Stability of positive solutions of nonlinear differential equations with delays
Phân tích tính ổn định nghiệm dương cho phương trình vi phân phi tuyến. Đánh giá điều kiện tồn tại và bền vững.
Differential and Integral Equations
Luan An
Luận án
Năm xuất bản
Số trang
54
Thời gian đọc
9 phút
Lượt xem
0
Lượt tải
0
Phí lưu trữ
40 Point
Mục lục chi tiết
Tóm tắt nội dung
I.Ổn định Giải pháp Dương Ưu tiên Nghiên cứu Hệ Phi tuyến
Lý thuyết ổn định giữ vị trí hàng đầu trong nghiên cứu hệ phương trình vi phân và lý thuyết điều khiển. Nó cung cấp hiểu biết sâu sắc về hành vi dài hạn của hệ thống. Nghiên cứu tập trung vào các giải pháp dương. Nhiều mô hình thực tế, như tăng trưởng dân số hay kinh tế, hoạt động trong miền phi âm. Các hệ thống này được gọi là hệ thống dương. Chúng xuất hiện tự nhiên trong nhiều lĩnh vực: vật lý, hóa học, sinh thái, kinh tế, và mạng viễn thông. Hệ thống dương mang lại nhiều tính chất đặc biệt. Chúng khác biệt so với các hệ thống tổng quát. Sự đơn điệu và mạnh mẽ là những đặc điểm nổi bật. Các hệ thống này được ứng dụng để thiết kế bộ quan sát khoảng, ước lượng trạng thái và phân tích ổn định. Mặc dù hệ thống dương tuyến tính đã được nghiên cứu rộng rãi, nhưng lĩnh vực phi tuyến vẫn còn hạn chế. Đặc biệt, nghiên cứu về các mô hình mạng nơ-ron sinh học và nhân tạo còn nhiều thách thức.
1.1. Tầm quan trọng của phân tích định tính
Phân tích định tính của hệ phương trình vi phân là rất cần thiết. Nó giúp hiểu rõ cấu trúc và động lực của hệ thống. Phân tích này không chỉ tập trung vào việc tìm kiếm giải pháp cụ thể. Nó còn xem xét các đặc tính tổng thể. Các đặc tính như sự tồn tại của giải pháp, tính duy nhất và tính ổn định. Đây là những nền tảng quan trọng trong lý thuyết điều khiển và kỹ thuật. Đặc biệt, với các hệ thống phức tạp, phân tích định tính trở nên không thể thiếu.
1.2. Thách thức trong hệ thống dương phi tuyến
Các hệ thống dương phi tuyến đặt ra nhiều khó khăn. Chúng đòi hỏi kiến thức chuyên sâu và kỹ thuật đặc biệt. Hàm kích hoạt nơ-ron có tính phi tuyến. Điều này làm phức tạp hóa việc nghiên cứu ổn định của mạng nơ-ron. Nhiều kết quả về hệ thống điều khiển đã được công bố. Tuy nhiên, nghiên cứu định tính về hành vi dài hạn vẫn còn thu hút nhiều sự quan tâm. Đặc biệt, ổn định của các giải pháp dương trong mô hình sinh thái với nhiều độ trễ khác nhau vẫn là một lĩnh vực đang phát triển.
II.Lý thuyết Ổn định Lyapunov Công cụ Phân tích Hệ Động học
Lý thuyết ổn định Lyapunov là một nền tảng cơ bản. Nó dùng để nghiên cứu hành vi của các hệ động học. Phương pháp này không yêu cầu giải pháp tường minh của phương trình vi phân. Thay vào đó, nó sử dụng các hàm vô hướng. Các hàm này được gọi là hàm Lyapunov. Chúng giúp đánh giá sự thay đổi của trạng thái hệ thống theo thời gian. Khái niệm ổn định Lyapunov cung cấp một khuôn khổ mạnh mẽ. Nó đánh giá sự bền vững của các điểm cân bằng. Một điểm cân bằng được coi là ổn định Lyapunov. Điều này có nghĩa là khi hệ thống bắt đầu gần điểm đó, nó sẽ duy trì ở gần đó. Phương pháp này đã được phát triển rộng rãi. Nó có ứng dụng trong cơ học, vật lý, hóa học và trí tuệ nhân tạo. Phân tích này cũng mở rộng sang ổn định tiệm cận và ổn định toàn cục.
