针对网络节点动力学是二维的情况, 考虑如下含随机噪声的复杂动力网络:
其中$1 \leqslant i, j \leqslant N$, 网络仅通过分量${x_i}$互相耦合, 并假设只有这个分变量可测, ${h_j}\left( {{x_j}} \right)$是内部耦合函数, ${c_{ij}}$是外部耦合强度, $C = {\left( {{c_{ij}}} \right)_{N \times N}}$是网络的外联耦合矩阵, 其定义为若节点$j$对节点$i$有影响($j \ne i$), 则${c_{ij}} \ne 0$; 否则, ${c_{ij}} =0$.另外, $C$满足${c_{ii}} = -\sum\limits_{j = 1, j \ne i} {{c_{ij}}} $, ${\sigma _1}\left( {{x_i}, t} \right)$, ${\sigma _2}\left( {{y_i}, t} \right)$: ${R_ + } \times {R^n} \to {R^{n \times m}}$是与节点状态相关的噪声强度函数, $\omega $为定义在一个完备概率空间$\left( \Omega, f, P \right)$上, 并含有一个自然代数流${{\{{{f}_{t}}\}}_{t\ge 0}}$的$m$维布朗运动.
为了识别(1.1) 的拓扑结构, 将(1.1) 看作驱动网络, 构造相应的响应网络如下:
其中${u_i}$是控制项, $\hat C = {\left( {{{\hat c}_{ij}}} \right)_{N \times N}}$是对原网络结构$C$的估计.
设${\tilde x_i} = {\hat x_i} - {x_i}$, ${\tilde y_i} = {\hat y_i} - {y_i}$, ${\tilde c_{ij}} = {\hat c_{ij}} - {c_{ij}}$, ${\sigma _1}\left( {{e_1}, t} \right)\dot \omega = {\sigma _1}\left( {{{\hat x}_i}, t} \right)\dot \omega - {\sigma _1}\left( {{x_i}, t} \right)\dot \omega $, ${\sigma _2}\left( {{e_2}, t} \right)\dot \omega = {\sigma _2}\left( {{{\hat y}_i}, t} \right)\dot \omega - {\sigma _2}\left( {{y_i}, t} \right)\dot \omega $, 则可得如下误差系统
其中$1 \leqslant i \leqslant N$.
假设 1.1 假设${h_j}\left( x \right)\left( {1 \leqslant j \leqslant {l_2}} \right)$是线性无关的, 满足${m_1} \leqslant \left| {{{h'}_j}\left( x \right)} \right| \leqslant {m_2}$, 其中${m_1}$和${m_2}$是正常数.
假设 1.2 设噪声强度函数${\sigma _i}\left( {{e_i}, t} \right)$有界, 满足$ \frac{1}{2}{\hbox{tr}}\left( {{\sigma _i}^T{\sigma _i}} \right) \leqslant \sum\limits_{i = 1}^N {{p_i}{{\tilde x}_i}^2} + \sum\limits_{i = 1}^N {{p_i}{{\tilde y}_i}^2}, $其中${p_i}$为非负实数.
假设 1.3 存在一个正的$q>0$使得$ \left| {f\left( {t, x, z} \right) - f\left( {t, y, w} \right)} \right| \leqslant q\left( {\left| {x - y} \right| + \left| {z - w} \right|} \right), $其中$x, y, z, w \in {\mathbb{R}^n}$.
考虑如下$n$维随机微分方程[1]:
其中$f\left( {t, x} \right):\left[{0, + \infty } \right] \times {R^n} \to {R^n}$$g\left( {t, x} \right):\left[{0, + \infty } \right] \times {R^n} \to {R^{n \times m}}.$
定义 1.1 如果开集$G \subset {R^n}$满足$P\left\{ {x\left( {t, {x_0}} \right) \in G, \forall t \geqslant 0} \right\} = 1, {x_0} \in G$, 则称$G$为关于方程(1.4) 的解的不变集, 也就是说, 所有从$G$出发的轨道永远在$G$内.
