<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="2.3" xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Netw. Physiol.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Network Physiology</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Netw. Physiol.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2674-0109</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">1399352</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fnetp.2024.1399352</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Network Physiology</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Resilience of the slow component in timescale-separated synchronized oscillators</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Tyloo</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.3389/fnetp.2024.1399352">10.3389/fnetp.2024.1399352</ext-link>
</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Tyloo</surname>
<given-names>Melvyn</given-names>
</name>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1976826/overview"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/conceptualization/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/data-curation/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/formal-analysis/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/funding-acquisition/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/investigation/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/methodology/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/project-administration/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/resources/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/software/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/supervision/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/validation/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/visualization/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-original-draft/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/Writing - review &#x26; editing/"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff>
<institution>Theoretical Division and Center for Nonlinear Studies (CNLS)</institution>, <institution>Los Alamos National Laboratory</institution>, <addr-line>Los Alamos</addr-line>, <addr-line>NM</addr-line>, <country>United States</country>
</aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Edited by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/559434/overview">Eckehard Sch&#xf6;ll</ext-link>, Technical University of Berlin, Germany</p>
</fn>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Reviewed by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/81670/overview">Serhiy Yanchuk</ext-link>, University College Cork, Ireland</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1348102/overview">Atefeh Ahmadi</ext-link>, Amirkabir University of Technology, Iran</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x2a;Correspondence: Melvyn Tyloo, <email>melvyn.tyloo@gmail.com</email>
</corresp>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>19</day>
<month>06</month>
<year>2024</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2024</year>
</pub-date>
<volume>4</volume>
<elocation-id>1399352</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>11</day>
<month>03</month>
<year>2024</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>06</day>
<month>05</month>
<year>2024</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#xa9; 2024 Tyloo.</copyright-statement>
<copyright-year>2024</copyright-year>
<copyright-holder>Tyloo</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>Physiological networks are usually made of a large number of biological oscillators evolving on a multitude of different timescales. Phase oscillators are particularly useful in the modelling of the synchronization dynamics of such systems. If the coupling is strong enough compared to the heterogeneity of the internal parameters, synchronized states might emerge where phase oscillators start to behave coherently. Here, we focus on the case where synchronized oscillators are divided into a fast and a slow component so that the two subsets evolve on separated timescales. We assess the resilience of the slow component by, first, reducing the dynamics of the fast one using Mori-Zwanzig formalism. Second, we evaluate the variance of the phase deviations when the oscillators in the two components are subject to noise with possibly distinct correlation times. From the general expression for the variance, we consider specific network structures and show how the noise transmission between the fast and slow components is affected. Interestingly, we find that oscillators that are among the most robust when there is only a single timescale, might become the most vulnerable when the system undergoes a timescale separation. We also find that layered networks seem to be insensitive to such timescale separations.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>synchronization &#x26; phase locking</kwd>
<kwd>timescale separation</kwd>
<kwd>stochastic and deterministic stability</kwd>
<kwd>coupled oscillators</kwd>
<kwd>network physiology</kwd>
<kwd>complex networks</kwd>
</kwd-group>
<custom-meta-wrap>
<custom-meta>
<meta-name>section-at-acceptance</meta-name>
<meta-value>Networks of Dynamical Systems</meta-value>
</custom-meta>
</custom-meta-wrap>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<title>1 Introduction</title>
<p>The synchronization dynamics of coupled phase oscillators finds numerous applications ranging from Josephson junctions and electrical power grids to physiological networks (<xref ref-type="bibr" rid="B45">Wiesenfeld et al., 1998</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B27">Pikovsky et al., 2003</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B1">Acebr&#xf3;n et al., 2005</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B35">Strogatz, 2014</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B33">Stiefel and Ermentrout, 2016</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B16">Ji et al., 2023</xref>). The collective behavior displayed by these systems is made possible by the interplay between the internal parameters of the individual dynamical units and the interaction coupling their degrees of freedom (<xref ref-type="bibr" rid="B47">Winfree, 1967</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B21">Kuramoto, 1975</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B22">Kuramoto, 1984</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B34">Strogatz, 2000</xref>). Due to the nonlinear nature of the coupling together with the complex network topology of the interaction, multiple synchronized states might exist for the same parameters and might be visited by the system due to perturbations or noise (<xref ref-type="bibr" rid="B19">Kramers, 1940</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B8">Dykman, 1990</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B5">DeVille, 2012</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B29">Rodrigues et al., 2016</xref>). Importantly, synchronization is not always a desirable feature. For example, in electrical power grids, a synchronous operational state ensures the good functioning and distribution of power (<xref ref-type="bibr" rid="B2">Blaabjerg et al., 2006</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B23">Machowski et al., 2008</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B7">D&#xf6;rfler et al., 2013</xref>). The answer is less binary in physiological systems. Indeed, synchronization is of primal importance for some cognitive processes in the brain ensuring an adequate level of communication between neuronal groups (<xref ref-type="bibr" rid="B9">Fries, 2005</xref>). Also, synchronized dynamics emerge in healthy neuronal systems during sleep (<xref ref-type="bibr" rid="B11">Gonz&#xe1;lez et al., 2023</xref>). Thus, a lack of synchronization might result in some impairment of physiological systems. However, direct connections have been drawn between the excess of synchronization in some neuronal groups and brain diseases (<xref ref-type="bibr" rid="B42">Uhlhaas and Singer, 2006</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B28">Popovych and Tass, 2014</xref>). Therefore, the synchronization dynamics as well as its resilience to external perturbations are topics of primal importance in order to better understand the interplay between synchronized groups of dynamical units.</p>
<p>Different types of synchronization might occur. For example, all the phases may converge to the same global value, which is usually referred to as <italic>phase synchronization</italic>. Another type of synchronization happens when the frequencies of all the oscillators converge to a common global value, which is referred to as <italic>phase-locked state</italic>, with time-independent phase differences. Perturbations of these synchronized states can take a great variety of forms such as external input signals injected into some internal parameters or noisy environments (<xref ref-type="bibr" rid="B5">DeVille, 2012</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B13">Hindes and Myers, 2015</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B31">Sch&#xe4;fer et al., 2017</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B14">Hindes and Schwartz, 2018</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B30">Ronellenfitsch et al., 2018</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B39">Tyloo et al., 2018</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B12">Halekotte and Feudel, 2020</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B36">Tyloo, 2022a</xref>), interruption of the interaction between some oscillators due to local failures (<xref ref-type="bibr" rid="B32">Soltan et al., 2017</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B4">Delabays et al., 2022</xref>), alteration of the dynamics of some units (<xref ref-type="bibr" rid="B44">Wang and Wang, 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B38">Tyloo, 2023</xref>). Here, we are interested in networks of phase oscillators in a phase-locked state where, due to some damage to a subset of oscillators or simply because of their intrinsic characteristics, two separate timescales of the dynamics exist so that the system is divided into a fast and a slow component. This kind of timescale separation might occur for example, in the human physiological system thanks to the wide range of timescales reported (<xref ref-type="bibr" rid="B10">Gao et al., 2020</xref>). In such a scenario, the fast oscillators adapt to any input signal quickly compared to the ones in the slow component. Therefore, the input signals into the oscillators belonging to the fast component are transmitted differently to those in the slow component compared to the case where all oscillators evolve on the same timescale. Such timescale separation in systems of coupled phase oscillators have been used in the modelling of power systems (<xref ref-type="bibr" rid="B18">Kokotovic et al., 1980</xref>) and synchronization dynamics of Kuramoto oscillators with attractive and repulsive couplings (<xref ref-type="bibr" rid="B17">Kirillov et al., 2020</xref>). As a paradigmatic model to investigate synchronization, we use Kuramoto oscillators, but the framework presented here applies more generally to coupled dynamical systems evolving close to a stable fixed point. We consider time-correlated noisy inputs as in many relevant situations, dynamical systems are constantly pushed away from their synchronized fixed point by ambient noisy conditions (<xref ref-type="bibr" rid="B43">van Kampen, 1976</xref>). The resilience of the system to such perturbations can be assessed in various ways. One can estimate the size of the basin of attraction (<xref ref-type="bibr" rid="B46">Wiley et al., 2006</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B24">Menck et al., 2013</xref>), or evaluate the amplitude of the small fluctuations or the escape rate of large fluctuations (<xref ref-type="bibr" rid="B37">Tyloo, 2022b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B15">Hindes et al., 2023</xref>). In this manuscript, we assess the resilience of the slow component in the small fluctuation regime by quantifying the phase deviations from the synchronized state. This is important as it clarifies how the features of the dynamical system affect its robustness to noise when coupled oscillators evolve over multiple timescales. Within the assumption of small fluctuation, we investigate the linear response of the system around a stable fixed point. We first account for the timescale separation applying Mori-Zwanzig formalism (<xref ref-type="bibr" rid="B25">Mori, 1965</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B48">Zwanzig, 1973</xref>) to the slow and fast components. This leads to a reduced dynamics of the oscillators which is equivalent to a Kron reduction of the Jacobian matrix (<xref ref-type="bibr" rid="B20">Kron, 1939</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B6">D&#xf6;rfler and Bullo, 2012</xref>). The latter elucidate how the inputs in the fast component are transmitted to the slow one. Then, solving the linear system, we calculate the variance of the phase deviations in the slow component when time-correlated noise inputs with distinct typical correlation times are applied in each component. We show how the amplitude of the excursion essentially depends on the characteristics of the noise, as well as the system properties through the spectrum of its reduced Jacobian. In some specific settings, we are able to further predict the transmission of the noise from the fast to the slow component based on the properties of the oscillators in the fast component as well as the inter-component coupling structure. In particular, we find that some oscillators having smaller variance when there is no timescale separation, might become the ones with larger variance when there is a timescale separation, if they are well connected to the fast component. Also, when the slow and fast components are defined on a layered network, the variance is mostly insensitive to the timescale separation.</p>
