sub><italic>s</italic></sub>. To proceed, we consider the circuit state equations (3) by replacing <italic>v</italic><sub><italic>C</italic></sub> with the following state variable</p>
<disp-formula id="E37"><label>(33)</label><mml:math id="M76"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo>&#x02250;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>It turns out that (3) reduces to the third-order system</p>
<disp-formula id="E38"><label>(34)</label><mml:math id="M77"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr columnalign="left"><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr columnalign="left"><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign="left"><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign="left"><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic>Q</italic>, <italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub>, and <italic>i</italic><sub><italic>L</italic></sub> are the new state variables. Suppose that at time <italic>t</italic> &#x0003D; <italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x02265; <italic>t</italic><sub>0</sub> the current source <italic>I</italic><sub><italic>s</italic></sub>(<italic>t</italic>) displays a pulse of area &#x0039B; and width &#x00394; &#x0003E; 0, i.e., <italic>I</italic><sub><italic>s</italic></sub>(<italic>t</italic>) is equal to zero for <italic>t</italic> &#x02208; [<italic>t</italic><sub>0</sub>, <italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub>] and <italic>t</italic> &#x02208; [<italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x0002B; &#x00394;, &#x0002B;&#x0221E;) and such that</p>
<disp-formula id="E39"><label>(35)</label><mml:math id="M78"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo>&#x00394;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x0039B;</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>From the first equation of Equation (34) it follows that</p>
<disp-formula id="E40"><label>(36)</label><mml:math id="M79"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>which implies <inline-formula><mml:math id="M80"><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> for <italic>t</italic> &#x02208; [<italic>t</italic><sub>0</sub>, <italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub>] and <inline-formula><mml:math id="M81"><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo>&#x0039B;</mml:mo></mml:math></inline-formula> for <italic>t</italic> &#x02208; [<italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x0002B; &#x00394;, &#x0002B;&#x0221E;). For instance, in the case of a rectangular pulse we have <inline-formula><mml:math id="M82"><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>&#x00394;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>By comparing the second and third equations of Equation (34) with those of Equation (7), it follows that the circuit dynamics lies onto <inline-formula><mml:math id="M83"><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textit" mathvariant="italic">M</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <italic>t</italic> &#x02208; [<italic>t</italic><sub>0</sub>, <italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub>], it moves toward <inline-formula><mml:math id="M84"><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textit" mathvariant="italic">M</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo>&#x0039B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> during the interval [<italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub>, <italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x0002B; &#x00394;], it reaches <inline-formula><mml:math id="M85"><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textit" mathvariant="italic">M</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo>&#x0039B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at <italic>t</italic> &#x0003D; <italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x0002B; &#x00394;, where it remains for all <italic>t</italic> &#x02265; <italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x0002B; &#x00394;. Hence, the circuit has the property that pulse shaped current sources <italic>I</italic><sub><italic>s</italic></sub> make the dynamics moving from an initial manifold to any other one within a given time interval, by suitably choosing the pulse area and width.</p>
<p>We are interested in the case where the manifold <inline-formula><mml:math id="M86"><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textit" mathvariant="italic">M</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> has a stable equilibrium point and in particular the index <inline-formula><mml:math id="M87"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> is negative and hence <inline-formula><mml:math id="M88"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0002D;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. Moreover, we assume that at <italic>t</italic> &#x0003D; <italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub> the circuit state is at the equilibrium point, which means that <inline-formula><mml:math id="M89"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Let us now investigate the dynamics induced by a rectangular pulse of positive area &#x0039B; and width &#x00394; on the circuit dynamics. It turns out that the final manifold <inline-formula><mml:math id="M90"><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textit" mathvariant="italic">M</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo>&#x0039B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> still contains a stable equilibrium point if <inline-formula><mml:math id="M91"><mml:mo>&#x0039B;</mml:mo><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0002D;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, while it contains a stable limit cycle if <inline-formula><mml:math id="M92"><mml:mo>|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0002D;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mo>&#x0039B;</mml:mo><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0002D;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and again a stable equilibrium point if <inline-formula><mml:math id="M93"><mml:mo>&#x0039B;</mml:mo><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0002D;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9</xref> illustrates the first two possible behaviors in the case of a rectangular pulse of height <italic>A</italic>/&#x00394; with the circuit parameters as in (30).</p>
<fig id="F9" position="float">
<label>Figure 9</label>
<caption><p>Dynamics generated by applying at <italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x0003D; 10 a rectangular pulse of area &#x0039B; and width &#x00394; &#x0003D; 1 via the current source <italic>I</italic><sub><italic>s</italic></sub>; the circuit parameters are as in Equation (30) and the initial conditions are <italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub>(0) &#x0003D; &#x02212;2 and <italic>I</italic><sub><italic>L</italic></sub>(0) &#x0003D; 0, while <italic>Q</italic>(0) &#x0003D; &#x02212;2. <bold>(A)</bold> For &#x0039B; &#x0003D; 0.5, the index <italic>Q</italic>(<italic>t</italic>) and the state variables <italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub>(<italic>t</italic>), <italic>i</italic><sub><italic>L</italic></sub>(<italic>t</italic>) converge to <italic>Q</italic><sub>0</sub> &#x0003D; &#x02212;1.5 and to the equilibrium point (&#x02212;1.5, 0), respectively. <bold>(B)</bold> For &#x0039B; &#x0003D; 2.5, <italic>Q</italic>(<italic>t</italic>) converges to <italic>Q</italic><sub>0</sub> &#x0003D; 0.5 and the state variables <italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub>(<italic>t</italic>), <italic>i</italic><sub><italic>L</italic></sub>(<italic>t</italic>) converge to the limit cycle belonging to the manifold <italic>M</italic>(0.5).</p></caption>
<graphic xlink:href="fnins-15-681035-g0009.tif"/>
</fig>
<p>Specifically, after reaching <inline-formula><mml:math id="M94"><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textit" mathvariant="italic">M</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo>&#x0039B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at time <italic>t</italic> &#x0003D; <italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x0002B; &#x00394; at the point (<italic>Q</italic>(<italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x0002B; &#x00394;), <italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub>(<italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x0002B; &#x00394;), <italic>i</italic><sub><italic>L</italic></sub>(<italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x0002B; &#x00394;)) with <inline-formula><mml:math id="M95"><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo>&#x00394;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo>&#x0039B;</mml:mo></mml:math></inline-formula>, the dynamics converges toward the attractor contained in the manifold, an equilibrium point in <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9A</xref> and a limit cycle in <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9B</xref>.</p>