2.1. Khái niệm ổn định tiệm cận và toàn cục
Ổn định tiệm cận là một dạng ổn định mạnh mẽ hơn. Nó đòi hỏi không chỉ giữ gần điểm cân bằng. Nó còn yêu cầu hệ thống phải hội tụ về điểm đó theo thời gian. Đối với ổn định toàn cục, mọi quỹ đạo bắt đầu từ bất kỳ trạng thái ban đầu nào. Chúng đều phải hội tụ về điểm cân bằng. Đây là một thuộc tính mong muốn. Nó đảm bảo tính mạnh mẽ của hệ thống. Phân tích ổn định toàn cục thường phức tạp hơn. Nó đòi hỏi các kỹ thuật toán học tiên tiến. Đặc biệt là với các hệ thống phi tuyến và có độ trễ.
2.2. Ứng dụng của hàm Lyapunov trong phân tích
Hàm Lyapunov là công cụ chính. Nó giúp chứng minh các loại ổn định khác nhau. Một hàm Lyapunov dương xác định. Đạo hàm của nó phải âm xác định. Điều này đảm bảo tính ổn định của hệ thống. Trong nhiều trường hợp, việc xây dựng hàm Lyapunov phù hợp là một thách thức. Nó đòi hỏi sự sáng tạo và hiểu biết sâu sắc về động lực học của hệ thống. Các kỹ thuật như phương pháp Lyapunov trực tiếp đã trở thành tiêu chuẩn. Chúng được dùng để phân tích ổn định của các hệ phức tạp.
III.Hệ thống Dương trong Mạng nơ ron Ứng dụng và Thách thức
Mạng nơ-ron là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng. Nó mô phỏng cách hoạt động của não bộ con người. Mục tiêu là thiết kế máy tính có khả năng học hỏi và ghi nhớ. Qua hơn 200 năm, nghiên cứu mạng nơ-ron đã phát triển mạnh mẽ. Nó đạt được nhiều kết quả quan trọng. Các mô hình mạng nơ-ron phổ biến bao gồm Hopfield (HNNs), Cohen-Grossberg (CGNNs), và mạng nơ-ron quán tính (INNs). Chúng được nghiên cứu rộng rãi. Tuy nhiên, ít nỗ lực dành cho hệ thống dương phi tuyến trong mạng nơ-ron. Tính phi tuyến của hàm kích hoạt nơ-ron là một thách thức lớn. Nó khiến việc nghiên cứu ổn định trở nên phức tạp. Sự cần thiết của các kỹ thuật chuyên biệt là rất cao.
3.1. Các loại mô hình mạng nơ ron phổ biến
Có nhiều loại mạng nơ-ron đã được đề cập trong tài liệu. Mỗi loại có cấu trúc và ứng dụng riêng. Mạng nơ-ron Hopfield được biết đến với khả năng lưu trữ mẫu. Mạng Cohen-Grossberg nổi bật với tính linh hoạt. Mạng nơ-ron quán tính thêm yếu tố động lực học cấp hai. Mạng bộ nhớ liên hợp hai chiều (BAMs) giúp liên kết hai tập hợp thông tin. Việc nghiên cứu các mô hình này là cơ sở. Nó mở rộng hiểu biết về hành vi của hệ thống sinh học và nhân tạo.
3.2. Vai trò của độ trễ trong động lực học mạng nơ ron
Độ trễ là một yếu tố tự nhiên trong mạng nơ-ron. Nó mô tả thời gian truyền tín hiệu giữa các nơ-ron. Sự hiện diện của độ trễ có thể ảnh hưởng đáng kể. Nó làm thay đổi hành vi ổn định của hệ thống. Đôi khi, độ trễ có thể gây ra dao động hoặc mất ổn định. Việc phân tích hệ thống có độ trễ là phức tạp. Nó yêu cầu các phương pháp đặc biệt. Nghiên cứu sâu về các phương trình vi phân có độ trễ là cần thiết. Nó giúp hiểu rõ hơn về động lực học phức tạp của mạng nơ-ron.