<p>In <xref ref-type="sec" rid="s2">Section 2</xref>, we introduce the model of Kuramoto oscillators with timescale separation and apply Mori-Zwanzig formalism to obtain a reduced dynamics for the slow component. In the same section, we then calculate the variance of the degrees of freedom of the oscillators in the slow component subject to time-correlated noise. In <xref ref-type="sec" rid="s3">Section 3</xref>, we numerically confirm and illustrate the theory on various network structures. The conclusions are given in <xref ref-type="sec" rid="s4">Section 4</xref>.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<title>2 Timescale separation</title>
<p>Here, we first introduce the model of noisy phase oscillators we investigate and how the timescale separation is mathematically taken into account. Then, we describe the near-equilibrium dynamics which is captured by the linear response of the system, and apply Mori-Zwanzig formalism to obtain the time-evolution in the slow component. This enables us to calculate the moments of the phase deviations of each oscillator in the slow component. Eventually, we consider the strong coupling limit where the expression for the variance of the phase deviation can be explicitly calculated for specific network structures.</p>
<sec id="s2-1">
<title>2.1 Networks of phase oscillators</title>
<p>We are interested in the situation where, due to an external perturbation or change in the environment, the intrinsic timescales of the individual oscillators separate into a fast and a slow subsystem. We consider a set of <italic>N</italic> oscillators each with a compact phase degree of freedom <italic>&#x3b8;</italic>
<sub>
<italic>i</italic>
</sub> &#x2208; (&#x2212;<italic>&#x3c0;</italic>, <italic>&#x3c0;</italic>] whose time-evolution is governed by the set of coupled differential equations (<xref ref-type="bibr" rid="B21">Kuramoto, 1975</xref>),<disp-formula id="e1">
<mml:math id="m1">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
</mml:mstyle>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(1)</label>
</disp-formula>for <italic>i</italic> &#x3d; 1, &#x2026; <italic>N</italic>. The natural frequency of the <italic>i</italic>th oscillator is denoted <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>
<italic>i</italic>
</sub>, the structure of the coupling network is given by elements <italic>b</italic>
<sub>
<italic>ij</italic>
</sub> of the adjacency matrix (<xref ref-type="bibr" rid="B26">Newman, 2018</xref>). Ambient noise is modelled at the <italic>i</italic>th oscillator by <italic>&#x3b7;</italic>
<sub>
<italic>i</italic>
</sub> and is taken as a time-correlated noise, uncorrelated in space, i.e., <inline-formula id="inf1">
<mml:math id="m2">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e8;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</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:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</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>, where <italic>&#x3c4;</italic>
<sub>
<italic>i</italic>
</sub> is the typical correlation time of the noise at the <italic>i</italic>th oscillator. The non-negative parameters <italic>d</italic>
<sub>
<italic>i</italic>
</sub>&#x2019;s define the individual timescale of each oscillator. Removing the noise term, Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">1</xref> may have multiple stable fixed points of the dynamics which essentially depend on the coupling topology and strength as well as the distribution of natural frequencies. Below, we assume that such a stable fixed point <inline-formula id="inf2">
<mml:math id="m3">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> exists and that the noise term is small enough such that the dynamics remains inside the initial basin of attraction. In the present scenario, we assume that we have two sets of oscillators that we denote <inline-formula id="inf3">
<mml:math id="m4">
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf4">
<mml:math id="m5">
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively with <inline-formula id="inf5">
<mml:math id="m6">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf6">
<mml:math id="m7">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> oscillators, such that<disp-formula id="e2">
<mml:math id="m8">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="cases">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mspace width="1em"/>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:munder accentunder="false">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo accent="true">&#x332;</mml:mo>
</mml:munder>
<mml:mspace width="1em"/>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(2)</label>
</disp-formula>with <inline-formula id="inf7">
<mml:math id="m9">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x226a;</mml:mo>
<mml:munder accentunder="false">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo accent="true">&#x332;</mml:mo>
</mml:munder>
</mml:math>
</inline-formula>. The latter means that oscillators belonging to <inline-formula id="inf8">
<mml:math id="m10">
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> have a much slower intrinsic timescale than those belonging to <inline-formula id="inf9">
<mml:math id="m11">
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>. In the following, we focus on the dynamics of the oscillators in the slow component. Within the assumption of timescale separation, one can rewrite Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">1</xref> as,<disp-formula id="e3">
<mml:math id="m12">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
</mml:mstyle>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
</mml:mstyle>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(3)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>where we defined <inline-formula id="inf10">
<mml:math id="m13">
<mml:munder accentunder="false">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo accent="true">&#x332;</mml:mo>
</mml:munder>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> and, without loss of generality, set <inline-formula id="inf11">
<mml:math id="m14">
<mml:munder accentunder="false">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo accent="true">&#x332;</mml:mo>
</mml:munder>
</mml:math>
</inline-formula> to unity. In the limit <italic>&#x3f5;</italic> &#x2192; 0, the oscillators within <inline-formula id="inf12">
<mml:math id="m15">
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> instantaneously adapt their phases. In the next section, we consider the dynamical system Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e3">3</xref> in the vicinity of a stable fixed point and perform a singular perturbation analysis using Mori-Zwanzig formalism.</p>
</sec>
<sec id="s2-2">
<title>2.2 Near-equilibrium and reduced dynamics</title>
<p>Even though we consider Kuramoto oscillators, the following approach applies in general to coupled dynamical systems that have a stable fixed point around which they evolve and where linearization is valid. To analyze the resilience of the slow component, we consider the dynamics of the system close to a fixed point <inline-formula id="inf13">
<mml:math id="m16">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In particular, we are interested in the time-evolution of the phase deviations <inline-formula id="inf14">
<mml:math id="m17">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</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:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</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:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> for <inline-formula id="inf15">
<mml:math id="m18">
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf16">
<mml:math id="m19">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</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:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</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:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> for <inline-formula id="inf17">
<mml:math id="m20">
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> whose dynamics at the first order reads,<disp-formula id="e4">
<mml:math id="m21">
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(4)</label>
</disp-formula>where we defined the matrix<disp-formula id="e5">
<mml:math id="m22">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="cases">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="1em"/>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
</mml:mstyle>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="1em"/>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(5)</label>
</disp-formula>which is the Jacobian of the system and is a Laplacian matrix when phase differences are between <inline-formula id="inf18">
<mml:math id="m23">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf19">
<mml:math id="m24">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
</inline-formula>. Using Mori-Zwanzig formalism (<xref ref-type="bibr" rid="B25">Mori, 1965</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B48">Zwanzig, 1973</xref>) with <bold>x</bold> and <bold>y</bold> being respectively the resolved and unresolved variables (see <xref ref-type="sec" rid="s11">Supplementary Material Appendix A</xref>), one can express the first row of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">4</xref> as,<disp-formula id="e6">
<mml:math id="m25">
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
</mml:mstyle>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
</mml:mstyle>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
</mml:mstyle>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
</mml:mstyle>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
</mml:mstyle>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
</mml:mstyle>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(6)</label>
</disp-formula>where we denoted <bold>w</bold>
<sub>
<italic>&#x3b1;</italic>
</sub> the eigenvectors of <inline-formula id="inf20">
<mml:math id="m26">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> with corresponding eigenvalues <italic>&#x3bd;</italic>
<sub>
<italic>&#x3b1;</italic>
</sub> &#x3c; 0. In Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">6</xref>, the first two terms on the right-hand side are Markovian, i.e., they do not depend on the history of the trajectories, while the other ones have memory and thus do depend on the history. We are interested in the time-evolution of the slow component <bold>x</bold> when there is a timescale separation, i.e., <italic>&#x3f5;</italic> &#x2192; 0. Taking the latter limit in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">6</xref>, and using <inline-formula id="inf21">
<mml:math id="m27">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>lim</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>f</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:math>
</inline-formula> (see <xref ref-type="sec" rid="s11">Supplementary Material Appendix B</xref>), and the identity <inline-formula id="inf22">
<mml:math id="m28">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22a4;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>, yields in a matrix form,<disp-formula id="e7">