<p>Clearly, the length of the transient behavior toward the attractor depends on the values of <italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub>(<italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x0002B; &#x00394;) and <italic>i</italic><sub><italic>L</italic></sub>(<italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x0002B; &#x00394;). The farther away is the point (<italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub>(<italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x0002B; &#x00394;), <italic>i</italic><sub><italic>L</italic></sub>(<italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x0002B; &#x00394;)) from the attractor lying onto <inline-formula><mml:math id="M96"><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textit" mathvariant="italic">M</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo>&#x0039B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the longer is the transient. Clearly, if (<italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub>(<italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x0002B; &#x00394;), <italic>i</italic><sub><italic>L</italic></sub>(<italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x0002B; &#x00394;)) belongs to the attractor we have no transient behavior. The values of <italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub>(<italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x0002B; &#x00394;) and <italic>i</italic><sub><italic>L</italic></sub>(<italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x0002B; &#x00394;) cannot be computed explicitly since this would require to integrate the second and third equations of (34) in the interval [<italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub>, <italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x0002B; &#x00394;] with the initial condition <inline-formula><mml:math id="M97"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M98"><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo>&#x0039B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>&#x00394;</mml:mo></mml:math></inline-formula>. However, by employing a Taylor series expansion for <italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub>(<italic>t</italic>) and <italic>i</italic><sub><italic>L</italic></sub>(<italic>t</italic>) for <italic>t</italic> &#x02208; [<italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub>, <italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x0002B; &#x00394;], it turns out that</p>
<disp-formula id="E41"><label>(37)</label><mml:math id="M99"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo>&#x00394;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>&#x00394;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x00394;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo>&#x00394;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>&#x00394;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>&#x00394;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where &#x003B1;<sub><italic>i</italic></sub> and &#x003B2;<sub><italic>i</italic></sub>, <italic>i</italic> &#x0003D; 1, 2 are constants. It is interesting to note that if the width &#x00394; of the pulse is small, then for <italic>t</italic> &#x02208; [<italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub>, <italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x0002B; &#x00394;] the charge <italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub> remains almost constant, while <italic>i</italic><sub><italic>L</italic></sub> varies from zero to a quantity proportional to &#x00394;.</p>
<p>Summing up, for a suitable choice of the pulse area <italic>A</italic> and for sufficiently small width &#x00394;, the pulse current <italic>I</italic><sub><italic>s</italic></sub> is able to steer, within the interval [<italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub>, <italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x0002B; &#x00394;], the dynamics from the stable equilibrium point of <inline-formula><mml:math id="M100"><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textit" mathvariant="italic">M</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to the manifold <inline-formula><mml:math id="M101"><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textit" mathvariant="italic">M</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> containing a stable limit cycle. Moreover, during the time interval the charge <italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub> is almost constant and the current <italic>i</italic><sub><italic>L</italic></sub> remains close to zero.</p>
<p>We are now ready to show how it is possible to make the charge <italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub> display a behavior similar to that of <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2B</xref> in response to a pulse shaped input source <italic>I</italic><sub><italic>s</italic></sub>. Here, we are more interested in the dynamic response of the neuron than in its set and reset mechanisms. For these mechanisms we simply adopt the pulse timing of <xref ref-type="fig" rid="F10">Figure 10</xref> which is assumed to be generated via suitable logic gates.</p>
<fig id="F10" position="float">
<label>Figure 10</label>
<caption><p><bold>Top</bold>: predicted behavior <inline-formula><mml:math id="M132"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the memristor charge. <bold>Bottom</bold>: timing of the current pulses.</p></caption>
<graphic xlink:href="fnins-15-681035-g0010.tif"/>
</fig>
<p>At time <italic>t</italic> &#x0003D; <italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub> the hardware detects a stimulus and generates a current pulse <italic>I</italic><sub><italic>s</italic></sub> with area <italic>A</italic> and width &#x00394; (set mechanism), which moves the dynamics away from the stable equilibrium point (resting point) in <inline-formula><mml:math id="M102"><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textit" mathvariant="italic">M</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; at time <italic>t</italic> &#x0003D; <italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x0002B; &#x00394; the dynamics reaches <inline-formula><mml:math id="M103"><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textit" mathvariant="italic">M</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo>&#x0039B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the memristor charge <italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub> starts displaying a behavior similar to that reported in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2B</xref>; at time <italic>t</italic> &#x0003D; <italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x0002B; &#x00394; &#x0002B; <italic>T</italic> an inverse current pulse is generated in order to make the dynamics come back to the stable equilibrium point in <inline-formula><mml:math id="M104"><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textit" mathvariant="italic">M</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (reset mechanism).</p>
<p>Hence, the problem is how the parameters <inline-formula><mml:math id="M105"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, &#x0039B;, &#x00394;, and <italic>T</italic> should be designed in order to obtain the sought behavior of <italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub>. Let &#x00394; be chosen enough small to ensure, as discussed above, that in [<italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub>, <italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x0002B; &#x00394;] the charge <italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub> is almost constant and the current <italic>i</italic><sub><italic>L</italic></sub> remains close to zero. Choosing a small &#x00394; implies that when at <italic>t</italic> &#x0003D; <italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x0002B; &#x00394; the dynamics reaches the manifold <inline-formula><mml:math id="M106"><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textit" mathvariant="italic">M</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo>&#x0039B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> we have that <italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub> and <italic>i</italic><sub><italic>L</italic></sub> are quite close to <inline-formula><mml:math id="M107"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> and zero, respectively. This manifold contains a stable limit cycle which can be in general computed only numerically. However, in section 3 it has been shown that the limit cycle can be approximated by a PLC. Clearly, the current expression of the PLC on <inline-formula><mml:math id="M108"><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textit" mathvariant="italic">M</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo>&#x0039B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is obtained by putting <inline-formula><mml:math id="M109"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo>&#x0039B;</mml:mo></mml:math></inline-formula> in Equation (27).</p>