IV.Phân tích Ổn định Toàn cục Phương pháp cho Mô hình Trì hoãn
Phân tích ổn định toàn cục là một mục tiêu quan trọng. Nó áp dụng cho các mô hình hệ thống có độ trễ. Độ trễ là yếu tố phổ biến trong nhiều mô hình thực tế. Nó có mặt trong sinh học, kỹ thuật, và kinh tế. Sự hiện diện của độ trễ có thể thay đổi hoàn toàn động lực học của hệ thống. Nó tạo ra các hành vi phức tạp hơn. Ví dụ, nó có thể gây ra đa ổn định hoặc dao động chu kỳ. Việc xác định các điều kiện để đạt được ổn định toàn cục là cần thiết. Nó đảm bảo rằng hệ thống sẽ hoạt động ổn định bất kể trạng thái ban đầu. Điều này đặc biệt quan trọng trong thiết kế các hệ thống điều khiển robust.
4.1. Giải pháp cho phương trình vi phân phi tuyến có độ trễ
Các phương trình vi phân phi tuyến có độ trễ là khó giải quyết. Chúng thường không có giải pháp tường minh. Do đó, phân tích định tính là phương pháp chính. Nó được sử dụng để hiểu hành vi của chúng. Việc áp dụng các định lý điểm cố định là một kỹ thuật hiệu quả. Nó giúp chứng minh sự tồn tại của giải pháp. Định lý điểm cố định cũng hỗ trợ trong việc xác định các điểm cân bằng. Các phương pháp này cung cấp một khuôn khổ toán học vững chắc. Chúng cho phép nghiên cứu các hệ thống phức tạp với độ trễ.
4.2. Khái niệm về các tập bất biến và tính bị chặn
Các tập bất biến là những vùng trong không gian trạng thái. Khi một quỹ đạo đi vào, nó sẽ không bao giờ rời khỏi. Việc xác định các tập bất biến có thể cung cấp thông tin quý giá. Nó cho biết về hành vi dài hạn của hệ thống. Tính bị chặn là một thuộc tính liên quan. Nó đảm bảo rằng các giải pháp không phân kỳ vô hạn. Đối với các hệ thống dương, việc tìm kiếm các tập bất biến dương là quan trọng. Nó giúp xác định giới hạn của các giải pháp. Các khái niệm này rất quan trọng trong việc chứng minh ổn định tiệm cận và toàn cục.
V.Điểm Cân bằng và Tập bất biến Đảm bảo Giải pháp Duy nhất
Việc xác định các điểm cân bằng là bước đầu tiên. Nó cần thiết trong phân tích ổn định của hệ thống. Điểm cân bằng là trạng thái mà tại đó hệ thống không thay đổi theo thời gian. Hành vi của hệ thống xung quanh các điểm này là trọng tâm. Nó cho phép hiểu được tính ổn định hoặc mất ổn định. Sau khi xác định điểm cân bằng, việc nghiên cứu các tập bất biến là cần thiết. Các tập này giúp xác định vùng mà các giải pháp sẽ cư trú. Chúng là những công cụ mạnh mẽ trong phân tích định tính. Chúng cung cấp cái nhìn sâu sắc về động lực học hệ thống. Việc chứng minh sự tồn tại và tính duy nhất của giải pháp là nền tảng. Nó đảm bảo tính hợp lệ của mô hình toán học.
5.1. Tồn tại và tính duy nhất của các giải pháp dương
Chứng minh sự tồn tại của giải pháp là một thách thức. Đặc biệt đối với các phương trình vi phân phi tuyến. Điều này trở nên phức tạp hơn với các điều kiện phi âm. Việc sử dụng các định lý điểm cố định rất hữu ích. Chúng bao gồm định lý Schauder hoặc Brouwer. Chúng có thể được áp dụng để chứng minh sự tồn tại. Tính duy nhất của giải pháp đảm bảo rằng mô hình có hành vi dự đoán được. Đây là điều kiện tiên quyết cho việc phân tích định tính. Nó cũng quan trọng cho các ứng dụng thực tế.