<mml:math id="m29">
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3be;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(7)</label>
</disp-formula>where in the second line we defined the reduced Jacobian <inline-formula id="inf23">
<mml:math id="m30">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>, and denoted the noise term as <inline-formula id="inf24">
<mml:math id="m31">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3be;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>. It is interesting to note that the reduced dynamics given by Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">7</xref> can be obtained by a Kron reduction (<xref ref-type="bibr" rid="B20">Kron, 1939</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B6">D&#xf6;rfler and Bullo, 2012</xref>) of the fast component of the system (see (<xref ref-type="bibr" rid="B41">Tyloo et al., 2023</xref>) for an example). The dynamics of the slow component is then governed by Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">7</xref> where the effective noise at the <italic>i</italic>th oscillator is a combination of the noise at the <italic>i</italic>th oscillator with a superposition of the noise inputs at oscillators belonging to the fast component. For undirected coupling as we consider in the following, one has that <inline-formula id="inf25">
<mml:math id="m32">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22a4;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>. The linear system Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">7</xref> can be solved by expanding over the eigenmodes of <bold>J</bold>
<sub>red</sub> denoted <bold>u</bold>
<sub>
<italic>&#x3b1;</italic>
</sub>, with corresponding eigenvalues <italic>&#x3bb;</italic>
<sub>
<italic>&#x3b1;</italic>
</sub>, <inline-formula id="inf26">
<mml:math id="m33">
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>, i.e., <bold>x</bold>(<italic>t</italic>) &#x3d; <italic>&#x2211;</italic>
<sub>
<italic>&#x3b1;</italic>
</sub>
<italic>c</italic>
<sub>
<italic>&#x3b1;</italic>
</sub>(<italic>t</italic>)<bold>u</bold>
<sub>
<italic>&#x3b1;</italic>
</sub>. As <bold>J</bold>
<sub>red</sub> is also the negative of a Laplacian matrix, one has that <inline-formula id="inf27">
<mml:math id="m34">
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> with <inline-formula id="inf28">
<mml:math id="m35">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:math>
</inline-formula>. The expansion coefficients satisfy the uncoupled differential equations,<disp-formula id="e8">
<mml:math id="m36">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3be;</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(8)</label>
</disp-formula>Assuming a vanishing initial condition, the general solution to Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">7</xref> is given by,<disp-formula id="e9">
<mml:math id="m37">
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
</mml:mstyle>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3be;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
</mml:mstyle>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(9)</label>
</disp-formula>for <inline-formula id="inf29">
<mml:math id="m38">
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>. One remarks that, if <inline-formula id="inf30">
<mml:math id="m39">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula>, then all the oscillators in the slow component drift simultaneously together in time, i.e., along <bold>u</bold>
<sub>1</sub>. Such a homogeneous overall shift in the phases of all the oscillators in the slow component does not change the system. Indeed, this is due to the global rotational symmetry of the original system Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e3">3</xref>, and the timescale separation. Accordingly, in the following, all the averages over time or noise sequences, denoted &#x27e8;.&#x27e9;, correspond to contributions orthogonal to <bold>u</bold>
<sub>1</sub>. The expression Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">9</xref> can be used directly to calculate the moments of the phase deviations.</p>
</sec>
<sec id="s2-3">
<title>2.3 Fluctuations from the synchronized state</title>
<p>Various characteristics of the response can be used to determine the resilience of the coupled oscillators. When subject to stochastic inputs, a natural choice is to evaluate the magnitude of the deviations from the synchronized fixed point by calculating the variance of the phase deviations. Here, we consider time-correlated noise of the form given below Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">1</xref>, with <inline-formula id="inf31">
<mml:math id="m40">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> if <inline-formula id="inf32">
<mml:math id="m41">
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf33">
<mml:math id="m42">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> if <inline-formula id="inf34">
<mml:math id="m43">
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf35">
<mml:math id="m44">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf36">
<mml:math id="m45">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> are the typical correlation times respectively, in the slow and fast component. This noise translates into the reduced noise as <inline-formula id="inf37">
<mml:math id="m46">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e8;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</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>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</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>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</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:mspace width="0.17em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</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:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The variance of the phase deviations in the slow component is defined as <inline-formula id="inf38">
<mml:math id="m47">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e8;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</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:mo stretchy="false">&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and simply denoted as <inline-formula id="inf39">
<mml:math id="m48">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e8;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the rest of this manuscript to shorten the notation. It is calculated from Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">9</xref> and reads in the long time limit (see <xref ref-type="sec" rid="s11">Supplementary Material Appendix C</xref>),<disp-formula id="e10">
<mml:math id="m49">
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e8;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
</mml:mstyle>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
</mml:mstyle>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(10)</label>
</disp-formula>with the scalar <inline-formula id="inf40">
<mml:math id="m50">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22a4;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>. In Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">10</xref>, we set the standard deviation of the ambient noise in the slow and fast components respectively, to <inline-formula id="inf41">
<mml:math id="m51">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf42">
<mml:math id="m52">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>. We also set distinct homogeneous correlation times for the noise in each component as <inline-formula id="inf43">
<mml:math id="m53">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> for <inline-formula id="inf44">
<mml:math id="m54">
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf45">
<mml:math id="m55">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> for <inline-formula id="inf46">
<mml:math id="m56">
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>. While the contribution to the variance from the additive noise in the slow component is essentially given by the position of the oscillators on the slowest eigenmodes, the effect of the noise coming from the fast component involves combinations of eigenmodes. The precise combination depends on the effective reduced dynamics through &#x393;<sub>
<italic>&#x3b1;&#x3b2;</italic>
</sub>. The shortest timescale in the system is set by the oscillators belonging to <inline-formula id="inf47">
<mml:math id="m57">
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>. However, by tuning the correlation time of the noise <inline-formula id="inf48">
<mml:math id="m58">
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>, one can investigate the regimes where the <inline-formula id="inf49">
<mml:math id="m59">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x226a;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula> and <italic>&#x3bb;</italic>
<sub>2</sub>
<italic>&#x3c4;</italic> &#x226B; 1. Indeed, in the limit where the noise correlation time is shorter than the timescales of the slow component and the same in both components, the variance becomes,<disp-formula id="e11">
<mml:math id="m60">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e8;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
</mml:mstyle>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
</mml:mstyle>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(11)</label>
</disp-formula>In the other limit where the noise correlation time is the longest timescale, one has,<disp-formula id="e12">
<mml:math id="m61">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e8;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
</mml:mstyle>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
</mml:mstyle>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(12)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Comparing the two limiting cases Eqs <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">11</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">12</xref>, one remarks that in both variances, a significant contribution might come from the slowest eigenmodes. Note also that Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">10</xref> is more generally valid in the case where <inline-formula id="inf50">
<mml:math id="m62">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf51">
<mml:math id="m63">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> are different.</p>
<p>In the <xref ref-type="sec" rid="s11">Supplementary Material Appendix D</xref>, we give the variance of the phases when there is no timescale separation.</p>
<p>To obtain more insights into the contribution from the fast component, let us consider specific situations in the strong coupling limit.</p>
</sec>
<sec id="s2-4">
<title>2.4 Strong coupling limit</title>
<p>In the strong coupling limit, one has <inline-formula id="inf52">
<mml:math id="m64">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x226a;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mo>&#x2200;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, so that one can approximate the Jacobian Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e5">5</xref> as,<disp-formula id="e13">
<mml:math id="m65">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="cases">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="1em"/>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
</mml:mstyle>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="1em"/>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(13)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Within this coupling limit and some other assumptions that are specified below, one can further consider network structures that give more insights about Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">10</xref>.</p>
<sec id="s2-4-1">
<title>2.4.1 Disconnected oscillators in the fast component</title>
<p>In the simple scenario where only a single oscillator <italic>l</italic> belongs to the fast component while all the others are in the slow one, <inline-formula id="inf53">
<mml:math id="m66">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> is a scalar such that <inline-formula id="inf54">
<mml:math id="m67">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> is the inverse of the squared weighted degree of the fast oscillator indexed by <italic>l</italic>. Therefore, one has <inline-formula id="inf55">
<mml:math id="m68">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</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:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf56">