<p>Now, observe that the minimum and the maximum values of <italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub>, expressed in Equations (31) and (32), respectively, are achieved once <italic>i</italic><sub><italic>L</italic></sub> is equal to zero. Hence, since for sufficiently small &#x00394; we have that <inline-formula><mml:math id="M110"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo>&#x00394;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo>&#x00394;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, it is possible to set (<italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub>(<italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x0002B; &#x00394;), <italic>i</italic><sub><italic>L</italic></sub>(<italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x0002B; &#x00394;)) as the point of the manifold <inline-formula><mml:math id="M111"><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textit" mathvariant="italic">M</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo>&#x0039B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> where the PLC has its minimum value (31). Consequently, for <italic>t</italic> &#x02208; [<italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x0002B; &#x00394;, <italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x0002B; &#x00394; &#x0002B; <italic>T</italic>] with <italic>T</italic> being the PLC period, the PLC provides the typical harmonic oscillator over one period, i.e., it evolves from the minimum to the maximum coming back again to the minimum. At the end of the period, the reset mechanism generates a current pulse of area &#x02212;<italic>A</italic> and width &#x00394;, which makes the dynamics come back to the stable equilibrium point of <inline-formula><mml:math id="M112"><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textit" mathvariant="italic">M</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Hence, the resulting behavior of the memristor charge <inline-formula><mml:math id="M113"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be expressed as</p>
<disp-formula id="E42"><label>(38)</label><mml:math id="M114"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr columnalign="left"><mml:mtd columnalign="left"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign="center"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign="left"><mml:mtd columnalign="left"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>&#x0039B;</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>&#x0039B;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign="center"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign="left"><mml:mtd columnalign="left"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign="center"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>and is depicted in <xref ref-type="fig" rid="F10">Figure 10</xref>. Note that the parameter <italic>T</italic> has been chosen as the period of the PLC, i.e.:</p>
<disp-formula id="E43"><label>(39)</label><mml:math id="M115"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Hereafter, we denote by <inline-formula><mml:math id="M116"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the time-derivative of <inline-formula><mml:math id="M117"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, i.e.:</p>
<disp-formula id="E44"><label>(40)</label><mml:math id="M118"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02200;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Now, to set (<italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub>(<italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x0002B; &#x00394;), <italic>i</italic><sub><italic>L</italic></sub>(<italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub>&#x0002B;&#x00394;)) as the point of the manifold <inline-formula><mml:math id="M119"><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textit" mathvariant="italic">M</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo>&#x0039B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> where the PLC has its minimum value (31), the following condition must be satisfied</p>
<disp-formula id="E45"><label>(41)</label><mml:math id="M120"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0002D;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>with <inline-formula><mml:math id="M121"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo>&#x0039B;</mml:mo></mml:math></inline-formula>. It is not difficult to verify that there are many solutions <inline-formula><mml:math id="M122"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> and <italic>Q</italic><sub>0</sub> of (41) such that <inline-formula><mml:math id="M123"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0002D;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M124"><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0002D;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. We are interested in the one with the minimum value of <inline-formula><mml:math id="M125"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> because this choice ensures that the stable equilibrium point on the initial manifold <inline-formula><mml:math id="M126"><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textit" mathvariant="italic">M</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is at the maximum distance from the invariant manifold <inline-formula><mml:math id="M127"><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textit" mathvariant="italic">M</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0002D;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> where the Hopf bifurcation happens, thus guaranteeing a larger robustness margin against spurious pulses of small area. The minimum value of <inline-formula><mml:math id="M128"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> can be computed in closed form by minimizing the right hand side of Equation (41). It turns out that</p>
<disp-formula id="E46"><label>(42)</label><mml:math id="M129"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02250;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0002D;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>and since</p>
<disp-formula id="E47"><mml:math id="M130"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0002D;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msqrt><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0002D;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>from Equations (41) and (9) we have</p>
<disp-formula id="E48"><label>(43)</label><mml:math id="M131"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msqrt><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Moreover, since <italic>Q</italic><sub>0</sub> in Equation (41) stands for <inline-formula><mml:math id="M133"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi></mml:math></inline-formula>, from Equation (42) we finally get</p>
<disp-formula id="E49"><label>(44)</label><mml:math id="M134"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x0039B;</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Finally, the pulse width &#x00394; should be practically chosen to be some percent of the period <italic>T</italic>. Hence, we can select it according to the relation</p>
<disp-formula id="E50"><label>(45)</label><mml:math id="M135"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where &#x003C3; lies in the interval [0.01, 0.05].</p>
<p>Summing up, to obtain <inline-formula><mml:math id="M136"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Equation (38), the parameters <italic>T</italic>, <inline-formula><mml:math id="M137"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, &#x0039B;, and &#x00394; can be designed according to the corresponding expressions given in Equations (39), (43), (44), and (45), respectively. Notably, these relations depend explicitly on the circuit parameters <italic>R</italic>, <italic>L</italic>, <italic>C</italic>, <italic>s</italic><sub>0</sub>, and <italic>s</italic><sub>1</sub>. Hence, by suitably adapting these parameters it is possible to vary the features of <inline-formula><mml:math id="M138"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>On the other hand, the formulas in Equations (39), (43), (44), and (45) have been derived under two approximations. The first one concerns the assumption that at time <italic>t</italic> &#x0003D; <italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x0002B; &#x00394; the values of <italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub> and <italic>i</italic><sub><italic>L</italic></sub> are quite close to <inline-formula><mml:math id="M139"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> and zero, respectively. However, according to Equation (37) by lowering the value of the pulse width this assumption can be suitably satisfied. The second approximation is that the formulas have been obtained by using the PLCs instead of the true limit cycles. Indeed, as shown in section 3.2, the true limit cycles contain higher order harmonics terms which can generate some distortion in both the period and the minimum and maximum amplitudes over the period, with respect to those analytically computed for the PLCs. However, these higher order harmonics can be filtered out by suitably adjusting the circuit parameters. Moreover, the fact that the input-less memristor circuit contains a bundle of limit cycles makes the formulas, and hence the parameter design procedure, sufficiently robust with respect to the use of PLC in their derivation. Said another way, by slightly varying the parameters <italic>T</italic>, <inline-formula><mml:math id="M140"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, <italic>A</italic>, and &#x00394; from the nominal values provided by Equations (39), (43), (44), and (45), respectively, the distortion effect could be reduced.</p>