5.2. Phân tích định tính của hành vi dài hạn
Phân tích định tính không chỉ dừng lại ở ổn định. Nó còn nghiên cứu các đặc tính khác của hệ thống. Các đặc tính như tính tuần hoàn, dao động và hỗn loạn. Đối với các hệ thống sinh học và kỹ thuật, hành vi dài hạn là rất quan trọng. Nó giúp dự đoán và kiểm soát. Việc sử dụng các công cụ như phương pháp mặt cắt Poincaré. Nó cũng bao gồm bản đồ nối tiếp. Chúng giúp khám phá các tập hợp bất biến phức tạp. Điều này cung cấp cái nhìn toàn diện về động lực học hệ thống.
Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Tải đầy đủ (54 trang)Trích đoạn nội dung luận án
Tải xuống để đọc toàn bộMINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HANOI NATIONAL UNIVERSITY OF EDUCATION ——————–o0o——————— LE THI HONG DUNG STABILITY OF POSITIVE SOLUTIONS OF NONLINEAR DIFFERENTIAL EQUATIONS WITH DELAYS IN NEURAL NETWORKS Speciality: Differential and Integral Equations Code: 9460103 SUMMARY OF DOCTORAL THESIS IN MATHEMATICS HA NOI-2024 This dissertation has been written on the basis of my research work carried at: Hanoi National University of Education Supervisor: Assoc. Le Van Hien Hanoi National University of Education Referee 1: Associate Professor Tran Dinh Ke Hanoi National University of Education Referee 2: Associate Professor Do Lan Water Resources University Referee 3: Associate Professor Duong Anh Tuan Hanoi University of Science and Technology The thesis will be presented to the examining committee at Hanoi National University of Education, 136 Xuan Thuy Road, Hanoi, Vietnam At the time of .,2024 This dissertation is publicly available at: - HNUE Library Information Centre - The National Library of Vietnam INTRODUCTION A. Motivation Stability theory is one of the top priority research topics in the qualitative theory of differ- ential equations and, more general, systems and control theory. Date back to the pioneering work of Lyapunov, stability theory has been extensively developed.
Its intrinsic interest and relevance has been found in a variety of disciplines like mechanics, physics, chemistry, ecology or artificial intelligence. Appearing naturally in practice, many models in population, economic growth or labor migration are described by dynamic systems whose states are always nonnegative when the initial states and inputs are nonnegative. Such systems are called positive systems. Applica- tions of positive systems can be found in various disciplines, from physics, chemistry, ecology and epidemiology to economics, control engineering and telecommunications networks.
Re- search on positive systems shows that, besides a wide range of applications, positive systems also possess many properties that are not found in general systems. For example, based on the monotonicity and robustness induced by the positivity, positive systems are employed to design interval observers, state estimation or stability analysis of nonlinear systems. Thus, due to theoretical and practical features, the theory of positive systems has received ever- increasing interest in the past few years. While the theory of positive systems has been intensively studied for various kinds of linear systems, this area is still considerably less well-developed for nonlinear systems, in particular, for models arising in artificial and/or biological neural networks.
Typically, dynamics of a network is represented by a system of nonlinear differential equations with or without delay. In the past two decades, the study in- volving qualitative behavior of nonlinear systems describing various types of neural networks has attracted significant research attention due to a wide range of applications. The terminology of neural networks, appeared in the late 1800s, was mentioned by sci- entists while studying the function of human brain with the desire to be able to design computers that can work like the human brain, capable of learning through databases, re- membering experiences and use in appropriate situations. Over the history of more than 200 years, with the advent of computers, the study of neural networks has evolved extensive development and has obtained many important results in widen the ability to recognize and adapt to the industry computer technology.
Using ideas from experimental results in studies of human brain, many intelligent computers, which have components like neurons or sets of neurons and the connections between those components like the synapses of neurons, were invented. There are many kind of neural networks mentioned in the literature. Due to their specific structure and practical applicability, some popular models of neural networks such as Hop- field neural networks (HNNs), Cohen-Grossberg neural networks (CGNNs), inertial neural 1 networks (INNs), or bidirectional associative memory networks (BAMs) have been widely studied. However, there has been very little attempt devoted to the study of positive non- linear systems in neural networks.