<mml:math id="m69">
<mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the set of oscillators in the slow component connected to the fast oscillator <italic>l</italic>. The contribution from the second term in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">10</xref> therefore depends on the location of the oscillators on the slowest eigenmodes of the reduced Jacobian. This situation easily generalizes to the case of multiple oscillators in the fast component that are not connected as shown in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref>. One then has <inline-formula id="inf57">
<mml:math id="m70">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</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:math>
</inline-formula>, where we took the sum over all the oscillators in the fast component. Due to the dependence of &#x393;<sub>
<italic>&#x3b1;&#x3b2;</italic>
</sub> on <inline-formula id="inf58">
<mml:math id="m71">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</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:math>
</inline-formula> and <italic>b</italic>
<sub>
<italic>l</italic>
</sub>, we expect the contribution to the variance from the fast component to be rather small in general.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>FIGURE 1</label>
<caption>
<p>Connectivity where oscillators in the fast component are disconnected. The fast oscillators are shown in red while the slow oscillators are shown in blue.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fnetp-04-1399352-g001.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s2-4-2">
<title>2.4.2 All-to-all coupling from fast to slow component</title>
<p>When the oscillators in the fast component that have inter-component connections are connected to all the oscillators in the slow component with homogeneous coupling, i.e., <inline-formula id="inf59">
<mml:math id="m72">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mo>&#x2200;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, with <inline-formula id="inf60">
<mml:math id="m73">
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> (see <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref>), the second term in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">10</xref> vanishes. Indeed, in such a situation, the columns of the matrix <inline-formula id="inf61">
<mml:math id="m74">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22a4;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> corresponding to the inter-component coupling are full of <italic>b<sub>l</sub>
</italic>&#x2019;s and as <bold>u</bold>
<sub>1</sub>&#x22c5;<bold>u</bold>
<sub>
<italic>&#x3b1;</italic>
</sub> &#x3d; <italic>&#x3b4;</italic>
<sub>1<italic>&#x3b1;</italic>
</sub> by orthogonality of the eigenmodes, one has that &#x393;<sub>
<italic>&#x3b1;&#x3b2;</italic>
</sub> &#x3d; 0 for all <inline-formula id="inf62">
<mml:math id="m75">
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>. Intuitively, if the signal from one oscillator in the fast component is transmitted with the same strength to all the oscillators in the slow one, then it will result in an overall phase shift without affecting the fixed point. However, if the coupling is not homogeneous between the slow and fast components, the variance will be different from zero.</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>FIGURE 2</label>
<caption>
<p>Connectivity where oscillators in the fast component with inter-component connections are connected to all the oscillators in the slow component (see inset). The fast oscillators are shown in red while the slow oscillators are shown in blue.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fnetp-04-1399352-g002.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s2-4-3">
<title>2.4.3 All-to-all from slow to fast component</title>
<p>In the opposite case where only a single oscillator in the slow component is homogeneously connected to all the oscillators in the fast one (see <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref>), the intra-component structure of the coupling within the fast component does not influence the propagation of the noise. Indeed, if <inline-formula id="inf63">
<mml:math id="m76">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mo>&#x2200;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> where here <inline-formula id="inf64">
<mml:math id="m77">
<mml:mi mathvariant="script">M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the set of oscillators in the fast component connected to the <italic>l</italic>th oscillator in the slow component, one has <inline-formula id="inf65">
<mml:math id="m78">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>. Therefore, only the size of the fast component and not the intra-component network structure of the oscillators influence the variance in the slow one. This can be generalized to the case where multiple oscillators in slow component are connected to all the ones in the fast component. One then has, <inline-formula id="inf66">
<mml:math id="m79">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> with <inline-formula id="inf267">
<mml:math id="m280">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> the set of oscillators in the slow component with all-to-all connections to the fast one whose size is denoted m. Here, we assumed that the inter-component coupling strength is homogeneous.</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>FIGURE 3</label>
<caption>
<p>Connectivity where a single oscillator in the slow component is connected to all the oscillators in the fast one. The fast oscillators are shown in red while the slow oscillators are shown in blue.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fnetp-04-1399352-g003.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s2-4-4">
<title>2.4.4 Layered networks</title>
<p>An interesting case arises when oscillators are connected on layered networks so that the fast component is on one layer, the slow one on another layer, and the two layers are connected together. In the specific scenario where each fast oscillator is connected to a single distinct oscillator in the slow component and the number of units in the layers is the same, one has that <inline-formula id="inf67">
<mml:math id="m80">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> is a diagonal matrix (up to a permutation of the oscillators indices). This is illustrated in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref>. If one further assumes that the inter-layer coupling is homogeneous, i.e., <inline-formula id="inf68">
<mml:math id="m81">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi mathvariant="double-struck">I</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> is a multiple of the identity matrix, one has that the eigenbases of <bold>J</bold>
<sub>red</sub> and <inline-formula id="inf69">
<mml:math id="m82">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> satisfy the following relations.<disp-formula id="e14">
<mml:math id="m83">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(14)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e15">
<mml:math id="m84">
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(15)</label>
</disp-formula>with <inline-formula id="inf70">
<mml:math id="m85">
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> and where the eigenmodes of <inline-formula id="inf71">
<mml:math id="m86">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> are denoted <bold>v</bold>
<sub>
<italic>&#x3b2;</italic>
</sub> with corresponding eigenvalues <italic>&#x3bc;</italic>
<sub>
<italic>&#x3b2;</italic>
</sub>. Noticing that <inline-formula id="inf72">
<mml:math id="m87">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is a monotonically increasing function of <italic>&#x3bc;</italic>
<sub>
<italic>&#x3b2;</italic>
</sub>, one has a one-to-one correspondence between the eigenmodes of <bold>J</bold>
<sub>red</sub> and <inline-formula id="inf73">
<mml:math id="m88">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> such that <bold>u</bold>
<sub>
<italic>&#x3b1;</italic>
</sub> &#x3d; <bold>v</bold>
<sub>
<italic>&#x3b1;</italic>
</sub> and <inline-formula id="inf74">
<mml:math id="m89">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for <inline-formula id="inf75">
<mml:math id="m90">
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>. Given the specific structure of the coupling, one further has that <inline-formula id="inf76">
<mml:math id="m91">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> where <italic>&#x3b3;</italic>
<sub>
<italic>&#x3b2;</italic>
</sub> are the eigenvalues of the Jacobian in each of the layers when removing the inter-layer coupling. Assuming that the noise amplitudes as well as the correlation times are the same in both components, one can rewrite Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">10</xref> as,<disp-formula id="e16">
<mml:math id="m92">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e8;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</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:mstyle displaystyle="true">
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
</mml:mstyle>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(16)</label>
</disp-formula>One can also calculate the variance when there is no timescale separation by remarking that the eigenmodes of the full Jacobian Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e5">5</xref> are given by <inline-formula id="inf77">
<mml:math id="m93">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22a4;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:math>
</inline-formula> with corresponding eigenvalues <inline-formula id="inf78">
<mml:math id="m94">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for <inline-formula id="inf79">
<mml:math id="m95">
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Using Eq. D1 in the <xref ref-type="sec" rid="s11">Supplementary Material</xref>, the variance then reads,<disp-formula id="e17">
<mml:math id="m96">
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e8;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</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:mstyle displaystyle="true">
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
</mml:mstyle>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</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:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(17)</label>
</disp-formula>While Eqs <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">16</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e17">17</xref> are different in general, they become similar when one takes the two limits of short and long correlation times. In particular, in the long correlation time limit, they only differ by a constant term given by the second term in the right-hand side of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e17">17</xref>. We therefore expect similar variances in the cases with and without timescale separation.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>FIGURE 4</label>
<caption>
<p>Connectivity in layers where the fast oscillators are shown in red in the top layer while the slow oscillators are shown in blue in the bottom layer. Each oscillator in one of the layers can be connected only to a single oscillator in the other layer.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fnetp-04-1399352-g004.tif"/>
</fig>
<p>In the following section, we illustrate and confirm numerically the results discussed so far.</p>
</sec>
</sec>
</sec>
<sec id="s3">
<title>3 Numerical results</title>
<p>Here, we first numerically confirm the theory by analyzing a network where the oscillators in the fast and slow components are randomly chosen. Then, we illustrate the theory for the specific structures discussed in <xref ref-type="sec" rid="s2">Section 2</xref>.</p>
<sec id="s3-1">
<title>3.1 Fast and slow components randomly chosen</title>
<p>We start by checking the analytical prediction when the oscillators in both components are randomly chosen. In <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref>, we consider a Watts-Strogatz network (<xref ref-type="bibr" rid="B26">Newman, 2018</xref>) with <italic>m</italic> &#x3d; 4 initial nearest neighbors and a rewiring probability <italic>p</italic>
<sub>rewiring</sub> &#x3d; 0.1, of size <inline-formula id="inf80">
<mml:math id="m97">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>40</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula>, with respectively <inline-formula id="inf81">