这里, 设${C^{1, 2}}\left( {{R_ + } \times G;{R_ + }} \right)$表示所有定义在${R_ + } \times G$上的非负函数集合$V\left( {t, x} \right)$, 其中$V\left( {t, x} \right)$关于$x$二阶连续可微, 关于$t$一阶连续可微, $\bar G$表示G的闭包.
引理 1.1 如果存在函数$V \in {C^{1, 2}}\left( {{R_ + } \times G;{R_ + }} \right), \gamma \in {L^1}\left( {{R_ + };{R_ + }} \right)$以及连续函数$w:\bar G \to {R_ + }$使得$LV\left( {t, x} \right) \leqslant \gamma \left( t \right) - w\left( x \right)$, $\left( {t, x} \right) \in {R_ + } \times G, $如果$G$有界; 或者
且$G$有界, 则$\forall {x_0} \in G$, $\mathop {\lim }\limits_{t \to \infty } V\left( {t, x\left( {t;{x_0}} \right)} \right)$存在而且几乎处处有界.进一步地, 有
也就是说, 从$G$内出发的方程(1.4) 的解最终会以概率$1$渐进稳定到$D_w^G: = \left\{ {x \in \bar G:w\left( x \right) = 0} \right\}$.
引理 1.2 (Schur complement)下列线性矩阵不等式
等价于下列条件:
1) $A\left( x \right) < 0$, $C\left( x \right) - B{\left( x \right)^T}A{\left( x \right)^{ - 1}}B\left( x \right) < 0$;
2) $C\left( x \right) < 0$, $A\left( x \right) - B\left( x \right)A{\left( x \right)^{ - 1}}B{\left( x \right)^T} < 0$, 其中$A{\left( x \right)^T} = A\left( x \right)$, $C{\left( x \right)^T} = C\left( x \right).$
定理 1.1 当假设1.1--1.3成立时, 采用下列控制率
则$\mathop {\lim }\limits_{t \to \infty } {\hat c_{ij}} = {c_{ij}}$.
证 令${\tilde c_{ij}} \triangleq {\hat c_{ij}} - {c_{ij}}$, $1 \leqslant i, j \leqslant N$, ${h_i}\left( {{{\hat x}_i}} \right) - {h_i}\left( {{x_i}} \right) = {h'_i}\left( {{\xi _i}} \right)\left( {{{\hat x}_i} - {x_i}} \right), $构造如下Lyapunov函数
其中
${R_1} = {m_2}\bar C - D + \left( {q + p} \right){I_{NN}}$, ${I_{NN}}$是$N \times N$的单位矩阵, $D$是对角矩阵, 其中第$i $ ($1 \leqslant i \leqslant {l_1}$)个元素为$d, $其余元素为0, 定义${C^S} = \left( {{C^T} + C} \right)/2$, $\bar C$是将矩阵${C^S}$的对角元素${c_{ii}}$变成$\left( {{m_1}/{m_2}} \right){c_{ii}}$后所形成的矩阵.取一个合适的正常数d可以使${R_1} < 0$, 并且$\left( {p + q} \right){I_{NN}} - {q^2} \cdot {R_1}^{ - 1} < 0$, 由引理1.2可知, $R < 0$.令$\lambda < 0$是矩阵$R$的最大特征值, 则$LV \leqslant \lambda {\tilde x^T}\tilde x \triangleq w\left( {\tilde x} \right)$.
又因为$\mathop {\mathop {\lim }\limits_{x \in G} }\limits_{\left| x \right| \to \infty } \mathop {\inf }\limits_{0 \leqslant t < \infty } V = \infty $且${\sigma _i}$有界, 由引理1.1可知对于$G$内任意初值, $\mathop {\lim }\limits_{t \to \infty } V$存在而且几乎处处有界, 且$\mathop {\lim }\limits_{t \to \infty } w\left( {\tilde x} \right) = 0$.进一步地, 从$G$出发的关于方程(1.3), (1.5)-(1.6) 的解最终会以概率1渐进稳定到
其中$i, j = 1, 2, \cdots, N$, 也就是说, 采用控制率(1.5)-(1.7) 响应网络(1.2) 与网络(1.1) 同步, 且$\forall i, j \in \left\{ {1, 2, \cdots, N} \right\}$, $\mathop {\lim }\limits_{t \to \infty } {\hat c_{ij}} = {c_{ij}}$.