For neural systems, the nonlinearity of neuron activation functions makes the study of positive neural networks more complicated and challenging, which requires in-depth knowledge and specific techniques. Although many results concerning systems and control theory for positive systems have been published in the past few decades, the field of qualitative research on long-term be- havior and stability of nonlinear neuronal systems with delays is still of great interest to mathematicians and engineers. Besides, many open issues related to the stability of posi- tive solutions in ecological models with multiple distinct delays are still being developed, especially for models with a structure that is more general and closer to reality. Developing qualitative research on this type of systems is generally more difficult and complicated due to the technical limitations and the capability of existing approaches.
This motives scholars for the research of positive solutions and stability of nonlinear differential equations with delays. Research aims The thesis focuses on problems of stability of several classes of nonlinear positive differ- ential systems with delay in neural network models. Specifically, the thesis researches the following issues. • Positive solutions and exponential stability of nonlinear time-delay systems in the model of BAM-Cohen-Grossberg neural networks.
• Exponential stability of positive conformable BAM neural networks with time-varying delays. • Exponential attractivity of positive inertial neural networks in bidirectional associative memory model with time-varying delays. The models considered are systems describing BAM-Hopfield networks with bounded delays. With assumptions related to connection weights and neural activation functions, we prove the systems are positive and aim to establish conditions in LP form to ensure exponential stability of system.
There are similarities in the analysis schemes for the systems considered, such as comparison techniques via inequalities, however, due to specific structure, it is necessary to have separate research methods and proof techniques for each individual system. Methodology • Comparison techniques via differential and integral inequalities. • M-matrix theory approach. 2 • The use of fixed point theorems and basic tools in nonlinear functional analysis.
Research topics This thesis is concerned with some issues of positive solutions and the stability of positive systems with delays. Specifically, the following topics will be researched and presented in this thesis. Stability of nonlinear time-delay systems in BAM-Cohen-Grossberg neural networks Consider a class of nonlinear systems describing BAM-Cohen-Grossberg neural networks with time-varying delays and nonlinear self-excitation rates of the form m m X X 0 xi (t) = αi (xi (t)) − δi ϕi (xi (t)) + aij fj (yj (t)) + bij fj (yj (t − σj (t))) + Ii , j=1 j=1 n n (1) X X 0 yj (t) = βj (yj (t)) − ρj ψj (yj (t)) + cji gi (xi (t)) + dji gi (xi (t − τi (t))) + Jj. i=1 i=1 System (1) describes a BAM-Cohen-Grossberg neural network between n neurons in X -layer and m neurons in Y -layer.
xi (t) and yj (t) represent the state variables of the neurons; αi (xi ) and βj (yj ) are neural amplification functions, ϕi (xi ), ψj (yj ) are nonlinear decay rate functions and δi > 0, ρj > 0 are self-inhibition coefficients. fj , gi are neuron activation functions and aij , bij , cji , dji , i ∈ [n], j ∈ [m], are connection weights. τi (t) and σj (t) are the communication delays between neurons which satisfy 0 ≤ τi (t) ≤ τ , 0 ≤ σj (t) ≤ σ, (2) where τ and σ are known positive constants. Ii and Jj denote the external inputs to the ith neuron and j th neuron, respectively.
Initial conditions associated with system (1) are specified as follows x(t0 + ξ) = x0 (ξ), ξ ∈ [−τ , 0], y(t0 + θ) = y 0 (θ), θ ∈ [−σ, 0], (3) where x0 ∈ C([−τ , 0], Rn ) and y 0 ∈ C([−σ, 0], Rm ) are initial functions. The objective is to study the existence of global positive solutions and the existence, uniqueness and exponential stability of positive equilibrium point. Based on novel comparison techniques via differential inequalities, unified conditions for the existence and exponential stability of a unique positive equilibrium of model (1) are derived in terms of tractable LP-based conditions. Stability of positive conformable BAM neural networks with delays In Chapter 3, we consider a class of differential equations with delays described by con- formable fractional derivative (CFD).