<mml:math id="m98">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>21</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf82">
<mml:math id="m99">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>19</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula> oscillators in each component. The timescale separation is numerically simulated by taking the limit <inline-formula id="inf83">
<mml:math id="m100">
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:munder accentunder="false">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo accent="true">&#x332;</mml:mo>
</mml:munder>
<mml:mo>&#x226a;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula>. In <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref>, we show the variance of the oscillators belonging to <inline-formula id="inf84">
<mml:math id="m101">
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> for different values of 0 &#x3c; <italic>&#x3f5;</italic> &#x2264; 1. One observes that, for <italic>&#x3f5;</italic> &#x3d; 1, i.e., no timescale separation such that all the oscillators belong to <inline-formula id="inf85">
<mml:math id="m102">
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, the variance follows the analytical prediction of Eq. D1 in the <xref ref-type="sec" rid="s11">Supplementary Material</xref>. Note that we are only showing the oscillators that belongs the slow component when <italic>&#x3f5;</italic> &#x3c; 1. When <italic>&#x3f5;</italic> &#x3d; 0.5, the variance differ from both prediction Eqs. (D1), (10). Eventually, for <italic>&#x3f5;</italic> &#x3d; 0.01, the numerical simulations follow the analytical prediction of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">10</xref>, which corresponds to a system with a timescale separation. Besides confirming the theoretical prediction, <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref> shows that a timescale separation can induce significant changes in the variance of the oscillators in the slow component. Indeed, the variance of oscillator 19 when <italic>&#x3f5;</italic> &#x3d; 1 is approximately three times smaller than when <italic>&#x3f5;</italic> &#x3d; 0.01.</p>
<fig id="F5" position="float">
<label>FIGURE 5</label>
<caption>
<p>Variance of the phases in the slow component for the Watts-Strogatz network, with <inline-formula id="inf86">
<mml:math id="m103">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>40</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula> nodes <inline-formula id="inf87">
<mml:math id="m104">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>19</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <italic>p</italic>
<sub>rewiring</sub> &#x3d; 0.1 and four initial nearest neighbors, shown in the two top panels. The oscillators in the fast component are depicted by grey squares in the top right panel. In the lower panel, different colors for the dots correspond to different values of the timescale parameter <italic>&#x3f5;</italic>. The dashed and solid black lines give the theoretical prediction, respectively, when there is no timescale separation (<italic>&#x3f5;</italic> &#x3d;1.0) and when there is a timescale separation (<italic>&#x3f5;</italic> &#x2192; 0). The variance depicted by the dots is obtained by time-evolving Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">1</xref> over a single run. The noise correlation time is set to <inline-formula id="inf88">
<mml:math id="m105">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.5</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:munder accentunder="false">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo accent="true">&#x332;</mml:mo>
</mml:munder>
</mml:math>
</inline-formula>, and amplitude to <inline-formula id="inf89">
<mml:math id="m106">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:munder accentunder="false">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo accent="true">&#x332;</mml:mo>
</mml:munder>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.4</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula>. The natural frequencies of the oscillators satisfy var [<italic>&#x3c9;</italic>
<sub>
<italic>i</italic>
</sub>]&#x3d;0.01.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fnetp-04-1399352-g005.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s3-2">
<title>3.2 Disconnected oscillators in the fast component</title>
<p>We then move to the case described <xref ref-type="sec" rid="s2-4">Section 2.4</xref> where the oscillators in the fast component are disconnected. In <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6</xref>, we numerically simulate the dynamics of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">1</xref> on a Watts-Strogatz network with <italic>m</italic> &#x3d; 4 initial nearest neighbors and a rewiring probability <italic>p</italic>
<sub>rewiring</sub> &#x3d; 0.3, of size <inline-formula id="inf90">
<mml:math id="m107">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>20</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula>, with respectively <inline-formula id="inf91">
<mml:math id="m108">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>17</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf92">
<mml:math id="m109">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula> oscillators in each component. For the oscillators in the fast component, we picked the two oscillators with highest and lowest degrees, plus an additional one with an intermediate degree. As expected, we find that the effect of the timescale separation is limited to the oscillators directly connected to those in the fast compoenent. Overall, compared to the case without any timescale separation, the variance is not much affected.</p>
<fig id="F6" position="float">
<label>FIGURE 6</label>
<caption>
<p>Variance of the phases in the slow component for the Watts-Strogatz network shown in the top panels, with <inline-formula id="inf93">
<mml:math id="m110">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>20</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula> nodes <inline-formula id="inf94">
<mml:math id="m111">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>17</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <italic>p</italic>
<sub>rewiring</sub> &#x3d; 0.3 and four nearest neighbors. The oscillators in the fast component are depicted by grey squares in the top right panels. The top panels correspond to the short correlation time limit while the middle ones correspond to the long correlation time limit. In the lower panel, the dashed and solid lines give the theoretical prediction, respectively, when there is no timescale separation (<italic>&#x3f5;</italic> &#x3d; 1.0) and when there is a timescale separation (<italic>&#x3f5;</italic> &#x2192; 0). The variance depicted by the dots and crosses is obtained by time-evolving Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">1</xref> over a single run. The noise amplitude is set to <inline-formula id="inf95">
<mml:math id="m112">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:munder accentunder="false">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo accent="true">&#x332;</mml:mo>
</mml:munder>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.4</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula>. The natural frequencies of the oscillators satisfy var [<italic>&#x3c9;</italic>
<sub>
<italic>i</italic>
</sub>] &#x3d; 0.01.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fnetp-04-1399352-g006.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s3-3">
<title>3.3 All-to-all coupling from fast to slow component</title>
<p>We consider the situation described in <xref ref-type="sec" rid="s2-4-2">Section 2.4.2</xref> where oscillators in the fast component that have some connections to the slow ones, are connected to all of them. The numerical results are shown on <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7</xref> where this particular setting has been simulated for a modified Erd&#x151;s-R&#xe9;nyi network of <inline-formula id="inf96">
<mml:math id="m113">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>13</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula> oscillators with various correlation times of the noise and different levels of heterogeneity in the natural frequencies. Here, only the fast component is subjected to noise, while the slow component is noiseless. One observes that increasing the heterogeneity in the natural frequencies of the oscillators induces larger variances for the phase deviations. Not shown on <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7</xref> is the homogeneous case of oscillators with identical natural frequencies, for which the variance vanishes as predicted in <xref ref-type="sec" rid="s2-4-2">Section 2.4.2</xref>. While the heterogeneity increases the noise transmission from the fast to the slow component, one observes that the amplitude of the deviations is still rather small in <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7</xref>. Besides <inline-formula id="inf97">
<mml:math id="m114">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22a4;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> being small, this is because the oscillators in the fast component with inter-component connections have relatively large degrees, which directly reduces the noise transmission in <inline-formula id="inf98">
<mml:math id="m115">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x393;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22a4;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<fig id="F7" position="float">
<label>FIGURE 7</label>
<caption>
<p>Variance of the phase deviations at every oscillator in the slow component. The variance is obtained by time-evolving Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">1</xref> for a modified Erd&#x151;s-R&#xe9;nyi network of 13 oscillators where three oscillators in the fast component are connected to all the oscillators in the slow component (see inset). The ratio of the damping parameters in the slow and fast component is <inline-formula id="inf99">
<mml:math id="m116">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:munder accentunder="false">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo accent="true">&#x332;</mml:mo>
</mml:munder>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.01</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula>. The natural frequencies are such that var [<italic>&#x3c9;</italic>] &#x3d; 0.41 for the orange and blue points and var [<italic>&#x3c9;</italic>]&#x3d;1.64 for the red and grey ones. Each dot and cross is obtained by time-averaging the variance over a single simulation of the dynamics while the solid lines give the theory Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">10</xref>. The noise amplitude is <inline-formula id="inf100">
<mml:math id="m117">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:munder accentunder="false">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo accent="true">&#x332;</mml:mo>
</mml:munder>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.1</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fnetp-04-1399352-g007.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s3-4">
<title>3.4 All-to-all from slow to fast component</title>
<p>In the other situation where some oscillators in the slow components are connected to a large fraction of the oscillators in the fast component, we showed in <xref ref-type="sec" rid="s2-4-3">Section 2.4.3</xref> that their variance is more important than oscillators with fewer or no connection to the fast component. This result is particularly interesting and intriguing, as in the regular situation where there is no timescale separation, oscillators that have a larger number of connections to the other elements typically have a smaller variance (<xref ref-type="bibr" rid="B40">Tyloo et al., 2019</xref>). Indeed, this is first illustrated in <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8</xref> where the variance of each oscillator is given by the color map when there is no timescale separation (left top panels), and when there is a timescale separation (right top panels). In both correlation time limits (with <inline-formula id="inf101">
<mml:math id="m118">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>), one observes that oscillators belonging to <inline-formula id="inf102">
<mml:math id="m119">