本节中, 我们将用FHN方程作为模型来验证上述方法的有效性. FHN方程表述为
其中$V$代表膜电位, $W$是恢复变量, ${I_{_{ex}}}$是外部刺激电流, $ a, $ $b, $ $\varepsilon $是正数, 通常情况下, 在$0 < \varepsilon \ll 1$时, $V$和$W$分别作为快变量和慢变量, 参数$b$是显著影响系统动态特性的其中一个决定性条件.
在这里, 考虑含噪声的FHN系统
令$\varepsilon =0.08, a=0.7, b=0.8, {I_{ex}} = \left( {0.1 + 0.1i} \right)\cos \left( {t/50} \right), $ ${k_i}=20, $ ${\delta _i}=30, $易证FHN方程满足3个假设条件.
当耦合为线性时, 以含有20个节点的环状网络为例来进行仿真, 为了识别
其中${c_{11}} = - 2, {c_{21}} = 1, {c_{31}} = 0, {c_{41}} = 0, {c_{12}} = 1, {c_{22}} = - 2, {c_{32}} = 1, $${c_{42}} = 0$未知, 图 1给出了当耦合强度取1, 噪声取1, $ p=1$时, 识别${\hat c_{ij}}$的演化结果, 由图可以看出, 识别结果与原网络耦合矩阵$C$的结果相同, 由此可以看出理论的正确性.
由图 2, 3可以看出, 在其它值不变的情况下, $p$值增大时, 适用的耦合强度也随之增大, 但是当$p$太小时(图 4), 不能正确识别出结果, 这是因为网络内部达到了近似同步.
由仿真可以得到, 网络结构可识别时, 噪声强度越大, 适用的耦合强度的范围越大.
令${h_j}\left( x \right) = \exp ( - {x^2}/2)$, 易证满足假设1.1.在其它条件相同的情况下, 在2邻接网络上进行加边, 产生小世界网络模型, 令$N=20, $为了识别${c_{ij}}\left( {1 \leqslant i \leqslant 4, 1 \leqslant j \leqslant 2} \right)$, 其中${c_{11}} = 0, {c_{21}} = 1, {c_{31}} = 1, {c_{41}} = 0, {c_{12}} = 1, $${c_{22}} = 0, {c_{32}} = 1, {c_{42}} = 1$未知, 噪声、耦合强度和$p$都为1. 图 5给出了${\hat c_{ij}}$的识别结果, 由此可见, 当耦合取为非线性时, 上述理论依然正确.
同样的, 当耦合为非线性时, 也会有2.1节中的结论, $p$越大, 耦合强度也越大. 图 6, 7给出了将$p$取不同值时, 网络结构识别的结果, 由图可以看出, 都可以正确识别.
由上述图形可以得出与2.1节相同的规律, 也即噪声强度的范围将影响网络结构正确识别时的耦合强度范围, 噪声强度越大, 可识别的耦合强度也越大.
本文针对节点动力学含随机噪声的复杂网络, 基于随机微分方程理论, 用牵制控制方法来进行拓扑识别, 设计自适应反馈控制器和识别率, 反演网络结构.不同于节点全部控制的识别方法, 牵制控制方法是通过控制部分节点来识别网络中未知的连接, 数值仿真验证了该方法的有效性.数值仿真部分主要分为两个部分:耦合为线性的和非线性的.通过仿真结果表明, 耦合不管为线性的或者非线性的, 都能达到很好的识别效果.噪声强度越大时, 耦合强度的适用范围也越大, 当噪声强度太小时, 反而不能达到很好的识别效果, 这是因为此时网络内部达到了近似同步.