<p>To illustrate the design procedure let us consider the circuit parameters in Equation (30). From Equations (39), (43), and (44), we have that</p>
<disp-formula id="E51"><label>(46)</label><mml:math id="M141"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>4334</mml:mn><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>2361</mml:mn><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x0039B;</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>7889</mml:mn><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>and choosing &#x003C3; &#x0003D; 0.02 in Equation (45) we obtain</p>
<disp-formula id="E52"><label>(47)</label><mml:math id="M142"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>0487</mml:mn><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The corresponding predicted behavior <inline-formula><mml:math id="M143"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Equation (38) is reported <xref ref-type="fig" rid="F11">Figure 11A</xref> together with the true behavior of <italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub>(<italic>t</italic>) which is obtained by solving numerically (34). The state space trajectories corresponding to the true solution (<italic>Q</italic>(<italic>t</italic>), <italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub>(<italic>t</italic>), <italic>i</italic><sub><italic>L</italic></sub>(<italic>t</italic>)) of the circuit and the predicted solution <inline-formula><mml:math id="M144"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) are depicted in <xref ref-type="fig" rid="F11">Figure 11B</xref>.</p>
<fig id="F11" position="float">
<label>Figure 11</label>
<caption><p>The set pulse is applied at <italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x0003D; 2 with area <italic>A</italic> &#x0003D; 1.7889 and width &#x00394; &#x0003D; 0.0487, the reset pulse is applied at <italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x0002B; &#x00394; &#x0002B; <italic>T</italic> &#x0003D; 4.4821 with area &#x0039B; &#x0003D; &#x02212;1.7889 and width &#x00394; &#x0003D; 0.0487. The initial conditions are <italic>Q</italic>(0) &#x0003D; &#x02212;2.2361, <italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub>(0) &#x0003D; &#x02212;2.2361 and <italic>i</italic><sub><italic>L</italic></sub>(0) &#x0003D; 0. <bold>(A)</bold> Time behaviors of <italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub> (blu) and <inline-formula><mml:math id="M145"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> (red). <bold>(B)</bold> Trajectories in the state space generated by (<italic>Q</italic>(<italic>t</italic>), <italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub>(<italic>t</italic>), <italic>i</italic><sub><italic>L</italic></sub>(<italic>t</italic>)) (blu) and <inline-formula><mml:math id="M146"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (red).</p></caption>
<graphic xlink:href="fnins-15-681035-g0011.tif"/>
</fig>
<p>Note that the charge <italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub>(<italic>t</italic>) has a dynamical behavior that is quite similar to the one depicted in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2B</xref>, thus clearly showing that the memristor circuit can be used for mimicking some features of neuron dynamics.</p>
<p>This dynamical similarity is confirmed also in other scenarios. For instance, suppose that in the pulse timing the reset pulse is activated at <italic>t</italic> &#x0003D; <italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x0002B; &#x00394; &#x0002B; <italic>nT</italic>, with <italic>n</italic> being a positive integer. Clearly, in this case <inline-formula><mml:math id="M147"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> completes <italic>n</italic> periods within the interval <italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x0002B; &#x00394;, <italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x0002B; &#x00394; &#x0002B; <italic>nT</italic>, and, therefore, <italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub>(<italic>t</italic>) is expected to generate a burst of <italic>n</italic> spikes. <xref ref-type="fig" rid="F12">Figure 12</xref> provides the numerically computed behavior of <italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub>(<italic>t</italic>) for <italic>n</italic> &#x0003D; 8 over a time frame covering three bursts.</p>
<fig id="F12" position="float">
<label>Figure 12</label>
<caption><p>The initial conditions are as in <xref ref-type="fig" rid="F11">Figure 11</xref>, the set pulses are activated at <italic>t</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x02208; {10, 60, 110} and the reset pulses are applied 19.5164 time units later. <bold>(A)</bold> Time behavior of <italic>q</italic><sub><italic>M</italic></sub> for <italic>n</italic> &#x0003D; 8. <bold>(B)</bold> Time behavior of <italic>I</italic><sub><italic>s</italic></sub>.</p></caption>
<graphic xlink:href="fnins-15-681035-g0012.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec sec-type="conclusions" id="s5">
<title>5. Conclusions</title>
<p>In this paper, a memristor circuit composed of a resistor, an inductor, a capacitor, an ideal charge-controlled memristor and an independent current source as input is considered. It is first shown that in the input-less case the circuit enjoys the foliation property of the state space, i.e., it contains infinitely many planar invariant manifolds which are parameterized by a scalar index depending on the circuit initial conditions. Each manifold contains an attractor which can be either a stable equilibrium point or a stable limit cycle, depending on the value of the manifold index. Moreover, a first-order periodic approximation is obtained in an analytic way for each limit cycle via the Describing Function (DF) technique, a classical tool within the Harmonic Balance (HB) context.</p>
<p>Then, it is shown that the memristor charge can mimic a simplified model of a neuron response when an external independent pulse-programmed current source is introduced in the circuit. Specifically, the sought dynamics of the memristor charge is generated via the concatenation of convergent and oscillatory behaviors, which are obtained by switching between stable equilibrium points and limit cycles via a suitable design of the pulse timing of the current source. Some relationships between the pulse and the circuit parameters are also devised exploiting the knowledge of the first-order periodic approximation of the limit cycles.</p>
</sec>
<sec sec-type="data-availability-statement" id="s6">
<title>Data Availability Statement</title>
<p>The raw data supporting the conclusions of this article will be made available, without undue reservation, on request to the corresponding author with appropriate motivation.</p>
</sec>
<sec id="s7">
<title>Author Contributions</title>
<p>All authors contributed to the conception and design of the study, wrote the manuscript, read, and approved the submitted version.</p>
</sec>
<sec sec-type="COI-statement" id="conf1">
<title>Conflict of Interest</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
</body>
<back>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Adhikari</surname> <given-names>S. P.</given-names></name> <name><surname>Yang</surname> <given-names>C.</given-names></name> <name><surname>Kim</surname> <given-names>H.</given-names></name> <name><surname>Chua</surname> <given-names>L. O.</given-names></name></person-group> (<year>2012</year>). <article-title>Memristor bridge synapse-based neural network and its learning</article-title>. <source>IEEE Trans. Neural Netw. Learn. Syst</source>. <volume>23</volume>, <fpage>1426</fpage>&#x02013;<lpage>1435</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TNNLS.2012.2204770</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">24807926</pub-id></citation></ref>
<ref id="B2">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ascoli</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>Messaris</surname> <given-names>I.</given-names></name> <name><surname>Tetzlaff</surname> <given-names>R.</given-names></name> <name><surname>Chua</surname> <given-names>L. O.</given-names></name></person-group> (<year>2020a</year>). <article-title>Theoretical foundations of memristor cellular nonlinear networks: stability analysis with dynamic memristors</article-title>. <source>IEEE Trans. Circ. Syst. I Reg. Pap</source>. <volume>67</volume>, <fpage>1389</fpage>&#x02013;<lpage>1401</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TCSI.2019.2957813</pub-id></citation></ref>