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> having smaller variances in the left top and middle panels are among the ones with larger variances in the right top and middle panels. In particular for the long correlation time limit, one also observes that the timescale separation modifies the variance of the oscillators far from the fast component. The theory and the numerical simulations for the two systems with and without timescale separation are confirmed in the bottom panel of <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8</xref>. We then move to the case where the noise correlation times are different in each component. In <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9</xref>, we show both limits <inline-formula id="inf103">
<mml:math id="m120">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf104">
<mml:math id="m121">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x226a;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula> (top panels), and <inline-formula id="inf105">
<mml:math id="m122">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x226a;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf106">
<mml:math id="m123">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula> (middle panels). Similar amplification of the fluctuations as in the previous case are observed. However, comparing the left and right middle panels, one remarks that some oscillators well connected to the fast component keep rather small variances while others having fewer connections become more vulnerable.</p>
<fig id="F8" position="float">
<label>FIGURE 8</label>
<caption>
<p>Variance of the phase deviations at every oscillator in the slow component when there is a timescale separation (right panels) and when there is no timescale separation (left panels), for a modified Watts-Strogatz network of <inline-formula id="inf107">
<mml:math id="m124">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>30</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula> where node one is connected to all the oscillators in the fast component. The oscillators depicted by grey squares are in the fast component while all the others are in the slow component. The top panels correspond to the short correlation time limit while the middle ones correspond to the long correlation time limit. The variance depicted by the dots and crosses is numerically obtained by time-averaging over a single realization of the dynamics Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">1</xref>. In the lower panel, the dashed and solid lines give the theoretical prediction, respectively, when there is no timescale separation (<italic>&#x3f5;</italic> &#x3d; 1.0) and when there is a timescale separation (<italic>&#x3f5;</italic> &#x2192; 0). The natural frequencies are such that var [<italic>&#x3c9;</italic>] &#x3d; 0.03. The noise amplitude is <inline-formula id="inf108">
<mml:math id="m125">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:munder accentunder="false">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo accent="true">&#x332;</mml:mo>
</mml:munder>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.2</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fnetp-04-1399352-g008.tif"/>
</fig>
<fig id="F9" position="float">
<label>FIGURE 9</label>
<caption>
<p>Variance of the phase deviations at every oscillator in the slow component when there is a timescale separation (right panels) and when there is no timescale separation (left panels), for a modified Watts-Strogatz network of <inline-formula id="inf109">
<mml:math id="m126">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>30</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula> where node one is connected to all the oscillators in the fast component. The oscillators depicted by grey squares are in the fast component while all the others are in the slow component. The top panels correspond <inline-formula id="inf110">
<mml:math id="m127">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf111">
<mml:math id="m128">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x226a;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula>, and the middle panels to <inline-formula id="inf112">
<mml:math id="m129">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x226a;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf113">
<mml:math id="m130">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula>. The variance depicted by the dots and crosses is numerically obtained by time-averaging over a single realization of the dynamics Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">1</xref>. In the lower panel, the dashed and solid lines give the theoretical prediction, respectively, when there is no timescale separation (<italic>&#x3f5;</italic> &#x3d; 1.0) and when there is a timescale separation (<italic>&#x3f5;</italic> &#x2192;0). The natural frequencies are such that var [<italic>&#x3c9;</italic>] &#x3d; 0.03. The noise amplitude is <inline-formula id="inf114">
<mml:math id="m131">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:munder accentunder="false">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo accent="true">&#x332;</mml:mo>
</mml:munder>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.2</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fnetp-04-1399352-g009.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s3-5">
<title>3.5 Layered networks</title>
<p>Here, we check the theory when the system is defined on a layered network, i.e., the slow and fast components each corresponds to one layer. We consider the specific setting where both layers have the same network connectivity and the inter-layer coupling is made through single connections between corresponding oscillators in each component (such structure are sometimes called <italic>multiplex</italic> (<xref ref-type="bibr" rid="B26">Newman, 2018</xref>)). In <xref ref-type="fig" rid="F10">Figure 10</xref>, the numerical simulations for the variance (dots and crosses) match the theory Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">10</xref> and Eq. D1 in the <xref ref-type="sec" rid="s11">Supplementary Material</xref> (solid and dashed lines) for various correlation times of the noise (homogeneous, i.e., <inline-formula id="inf115">
<mml:math id="m132">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>). The blue and orange data points correspond to the situation where there is a timescale separation between the two components, while for the red and green ones, there is no timescale separation. Interestingly, one observes that the two different situations produce similar variances for the phases. As predicted in <xref ref-type="sec" rid="s2-4-4">Section 2.4.4</xref>, in the limit where <italic>&#x3c4;</italic> is the longest timescale in the system, the variances in the two situations are close to each other (green and red data points in <xref ref-type="fig" rid="F10">Figure 10</xref>). A similar effect is observed in the short correlation time limit, where the variance is only marginally impacted by the timescale separation. We do not show but found similar behavior in the case of heterogeneous noise correaltion time in the two components. This indicates that networks having a layered structure are robust to timescale separation when the slow and fast components are defined on each layer.</p>
<fig id="F10" position="float">
<label>FIGURE 10</label>
<caption>
<p>Variance of the phase deviations at every oscillator in the slow component. The variance is obtained by time-evolving Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">1</xref> for a layered network made of two copies of an Erd&#x151;s-R&#xe9;nyi network of 15 oscillators with edge probability 0.28 (see top panel). One layer is the fast component while the other is the slow one as depicted in the above network. The natural frequencies are identical and vanishing for all oscillators. Each dot and cross is obtained by time-averaging the variance over a single simulation of the dynamics. The solid and dashed curves give respectively, the theory Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">10</xref> when there is no timescale separation (<italic>&#x3f5;</italic> &#x3d; 1), and when there is a timescale separation (<italic>&#x3f5;</italic> &#x3d;0.01). The noise amplitude is <inline-formula id="inf116">
<mml:math id="m133">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:munder accentunder="false">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo accent="true">&#x332;</mml:mo>
</mml:munder>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.1</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fnetp-04-1399352-g010.tif"/>
</fig>
</sec>
</sec>
<sec sec-type="conclusion" id="s4">
<title>4 Conclusion</title>
<p>Physiological systems are composed of a multitude of synchronized dynamical units evolving on various timescales. It is therefore relevant to investigate how these different timescales impact the synchronization dynamics of networked phase oscillators. Here, we considered networks of synchronized phase oscillators where a timescale separation divides the units into a slow and a fast component. Using Mori-Zwanzig formalism, we derived a reduced dynamical system describing the time-evolution of the slow component. We used the latter to assess the resilience of the slow component by calculating the variance of the phase deviations. We obtained a closed-form expression for the variance of each oscillator as a function of the eigenmodes of the reduced Jacobian. Interestingly, noise propagation from the fast to the slow component essentially depends on the mixing of the different eigenmodes. The precise mixing is given by the inter- and intra-component coupling structures. In particular, we showed that oscillators that have a small variance when there is no timescale separation, might have a strongly amplified variance when there is a timescale separation and they have numerous connections to the fast component. Also, we found that when the fast and slow components are connected over a layered structure, the variance of the oscillators is mostly insensitive to a timescale separation. When oscillators in the fast component are disconnected, the effect of the timescale separation remains local.</p>
<p>The theory presented here highlights the importance of timescales to assess the resilience of coupled phase oscillators. Some oscillators that might be the most robust within one ratio of the timescales, might become the most fragile ones for another ratio (see <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F9">9</xref>).</p>
<p>While the results of this manuscript were obtained for Kuramoto oscillators, they apply more generally to coupled dynamical system evolving close to a stable fixed point, so that the linear approximation is valid. For example, one could use the same framework to investigate coupled dynamical systems with adaptive coupling strength close to a stable fixed point. In this case, the linearization Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">4</xref> will include the dynamics of the coupling strength. One can then choose which variables will undergo a timescale separation, i.e., which variables belong to the slow and fast components.</p>
</sec>
<sec id="s5">
<title>5 Future work</title>
<p>The present manuscript focused on a single timescale separation where the oscillators are separated into a slow and a fast component. Future research should consider more than one timescale separation to model more precisely dynamics such as physiological networks, as described in the introduction. Also, we focused here on the slow component, but one should evaluate the resilience of the fast component as well. Another assumption of these results, is that the noise is small enough such that we can only consider the small fluctuation of the slow component. One could consider transition between basins of attraction, and evaluate how the rate of large deviations is affected by the timescale separation.</p>
</sec>
</body>
<back>
<sec sec-type="data-availability" id="s6">
<title>Data availability statement</title>
<p>The original contributions presented in the study are included in the article/<xref ref-type="sec" rid="s11">Supplementary Material</xref>, further inquiries can be directed to the corresponding author.</p>
</sec>
<sec id="s7">
<title>Author contributions</title>
<p>MT: Conceptualization, Data curation, Formal Analysis, Funding acquisition, Investigation, Methodology, Project administration, Resources, Software, Supervision, Validation, Visualization, Writing&#x2013;original draft, Writing&#x2013;review and editing.</p>
</sec>
<sec sec-type="funding-information" id="s8">
<title>Funding</title>
<p>The author(s) declare that financial support was received for the research, authorship, and/or publication of this article. This work has been supported by the Laboratory Directed Research and Development program of Los Alamos National Laboratory under project numbers 20220797PRD2 and 20220774ER and by U.S. DOE/OE as part of the DOE Advanced Sensor and Data Analytics Program.</p>