This differential equation type can be used to describe 3 the dynamics of various practical models, including biological and artificial neural networks with heterogeneous time-varying delays. Consider the following system ! ! ! ! ! c α x(t) x(t) Af (y(t)) Bf (y σ (t)) I Dt0 = −Dβ,γ + + + , (4) y(t) y(t) Cg(x(t)) Dg(xτ (t)) J where c Dtα0 is the notation for the conformable fractional derivative. More details on CFD and the biology description of the system (4) will be presented in the next section. For a given t0 ≥ 0 and σ, τ are known positive constants, the initial condition of system (4) is specified as xt0 = x0 ∈ C([−τ , 0], Rn ), yt0 = y0 ∈ C([−σ, 0], Rm ), (5) that is, xt0 (s) = x(t0 + s) = x0 (s), s ∈ [−τ , 0], yt0 (θ) = y(t0 + θ) = y0 (θ), θ ∈ [−σ, 0].
By novel comparison techniques via fractional differential and integral inequalities, unified conditions in terms of tractable LP-based conditions for the existence and exponential sta- bility of a unique positive equilibrium of the CFD model (4) are derived. Stability of positive inertial BAM neural network model In Chapter 4, we consider a model of inertial BAM neural networks with delays described by the following second-order differential equations m X x00i (t) = −ai x0i (t) − ci xi (t) + rij fj (yj (t)) j=1 m X + sij fj (yj (t − σj (t))) + Ii , t ≥ t0 , i ∈ [n], (6a) j=1 n X yj00 (t) = −bj yj0 (t) − dj yj (t) + pji gi (xi (t)) i=1 n X + qji gi (xi (t − τi (t))) + Jj , t ≥ t0 , j ∈ [m]. (6b) i=1 The functions τi (t) and σj (t) represent the heterogeneous communication delays between neurons which are assumed to satisfy 0 ≤ τj (t) ≤ τ and 0 ≤ σi (t) ≤ σ for all t ≥ t0 , where τ , σ are known positive constants. 4 The initial condition associated with system (6) is defined by x(t0 + θ) = ϕ(θ), x0 (t0 + θ) = ϕd (θ), θ ∈ [−τ , 0], y(t0 + θ) = ψ(θ), y 0 (t0 + θ) = ψd (θ), θ ∈ [−σ, 0], where ϕ, ϕd ∈ C([−τ , 0], Rn ) and ψ , ψd ∈ C([−σ, 0], Rm ) are compatible initial functions.
Based on some novel comparison techniques developed from monotone dynamical systems theory, we then derive tractable conditions in terms of M-matrix involving self excitation coefficients and connection weights to ensure the positivity of solutions and the existence of a unique EP corresponding to an input vector of system (6). The derived conditions are then utilized to show that the unique EP is positive and globally attractive. Main contributions This dissertation is concerned with the positivity of solutions and exponential stability of positive equilibrium of nonlinear differential equations with delays in various types of neural networks. Main contribution are as follows.
Proposed new LP-based conditions for the positivity of solutions and exponential stabil- ity of positive equilibrium of BAM-Cohen-Grossberg neural networks with time-varying delays and nonlinear self-excitation rates. Proved the positivity and derived tractable conditions for the global exponential stability of a unique positive equilibrium of conformable BAM neural networks with communi- cation delays. Established LP-based conditions ensuring the positivity of solutions and global expo- nential stability of a unique positive equilibrium of inertial BAM neural networks with bounded delays.
Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ
Câu hỏi thường gặp
Luận án "Stability of positive solutions of nonlinear differential eq" nghiên cứu về vấn đề gì?
Phân tích tính ổn định nghiệm dương cho phương trình vi phân phi tuyến. Đánh giá điều kiện tồn tại và bền vững.
Luận án "Stability of positive solutions of nonlinear differential eq" được bảo vệ tại trường nào?
Luận án này được bảo vệ tại Hanoi National University of Education. Năm bảo vệ: 2024.
Luận án "Stability of positive solutions of nonlinear differential eq" thuộc chuyên ngành gì?
Luận án "Stability of positive solutions of nonlinear differential eq" thuộc chuyên ngành Differential and Integral Equations. Danh mục: Trí Tuệ Nhân Tạo.
Luận án "Stability of positive solutions of nonlinear differential eq" có bao nhiêu trang?
Luận án "Stability of positive solutions of nonlinear differential eq" có 54 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.
Cách tải luận án "Stability of positive solutions of nonlinear differential eq" về máy như thế nào?
Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.