<ref id="B3">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ascoli</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>Tetzlaff</surname> <given-names>R.</given-names></name> <name><surname>Kang</surname> <given-names>S. M.</given-names></name> <name><surname>Chua</surname> <given-names>L. O.</given-names></name></person-group> (<year>2020b</year>). <article-title>Theoretical foundations of memristor cellular nonlinear networks: A DRM<sub>2</sub>-based method to design memcomputers with dynamic memristors</article-title>. <source>IEEE Trans. Circ. Syst. I Reg. Pap</source>. <volume>67</volume>, <fpage>2753</fpage>&#x02013;<lpage>2766</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TCSI.2020.2978460</pub-id></citation></ref>
<ref id="B4">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Atherton</surname> <given-names>D. P.</given-names></name></person-group> (<year>1975</year>). <source>Nonlinear Control Engineering</source>. <publisher-loc>London</publisher-loc>: <publisher-name>Van Nostrand Reinhold</publisher-name>.</citation></ref>
<ref id="B5">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Babacan</surname> <given-names>Y.</given-names></name> <name><surname>Ka&#x000E7;ar</surname> <given-names>F.</given-names></name> <name><surname>G&#x000FC;rkan</surname> <given-names>K.</given-names></name></person-group> (<year>2016</year>). <article-title>A spiking and bursting neuron circuit based on memristor</article-title>. <source>Neurocomputing</source> <volume>203</volume>, <fpage>86</fpage>&#x02013;<lpage>91</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.neucom.2016.03.060</pub-id></citation></ref>
<ref id="B6">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Basso</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Genesio</surname> <given-names>R.</given-names></name> <name><surname>Tesi</surname> <given-names>A.</given-names></name></person-group> (<year>1997</year>). <article-title>A frequency method for predicting limit cycle bifurcations</article-title>. <source>Nonlinear Dyn</source>. <volume>13</volume>, <fpage>339</fpage>&#x02013;<lpage>360</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1023/A:1008298205786</pub-id></citation></ref>
<ref id="B7">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Bonani</surname> <given-names>F.</given-names></name> <name><surname>Gilli</surname> <given-names>M.</given-names></name></person-group> (<year>1999</year>). <article-title>Analysis of stability and bifurcations of limit cycles in Chua&#x00027;s circuit through the harmonic-balance approach</article-title>. <source>IEEE Trans. Circ. Syst. I Fundament. Theory Appl</source>. <volume>46</volume>, <fpage>881</fpage>&#x02013;<lpage>890</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/81.780370</pub-id></citation></ref>
<ref id="B8">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Bonomi</surname> <given-names>F.</given-names></name> <name><surname>Milito</surname> <given-names>R.</given-names></name> <name><surname>Zhu</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>Addepalli</surname> <given-names>S.</given-names></name></person-group> (<year>2012</year>). <article-title>Fog computing and its role in the internet of things</article-title>, in <source>Proceedings of the First Edition of the MCC Workshop on Mobile Cloud Computing</source> (<publisher-loc>Helsinki</publisher-loc>: <publisher-name>ACM</publisher-name>), <fpage>13</fpage>&#x02013;<lpage>16</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1145/2342509.2342513</pub-id></citation></ref>
<ref id="B9">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Chen</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Sun</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Bao</surname> <given-names>B.</given-names></name> <name><surname>Wu</surname> <given-names>H.</given-names></name> <name><surname>Xu</surname> <given-names>Q.</given-names></name> <name><surname>Wang</surname> <given-names>J.</given-names></name></person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Controlling extreme multistability of memristor emulator-based dynamical circuit in flux-charge domain</article-title>. <source>Nonlinear Dyn</source>. <volume>91</volume>, <fpage>1395</fpage>&#x02013;<lpage>1412</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s11071-017-3952-9</pub-id></citation></ref>
<ref id="B10">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Chen</surname> <given-names>Z.</given-names></name> <name><surname>Zheng</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Friesen</surname> <given-names>W. O.</given-names></name> <name><surname>Iwasaki</surname> <given-names>T.</given-names></name></person-group> (<year>2008</year>). <article-title>Multivariable harmonic balance analysis of the neuronal oscillator for leech swimming</article-title>. <source>J. Comput. Neurosci</source>. <volume>25</volume>:<fpage>583</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10827-008-0105-7</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">18663565</pub-id></citation></ref>
<ref id="B11">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Chua</surname> <given-names>L.</given-names></name> <name><surname>Sbitnev</surname> <given-names>V.</given-names></name> <name><surname>Kim</surname> <given-names>H.</given-names></name></person-group> (<year>2012</year>). <article-title>Hodgkin-Huxley axon is made of memristors</article-title>. <source>Int. J. Bifurc. Chaos</source> <volume>22</volume>:<fpage>1230011</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1142/S021812741230011X</pub-id></citation></ref>
<ref id="B12">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Chua</surname> <given-names>L. O.</given-names></name></person-group> (<year>1971</year>). <article-title>Memristor-the missing circuit element</article-title>. <source>IEEE Trans. Circ. Theory</source> <volume>18</volume>, <fpage>507</fpage>&#x02013;<lpage>519</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TCT.1971.1083337</pub-id></citation></ref>
<ref id="B13">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Corinto</surname> <given-names>F.</given-names></name> <name><surname>Ascoli</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>Gilli</surname> <given-names>M.</given-names></name></person-group> (<year>2011</year>). <article-title>Nonlinear dynamics of memristor oscillators</article-title>. <source>IEEE Trans. Circ. Syst. I Reg. Pap</source>. <volume>58</volume>, <fpage>1323</fpage>&#x02013;<lpage>1336</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TCSI.2010.2097731</pub-id></citation></ref>
<ref id="B14">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Corinto</surname> <given-names>F.</given-names></name> <name><surname>Di Marco</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Forti</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Chua</surname> <given-names>L.</given-names></name></person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Nonlinear networks with mem-elements: complex dynamics via flux-charge analysis method</article-title>. <source>IEEE Trans. Cybern</source>. <fpage>1</fpage>&#x02013;<lpage>14</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TCYB.2019.2904903</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">30951485</pub-id></citation></ref>
<ref id="B15">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Corinto</surname> <given-names>F.</given-names></name> <name><surname>Forti</surname> <given-names>M.</given-names></name></person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Memristor circuits: flux-charge analysis method</article-title>. <source>IEEE Trans. Circ. Syst. I Reg. Pap</source>. <volume>63</volume>, <fpage>1997</fpage>&#x02013;<lpage>2009</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TCSI.2016.2590948</pub-id></citation></ref>
<ref id="B16">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Corinto</surname> <given-names>F.</given-names></name> <name><surname>Forti</surname> <given-names>M.</given-names></name></person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Memristor circuits: bifurcations without parameters</article-title>. <source>IEEE Trans. Circ. Syst. I Reg. Pap</source>. <volume>64</volume>, <fpage>1540</fpage>&#x02013;<lpage>1551</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TCSI.2016.2642112</pub-id></citation></ref>
<ref id="B17">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Corinto</surname> <given-names>F.</given-names></name> <name><surname>Forti</surname> <given-names>M.</given-names></name></person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Memristor circuits: pulse programming via invariant manifolds</article-title>. <source>IEEE Trans. Circ. Syst. I Reg. Pap</source>. <volume>65</volume>, <fpage>1327</fpage>&#x02013;<lpage>1339</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TCSI.2017.2740999</pub-id></citation></ref>
<ref id="B18">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Di Marco</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Forti</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Innocenti</surname> <given-names>G.</given-names></name> <name><surname>Tesi</surname> <given-names>A.</given-names></name></person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Harmonic balance method to analyze bifurcations in memristor oscillatory circuits</article-title>. <source>Int. J. Circ. Theory Appl</source>. <volume>46</volume>, <fpage>66</fpage>&#x02013;<lpage>83</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/cta.2414</pub-id></citation></ref>