</sec>
<ack>
<p>We thank Francesco Caravelli for useful discussions.</p>
</ack>
<sec sec-type="COI-statement" id="s9">
<title>Conflict of interest</title>
<p>The author declares 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>
<sec sec-type="disclaimer" id="s10">
<title>Publisher&#x2019;s note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<sec id="s11">
<title>Supplementary material</title>
<p>The Supplementary Material for this article can be found online at: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnetp.2024.1399352/full#supplementary-material">https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnetp.2024.1399352/full&#x23;supplementary-material</ext-link>
</p>
<supplementary-material xlink:href="Presentation1.pdf" id="SM1" mimetype="application/pdf" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
</sec>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Acebr&#xf3;n</surname>
<given-names>J. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bonilla</surname>
<given-names>L. L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>P&#xe9;rez Vicente</surname>
<given-names>C. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ritort</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Spigler</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2005</year>). <article-title>The Kuramoto model: a simple paradigm for synchronization phenomena</article-title>. <source>Rev. Mod. Phys.</source> <volume>77</volume>, <fpage>137</fpage>&#x2013;<lpage>185</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/revmodphys.77.137</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B2">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Blaabjerg</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Teodorescu</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liserre</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Timbus</surname>
<given-names>A. V.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2006</year>). <article-title>Overview of control and grid synchronization for distributed power generation systems</article-title>. <source>IEEE Trans. industrial Electron.</source> <volume>53</volume>, <fpage>1398</fpage>&#x2013;<lpage>1409</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/tie.2006.881997</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B3">
<citation citation-type="web">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Caravelli</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lin</surname>
<given-names>Y. T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>On the combinatorics of Lotka-Volterra equations</article-title>. <comment>Available at: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://arxiv.org/abs/2308.13653">https://arxiv.org/abs/2308.13653</ext-link>.</comment>
</citation>
</ref>
<ref id="B4">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Delabays</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pagnier</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tyloo</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>Locating fast-varying line disturbances with the frequency mismatch</article-title>. <source>IFAC-PapersOnLine</source> <volume>55</volume>, <fpage>270</fpage>&#x2013;<lpage>275</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ifacol.2022.07.271</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B5">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>DeVille</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2012</year>). <article-title>Transitions amongst synchronous solutions in the stochastic Kuramoto model</article-title>. <source>Nonlinearity</source> <volume>25</volume>, <fpage>1473</fpage>&#x2013;<lpage>1494</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0951-7715/25/5/1473</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B6">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>D&#xf6;rfler</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bullo</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2012</year>). <article-title>Kron reduction of graphs with applications to electrical networks</article-title>. <source>IEEE Trans. Circuits Syst. I Regul. Pap.</source> <volume>60</volume>, <fpage>150</fpage>&#x2013;<lpage>163</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/tcsi.2012.2215780</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B7">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>D&#xf6;rfler</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chertkov</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bullo</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Synchronization in complex oscillator networks and smart grids</article-title>. <source>Proc. Natl. Acad. Sci.</source> <volume>110</volume>, <fpage>2005</fpage>&#x2013;<lpage>2010</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.1212134110</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B8">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Dykman</surname>
<given-names>M. I.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1990</year>). <article-title>Large fluctuations and fluctuational transitions in systems driven by colored Gaussian noise: a high-frequency noise</article-title>. <source>Phys. Rev. A</source> <volume>42</volume>, <fpage>2020</fpage>&#x2013;<lpage>2029</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.42.2020</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B9">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Fries</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2005</year>). <article-title>A mechanism for cognitive dynamics: neuronal communication through neuronal coherence</article-title>. <source>Trends cognitive Sci.</source> <volume>9</volume>, <fpage>474</fpage>&#x2013;<lpage>480</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.tics.2005.08.011</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B10">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Gao</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>van den Brink</surname>
<given-names>R. L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pfeffer</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Voytek</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Neuronal timescales are functionally dynamic and shaped by cortical microarchitecture</article-title>. <source>Elife</source> <volume>9</volume>, <fpage>e61277</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.7554/eLife.61277</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B11">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Gonz&#xe1;lez</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cavelli</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tort</surname>
<given-names>A. B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Torterolo</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rubido</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>Sleep disrupts complex spiking dynamics in the neocortex and hippocampus</article-title>. <source>Plos one</source> <volume>18</volume>, <fpage>e0290146</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1371/journal.pone.0290146</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B12">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Halekotte</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Feudel</surname>
<given-names>U.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Minimal fatal shocks in multistable complex networks</article-title>. <source>Sci. Rep.</source> <volume>10</volume>, <fpage>11783</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41598-020-68805-6</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B13">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hindes</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Myers</surname>
<given-names>C. R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Driven synchronization in random networks of oscillators</article-title>. <source>Chaos</source> <volume>25</volume>, <fpage>073119</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.4927292</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B14">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hindes</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schwartz</surname>
<given-names>I. B.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Rare slips in fluctuating synchronized oscillator networks</article-title>. <source>Chaos</source> <volume>28</volume>, <fpage>071106</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.5041377</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B15">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hindes</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schwartz</surname>
<given-names>I. B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tyloo</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>Stability of Kuramoto networks subject to large and small fluctuations from heterogeneous and spatially correlated noise</article-title>. <source>Chaos</source> <volume>33</volume>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/5.0163992</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B16">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ji</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Peron</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nagler</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Du</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>Structure and function in artificial, zebrafish and human neural networks</article-title>. <source>Phys. Life Rev.</source> <volume>45</volume>, <fpage>74</fpage>&#x2013;<lpage>111</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.plrev.2023.04.004</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B17">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kirillov</surname>
<given-names>S. Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Klinshov</surname>
<given-names>V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nekorkin</surname>
<given-names>V. I.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>The role of timescale separation in oscillatory ensembles with competitive coupling</article-title>. <source>Chaos Interdiscip. J. Nonlinear Sci.</source> <volume>30</volume>, <fpage>051101</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/5.0009074</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B18">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kokotovic</surname>
<given-names>P. V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Allemong</surname>
<given-names>J. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Winkelman</surname>
<given-names>J. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chow</surname>
<given-names>J. H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1980</year>). <article-title>Singular perturbation and iterative separation of time scales</article-title>. <source>Automatica</source> <volume>16</volume>, <fpage>23</fpage>&#x2013;<lpage>33</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0005-1098(80)90083-7</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B19">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kramers</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1940</year>). <article-title>Brownian motion in a field of force and the diffusion model of chemical reactions</article-title>. <source>Physica</source> <volume>7</volume>, <fpage>284</fpage>&#x2013;<lpage>304</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/s0031-8914(40)90098-2</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B20">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kron</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1939</year>) <source>Tensor analysis of networks</source>. <publisher-loc>Cambridge, England</publisher-loc>: <publisher-name>Wiley</publisher-name>.</citation>
</ref>
<ref id="B21">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kuramoto</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1975</year>) <source>International symposium on mathematical problems in theoretical Physics</source>. <publisher-loc>Berlin, Heidelberg</publisher-loc>: <publisher-name>Springer Berlin Heidelberg</publisher-name>, <fpage>420</fpage>&#x2013;<lpage>422</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B22">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kuramoto</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1984</year>). &#x201c;<article-title>Chemical oscillations, waves and turbulence</article-title>,&#x201d; in <source>Springer series in synergetics</source> (<publisher-loc>Berlin, Heidelberg</publisher-loc>: <publisher-name>Springer Berlin Heidelberg</publisher-name>).</citation>