<ref id="B19">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Di Marco</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Forti</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Innocenti</surname> <given-names>G.</given-names></name> <name><surname>Tesi</surname> <given-names>A.</given-names></name></person-group> (<year>2020a</year>). <article-title>Input design for controlling dynamics in a second-order memristive circuit</article-title>, in <source>2020 European Conference on Circuit Theory and Design (ECCTD)</source> (<publisher-loc>Sofia</publisher-loc>), <fpage>1</fpage>&#x02013;<lpage>4</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/ECCTD49232.2020.9218368</pub-id></citation></ref>
<ref id="B20">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Di Marco</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Forti</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Innocenti</surname> <given-names>G.</given-names></name> <name><surname>Tesi</surname> <given-names>A.</given-names></name></person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Transient control in targeting multistable dynamics of a memristor circuit</article-title>, in <source>2021 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS 2021)</source> (<publisher-loc>Daegu</publisher-loc>: <publisher-name>IEEE</publisher-name>). <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/ISCAS51556.2021.9401351</pub-id></citation></ref>
<ref id="B21">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Di Marco</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Forti</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Innocenti</surname> <given-names>G.</given-names></name> <name><surname>Tesi</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>Corinto</surname> <given-names>F.</given-names></name></person-group> (<year>2020b</year>). <article-title>Targeting multistable dynamics in a second-order memristor circuit</article-title>, in <source>2020 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS)</source> (<publisher-loc>Seville</publisher-loc>), <fpage>1</fpage>&#x02013;<lpage>5</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/ISCAS45731.2020.9181111</pub-id></citation></ref>
<ref id="B22">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Di Marco</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Forti</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Pancioni</surname> <given-names>L.</given-names></name></person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Complete stability of feedback CNNs with dynamic memristors and second-order cells</article-title>. <source>Int. J. Circ. Theory Appl</source>. <volume>44</volume>, <fpage>1959</fpage>&#x02013;<lpage>1981</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/cta.2205</pub-id></citation></ref>
<ref id="B23">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Di Marco</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Forti</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Pancioni</surname> <given-names>L.</given-names></name></person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Convergence and multistability of nonsymmetric cellular neural networks with memristors</article-title>. <source>IEEE Trans. Cybern</source>. <volume>47</volume>, <fpage>2970</fpage>&#x02013;<lpage>2983</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TCYB.2016.2586115</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">27448383</pub-id></citation></ref>
<ref id="B24">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Di Marco</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Forti</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Pancioni</surname> <given-names>L.</given-names></name></person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Memristor standard cellular neural networks computing in the flux-charge domain</article-title>. <source>Neural Netw</source>. <volume>93</volume>, <fpage>152</fpage>&#x02013;<lpage>164</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.neunet.2017.05.009</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">28599148</pub-id></citation></ref>
<ref id="B25">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Di Marco</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Forti</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Tesi</surname> <given-names>A.</given-names></name></person-group> (<year>2003</year>). <article-title>Harmonic balance approach to predict period-doubling bifurcations in nearly-symmetric neural networks</article-title>. <source>J. Circ. Syst. Comput</source>. <volume>12</volume>, <fpage>435</fpage>&#x02013;<lpage>460</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1142/S0218126603000969</pub-id></citation></ref>
<ref id="B26">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Di Marco</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Innocenti</surname> <given-names>G.</given-names></name> <name><surname>Forti</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Tesi</surname> <given-names>A.</given-names></name></person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Control design for targeting dynamics of memristor Murali-Lakshmanan-Chua circuit</article-title>, in <source>IEEE ECC 2019</source> (<publisher-loc>Naples</publisher-loc>), <fpage>4332</fpage>&#x02013;<lpage>4337</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.23919/ECC.2019.8795813</pub-id></citation></ref>
<ref id="B27">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Du</surname> <given-names>C.</given-names></name> <name><surname>Cai</surname> <given-names>F.</given-names></name> <name><surname>Zidan</surname> <given-names>M. A.</given-names></name> <name><surname>Ma</surname> <given-names>W.</given-names></name> <name><surname>Lee</surname> <given-names>S. H.</given-names></name> <name><surname>Lu</surname> <given-names>W. D.</given-names></name></person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Reservoir computing using dynamic memristors for temporal information processing</article-title>. <source>Nat. Comm</source>. <volume>8</volume>:<fpage>2204</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41467-017-02337-y</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">29259188</pub-id></citation></ref>
<ref id="B28">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Gelb</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>Vander Velde</surname> <given-names>W. E.</given-names></name></person-group> (<year>1968</year>). <source>Multiple-Input Describing Functions and Nonlinear System Design</source>. <publisher-loc>New York, NY</publisher-loc>: <publisher-name>McGraw-Hill Book Co</publisher-name>.</citation></ref>
<ref id="B29">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Genesio</surname> <given-names>R.</given-names></name> <name><surname>Tesi</surname> <given-names>A.</given-names></name></person-group> (<year>1992</year>). <article-title>Harmonic balance methods for the analysis of chaotic dynamics in nonlinear systems</article-title>. <source>Automatica</source> <volume>28</volume>, <fpage>531</fpage>&#x02013;<lpage>548</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0005-1098(92)90177-H</pub-id></citation></ref>
<ref id="B30">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Hong</surname> <given-names>Q.</given-names></name> <name><surname>Zhao</surname> <given-names>L.</given-names></name> <name><surname>Wang</surname> <given-names>X.</given-names></name></person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Novel circuit designs of memristor synapse and neuron</article-title>. <source>Neurocomputing</source> <volume>330</volume>, <fpage>11</fpage>&#x02013;<lpage>16</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.neucom.2018.11.043</pub-id></citation></ref>
<ref id="B31">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Hu</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Chen</surname> <given-names>Y.</given-names></name> <name><surname>Yang</surname> <given-names>J. J.</given-names></name> <name><surname>Wang</surname> <given-names>Y.</given-names></name> <name><surname>Li</surname> <given-names>H. H.</given-names></name></person-group> (<year>2016</year>). <article-title>A compact memristor-based dynamic synapse for spiking neural networks</article-title>. <source>IEEE Trans. Comput. Aided Design Integr. Circ. Syst</source>. <volume>36</volume>, <fpage>1353</fpage>&#x02013;<lpage>1366</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TCAD.2016.2618866</pub-id></citation></ref>
<ref id="B32">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ielmini</surname> <given-names>D.</given-names></name> <name><surname>Pedretti</surname> <given-names>G.</given-names></name></person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Device and circuit architectures for in-memory computing</article-title>. <source>Adv. Intell. Syst</source>. <volume>2</volume>:<fpage>2000040</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/aisy.202000040</pub-id></citation></ref>
<ref id="B33">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ielmini</surname> <given-names>D.</given-names></name> <name><surname>Wong</surname> <given-names>H.-S. P.</given-names></name></person-group> (<year>2018</year>). <article-title>In-memory computing with resistive switching devices</article-title>. <source>Nat. Electron</source>. <volume>1</volume>:<fpage>333</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41928-018-0092-2</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">31997981</pub-id></citation></ref>
<ref id="B34">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Innocenti</surname> <given-names>G.</given-names></name> <name><surname>Di Marco</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Forti</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Tesi</surname> <given-names>A.</given-names></name></person-group> (<year>2019a</year>). <article-title>A controlled Murali-Lakshmanan-Chua memristor circuit to mimic neuron dynamics</article-title>, in <source>2019 IEEE 58th Conference on Decision and Control (CDC)</source> (<publisher-loc>Nice</publisher-loc>: <publisher-name>IEEE</publisher-name>), <fpage>3423</fpage>&#x02013;<lpage>3428</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/CDC40024.2019.9029330</pub-id></citation></ref>
<ref id="B35">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Innocenti</surname> <given-names>G.</given-names></name> <name><surname>Di Marco</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Forti</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Tesi</surname> <given-names>A.</given-names></name></person-group> (<year>2019b</year>). <article-title>Prediction of period doubling bifurcations in harmonically forced memristor circuits</article-title>. <source>Nonlinear Dyn</source>. <volume>96</volume>, <fpage>1169</fpage>&#x02013;<lpage>1190</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s11071-019-04847-4</pub-id></citation></ref>
<ref id="B36">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Innocenti</surname> <given-names>G.</given-names></name> <name><surname>Di Marco</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Tesi</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>Forti</surname> <given-names>M.</given-names></name></person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Input-output characterization of the dynamical properties of circuits with a memelement</article-title>. <source>Int. J. Bifurc. Chaos</source> <volume>30</volume>:<fpage>2050110</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1142/S0218127420501102</pub-id></citation></ref>
<ref id="B37">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Innocenti</surname> <given-names>G.</given-names></name> <name><surname>Tesi</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>Genesio</surname> <given-names>R.</given-names></name></person-group> (<year>2010</year>). <article-title>Complex behaviour analysis in quadratic jerk systems via frequency domain Hopf bifurcation</article-title>. <source>Int. J. Bifurc. Chaos</source> <volume>20</volume>, <fpage>657</fpage>&#x02013;<lpage>667</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1142/S0218127410025946</pub-id></citation></ref>
<ref id="B38">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Izhikevich</surname> <given-names>E. M.</given-names></name></person-group> (<year>2000</year>). <article-title>Neural excitability, spiking and bursting</article-title>. <source>Int. J. Bifurc. Chaos</source> <volume>10</volume>, <fpage>1171</fpage>&#x02013;<lpage>1266</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1142/S0218127400000840</pub-id></citation></ref>
<ref id="B39">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Izhikevich</surname> <given-names>E. M.</given-names></name></person-group> (<year>2007</year>). <source>Dynamical Systems in Neuroscience</source>. <publisher-loc>Cambridge, MA</publisher-loc>: <publisher-name>MIT Press</publisher-name>. <pub-id pub-id-type="doi">10.7551/mitpress/2526.001.0001</pub-id></citation></ref>
<ref id="B40">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Jo</surname> <given-names>S. H.</given-names></name> <name><surname>Chang</surname> <given-names>T.</given-names></name> <name><surname>Ebong</surname> <given-names>I.</given-names></name> <name><surname>Bhadviya</surname> <given-names>B. B.</given-names></name> <name><surname>Mazumder</surname> <given-names>P.</given-names></name> <name><surname>Lu</surname> <given-names>W.</given-names></name></person-group> (<year>2010</year>). <article-title>Nanoscale memristor device as synapse in neuromorphic systems</article-title>. <source>Nano Lett</source>. <volume>10</volume>, <fpage>1297</fpage>&#x02013;<lpage>1301</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/nl904092h</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">20192230</pub-id></citation></ref>
<ref id="B41">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Khalil</surname> <given-names>H. K.</given-names></name></person-group> (<year>2002</year>). <source>Nonlinear Systems</source>. <publisher-loc>Upper Saddle River, NJ</publisher-loc>: <publisher-name>Prentice Hall</publisher-name>.</citation></ref>
<ref id="B42">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kim</surname> <given-names>S.</given-names></name> <name><surname>Du</surname> <given-names>C.</given-names></name> <name><surname>Sheridan</surname> <given-names>P.</given-names></name> <name><surname>Ma</surname> <given-names>W.</given-names></name> <name><surname>Choi</surname> <given-names>S.</given-names></name> <name><surname>Lu</surname> <given-names>W. D.</given-names></name></person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Experimental demonstration of a second-order memristor and its ability to biorealistically implement synaptic plasticity</article-title>. <source>Nano Lett</source>. <volume>15</volume>, <fpage>2203</fpage>&#x02013;<lpage>2211</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/acs.nanolett.5b00697</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">25710872</pub-id></citation></ref>
<ref id="B43">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Krestinskaya</surname> <given-names>O.</given-names></name> <name><surname>James</surname> <given-names>A. P.</given-names></name> <name><surname>Chua</surname> <given-names>L. O.</given-names></name></person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Neuromemristive circuits for edge computing: a review</article-title>. <source>IEEE Trans. Neural Netw. Learn. Syst</source>. <volume>31</volume>, <fpage>4</fpage>&#x02013;<lpage>23</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TNNLS.2019.2899262</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">30892238</pub-id></citation></ref>
<ref id="B44">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kumar</surname> <given-names>S.</given-names></name> <name><surname>Strachan</surname> <given-names>J. P.</given-names></name> <name><surname>Williams</surname> <given-names>R. S.</given-names></name></person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Chaotic dynamics in nanoscale <monospace>NbO<sub>2</sub></monospace> Mott memristors for analogue computing</article-title>. <source>Nature</source> <volume>548</volume>:<fpage>318</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nature23307</pub-id></citation></ref>
<ref id="B45">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Matsuoka</surname> <given-names>K.</given-names></name></person-group> (<year>2011</year>). <article-title>Analysis of a neural oscillator</article-title>. <source>Biol. Cybernet</source>. <volume>104</volume>, <fpage>297</fpage>&#x02013;<lpage>304</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s00422-011-0432-z</pub-id></citation></ref>
<ref id="B46">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Mees</surname> <given-names>A. I.</given-names></name></person-group> (<year>1981</year>). <source>Dynamics of Feedback Systems</source>. <publisher-loc>New York, NY</publisher-loc>: <publisher-name>Wiley</publisher-name>.</citation></ref>
<ref id="B47">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Nakada</surname> <given-names>K.</given-names></name></person-group> (<year>2019</year>). <article-title>An ReRAM-based neuron device for neuromorphic pulse coding</article-title>. <source>Jpn. J. Appl. Phys</source>. <volume>58</volume>:<fpage>030904</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.7567/1347-4065/aafb60</pub-id></citation></ref>
<ref id="B48">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Pershin</surname> <given-names>Y. V.</given-names></name> <name><surname>Di Ventra</surname> <given-names>M.</given-names></name></person-group> (<year>2011</year>). <article-title>Memory effects in complex materials and nanoscale systems</article-title>. <source>Adv. Phys</source>. <volume>60</volume>, <fpage>145</fpage>&#x02013;<lpage>227</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1080/00018732.2010.544961</pub-id></citation></ref>
<ref id="B49">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Piccardi</surname> <given-names>C.</given-names></name></person-group> (<year>1994</year>). <article-title>Bifurcations of limit cycles in periodically forced nonlinear systems: the harmonic balance approach</article-title>. <source>IEEE Trans. Circ. Syst. I</source> <volume>41</volume>, <fpage>315</fpage>&#x02013;<lpage>320</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/81.285687</pub-id></citation></ref>