</ref>
<ref id="B23">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Machowski</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bialek</surname>
<given-names>J. W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bumby</surname>
<given-names>J. R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2008</year>) <source>Power system dynamics</source>. <publisher-loc>Chichester, U.K</publisher-loc>: <publisher-name>Wiley</publisher-name>.</citation>
</ref>
<ref id="B24">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Menck</surname>
<given-names>P. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Heitzig</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Marwan</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kurths</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2013</year>). <article-title>How basin stability complements the linear-stability paradigm</article-title>. <source>Nat. Phys.</source> <volume>9</volume>, <fpage>89</fpage>&#x2013;<lpage>92</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nphys2516</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B25">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Mori</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1965</year>). <article-title>Transport, collective motion, and brownian motion</article-title>. <source>Prog. Theor. Phys.</source> <volume>33</volume>, <fpage>423</fpage>&#x2013;<lpage>455</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1143/ptp.33.423</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B26">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Newman</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>) <source>Networks</source>. <publisher-loc>Oxford, United Kingdom</publisher-loc>: <publisher-name>Oxford University Press</publisher-name>.</citation>
</ref>
<ref id="B27">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Pikovsky</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rosenblum</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kurths</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2003</year>) <source>Synchronization: a universal concept in nonlinear sciences</source>. <publisher-loc>Cambridge, United Kingdom</publisher-loc>: <publisher-name>Cambridge University Press</publisher-name>.</citation>
</ref>
<ref id="B28">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Popovych</surname>
<given-names>O. V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tass</surname>
<given-names>P. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2014</year>). <article-title>Control of abnormal synchronization in neurological disorders</article-title>. <source>Front. neurology</source> <volume>5</volume>, <fpage>268</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fneur.2014.00268</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B29">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Rodrigues</surname>
<given-names>F. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Peron</surname>
<given-names>T. K. D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ji</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kurths</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>The Kuramoto model in complex networks</article-title>. <source>Phys. Rep.</source> <volume>610</volume>, <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>98</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.physrep.2015.10.008</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B30">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ronellenfitsch</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dunkel</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wilczek</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Optimal noise-canceling networks</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>121</volume>, <fpage>208301</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.121.208301</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B31">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sch&#xe4;fer</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Matthiae</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rohden</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Timme</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Witthaut</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Escape routes, weak links, and desynchronization in fluctuation-driven networks</article-title>. <source>Phys. Rev. E</source> <volume>95</volume>, <fpage>060203(R)</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.95.060203</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B32">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Soltan</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mazauric</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zussman</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Analysis of failures in power grids</article-title>. <source>IEEE Trans. Control Netw. Syst.</source> <volume>4</volume>, <fpage>288</fpage>&#x2013;<lpage>300</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/tcns.2015.2498464</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B33">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Stiefel</surname>
<given-names>K. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ermentrout</surname>
<given-names>G. B.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Neurons as oscillators</article-title>. <source>J. neurophysiology</source> <volume>116</volume>, <fpage>2950</fpage>&#x2013;<lpage>2960</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1152/jn.00525.2015</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B34">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Strogatz</surname>
<given-names>S. H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2000</year>). <article-title>From Kuramoto to Crawford: exploring the onset of synchronization in populations of coupled oscillators</article-title>. <source>Phys. D.</source> <volume>143</volume>, <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>20</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/s0167-2789(00)00094-4</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B35">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Strogatz</surname>
<given-names>S. H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2014</year>). <publisher-loc>Boulder, Colorado, United States</publisher-loc>: <publisher-name>Westview Press</publisher-name>.</citation>
</ref>
<ref id="B36">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Tyloo</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022a</year>). <article-title>Layered complex networks as fluctuation amplifiers</article-title>. <source>J. Phys. Complex.</source> <volume>3</volume>, <fpage>03LT01</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/2632-072x/ac7e9d</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B37">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Tyloo</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022b</year>). <article-title>Faster network disruption from layered oscillatory dynamics</article-title>. <source>Chaos</source> <volume>32</volume>, <fpage>121102</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/5.0129123</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B38">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Tyloo</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>Assessing the impact of Byzantine attacks on coupled phase oscillators</article-title>. <source>J. Phys. Complex.</source> <volume>4</volume>, <fpage>045005</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/2632-072x/ad0390</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B39">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Tyloo</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Coletta</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jacquod</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Robustness of synchrony in complex networks and generalized Kirchhoff indices</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>120</volume>, <fpage>084101</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.120.084101</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B40">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Tyloo</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pagnier</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jacquod</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>The key player problem in complex oscillator networks and electric power grids: resistance centralities identify local vulnerabilities</article-title>. <source>Sci. Adv.</source> <volume>5</volume>, <fpage>eaaw8359</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1126/sciadv.aaw8359</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B41">
<citation citation-type="web">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Tyloo</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vuffray</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lokhov</surname>
<given-names>A. Y.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>Forced oscillation source localization from generator measurements</article-title>. <comment>Available at: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://arxiv.org/abs/2310.00458">https://arxiv.org/abs/2310.00458</ext-link>.</comment>
</citation>
</ref>
<ref id="B42">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Uhlhaas</surname>
<given-names>P. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Singer</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2006</year>). <article-title>Neural synchrony in brain disorders: relevance for cognitive dysfunctions and pathophysiology</article-title>. <source>neuron</source> <volume>52</volume>, <fpage>155</fpage>&#x2013;<lpage>168</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.neuron.2006.09.020</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B43">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>van Kampen</surname>
<given-names>N. G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1976</year>). <article-title>Stochastic differential equations</article-title>. <source>Phys. Rep.</source> <volume>24</volume>, <fpage>171</fpage>&#x2013;<lpage>228</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0370-1573(76)90029-6</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B44">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Attack-resilient pulse-coupled synchronization</article-title>. <source>IEEE Trans. Control Netw. Syst.</source> <volume>6</volume>, <fpage>338</fpage>&#x2013;<lpage>351</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/tcns.2018.2817922</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B45">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wiesenfeld</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Colet</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Strogatz</surname>
<given-names>S. H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1998</year>). <article-title>Frequency locking in Josephson arrays: connection with the Kuramoto model</article-title>. <source>Phys. Rev. E</source> <volume>57</volume>, <fpage>1563</fpage>&#x2013;<lpage>1569</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreve.57.1563</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B46">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wiley</surname>
<given-names>D. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Strogatz</surname>
<given-names>S. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Girvan</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2006</year>). <article-title>The size of the sync basin</article-title>. <source>Chaos</source> <volume>16</volume>, <fpage>015103</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.2165594</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B47">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Winfree</surname>
<given-names>A. T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1967</year>). <article-title>Biological rhythms and the behavior of populations of coupled oscillators</article-title>. <source>J. Theor. Biol.</source> <volume>16</volume>, <fpage>15</fpage>&#x2013;<lpage>42</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0022-5193(67)90051-3</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B48">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zwanzig</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1973</year>). <article-title>Nonlinear generalized Langevin equations</article-title>. <source>J. Stat. Phys.</source> <volume>9</volume>, <fpage>215</fpage>&#x2013;<lpage>220</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/bf01008729</pub-id>
</citation>
</ref>
</ref-list>
</back>
</article>