<ref id="B50">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Pisarchik</surname> <given-names>A. N.</given-names></name> <name><surname>Feudel</surname> <given-names>U.</given-names></name></person-group> (<year>2014</year>). <article-title>Control of multistability</article-title>. <source>Phys. Rep</source>. <volume>540</volume>, <fpage>167</fpage>&#x02013;<lpage>218</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.physrep.2014.02.007</pub-id></citation></ref>
<ref id="B51">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Satyanarayanan</surname> <given-names>M.</given-names></name></person-group> (<year>2017</year>). <article-title>The emergence of edge computing</article-title>. <source>Computer</source> <volume>50</volume>, <fpage>30</fpage>&#x02013;<lpage>39</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/MC.2017.9</pub-id></citation></ref>
<ref id="B52">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Tesi</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>Abed</surname> <given-names>E. H.</given-names></name> <name><surname>Genesio</surname> <given-names>R.</given-names></name> <name><surname>Wang</surname> <given-names>H. O.</given-names></name></person-group> (<year>1996</year>). <article-title>Harmonic balance analysis of period-doubling bifurcations with implications for control of nonlinear dynamics</article-title>. <source>Automatica</source> <volume>32</volume>, <fpage>1255</fpage>&#x02013;<lpage>1271</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0005-1098(96)00065-9</pub-id></citation></ref>
<ref id="B53">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Thomas</surname> <given-names>A.</given-names></name></person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Memristor-based neural networks</article-title>. <source>J. Phys. D Appl. Phys</source>. <volume>46</volume>:<fpage>093001</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0022-3727/46/9/093001</pub-id></citation></ref>
<ref id="B54">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Usha</surname> <given-names>K.</given-names></name> <name><surname>Subha</surname> <given-names>P.</given-names></name></person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Hindmarsh-Rose neuron model with memristors</article-title>. <source>Biosystems</source> <volume>178</volume>, <fpage>1</fpage>&#x02013;<lpage>9</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.biosystems.2019.01.005</pub-id></citation></ref>
<ref id="B55">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Waldrop</surname> <given-names>M. M.</given-names></name></person-group> (<year>2016</year>). <article-title>The chips are down for Moore&#x00027;s law</article-title>. <source>Nat. News</source> <volume>530</volume>:<fpage>144</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/530144a</pub-id></citation></ref>
<ref id="B56">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Wang</surname> <given-names>N.</given-names></name> <name><surname>Zhang</surname> <given-names>G.</given-names></name> <name><surname>Bao</surname> <given-names>H.</given-names></name></person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Bursting oscillations and coexisting attractors in a simple memristor-capacitor-based chaotic circuit</article-title>. <source>Nonlinear Dyn</source>. <volume>97</volume>, <fpage>1477</fpage>&#x02013;<lpage>1494</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s11071-019-05067-6</pub-id></citation></ref>
<ref id="B57">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Wang</surname> <given-names>Z.</given-names></name> <name><surname>Ambrogio</surname> <given-names>S.</given-names></name> <name><surname>Balatti</surname> <given-names>S.</given-names></name> <name><surname>Ielmini</surname> <given-names>D.</given-names></name></person-group> (<year>2015</year>). <article-title>A 2-transistor/1-resistor artificial synapse capable of communication and stochastic learning in neuromorphic systems</article-title>. <source>Front. Neurosci</source>. <volume>8</volume>:<fpage>438</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fnins.2014.00438</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">25642161</pub-id></citation></ref>
<ref id="B58">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Williams</surname> <given-names>R. S.</given-names></name></person-group> (<year>2017</year>). <article-title>What&#x00027;s next? [The end of Moore&#x00027;s law]</article-title>. <source>Comput. Sci. Eng</source>. <volume>19</volume>, <fpage>7</fpage>&#x02013;<lpage>13</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/MCSE.2017.31</pub-id></citation></ref>
<ref id="B59">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Xu</surname> <given-names>Q.</given-names></name> <name><surname>Lin</surname> <given-names>Y.</given-names></name> <name><surname>Bao</surname> <given-names>B.</given-names></name> <name><surname>Chen</surname> <given-names>M.</given-names></name></person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Multiple attractors in a non-ideal active voltage-controlled memristor based Chua&#x00027;s circuit</article-title>. <source>Chaos Solitons Fractals</source> <volume>83</volume>, <fpage>186</fpage>&#x02013;<lpage>200</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.chaos.2015.12.007</pub-id></citation></ref>
<ref id="B60">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Yang</surname> <given-names>J. J.</given-names></name> <name><surname>Strukov</surname> <given-names>D. B.</given-names></name> <name><surname>Stewart</surname> <given-names>D. R.</given-names></name></person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Memristive devices for computing</article-title>. <source>Nat. Nanotechnol</source>. <volume>8</volume>, <fpage>13</fpage>&#x02013;<lpage>24</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nnano.2012.240</pub-id></citation></ref>
<ref id="B61">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Yuan</surname> <given-names>F.</given-names></name> <name><surname>Wang</surname> <given-names>G.</given-names></name> <name><surname>Jin</surname> <given-names>P.</given-names></name> <name><surname>Wang</surname> <given-names>X.</given-names></name> <name><surname>Ma</surname> <given-names>G.</given-names></name></person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Chaos in a meminductor-based circuit</article-title>. <source>Int. J. Bifurc. Chaos</source> <volume>26</volume>:<fpage>1650130</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1142/S0218127416501303</pub-id></citation></ref>
<ref id="B62">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Zidan</surname> <given-names>M. A.</given-names></name> <name><surname>Strachan</surname> <given-names>J. P.</given-names></name> <name><surname>Lu</surname> <given-names>W. D.</given-names></name></person-group> (<year>2018</year>). <article-title>The future of electronics based on memristive systems</article-title>. <source>Nat. Electron</source>. <volume>1</volume>:<fpage>22</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41928-017-0006-8</pub-id></citation></ref>
</ref-list>
<fn-group>
<fn id="fn0001"><p><sup>1</sup>Throughout the paper, <inline-formula><mml:math id="M6"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0002D;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes the derivative of the function <italic>f</italic>(<italic>t</italic>) at <inline-formula><mml:math id="M7"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0002D;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>.</p></fn>
<fn id="fn0002"><p><sup>2</sup>Consider a linear time-invariant finite-dimensional causal system described by the input-output relation <inline-formula><mml:math id="M44"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> where the operator <inline-formula><mml:math id="M45"><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> has the following general form
<disp-formula id="E19"><mml:math id="M46"><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">D</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></disp-formula></p>
<p>with <italic>a</italic><sub><italic>i</italic></sub>, <italic>b</italic><sub><italic>i</italic></sub>, <italic>i</italic> &#x0003D; 0, &#x02026;, <italic>n</italic> &#x02212; 1 being constants. Let <italic>u</italic>(<italic>t</italic>) be an exponential signal, i.e., <italic>u</italic>(<italic>t</italic>) &#x0003D; <italic>Ce</italic><sup>&#x003C3;<italic>t</italic></sup>, <italic>C</italic> &#x02208; &#x0211D;, &#x003C3; &#x02208; &#x02102;, and assume that <italic>L</italic>(&#x003C3;) is finite, i.e., <italic>L</italic>(&#x003C3;) &#x02260; &#x0221E;. Then, for suitable initial conditions of the system, we have <italic>y</italic>(<italic>t</italic>) &#x0003D; <italic>CL</italic>(&#x003C3;)<italic>e</italic><sup>&#x003C3;<italic>t</italic></sup>, i.e., the output of the system has the same exponential form of the input.</p></fn>
</fn-group>
<fn-group>
<fn fn-type="financial-disclosure"><p><bold>Funding.</bold> This work was supported by the project Analogue COmputing with Dynamic Switching Memristor Oscillators: Theory, Devices and Applications (COSMO), Grant PRIN 2017LSCR4K 002, funded by the Italian Ministry of Education, University and Research (MIUR).</p>
</fn>
</fn-group>
</back>
</article>