近几年来, 由于分数阶系统可应用于许多科学和工程领域, 因此分数阶微积分模型受到人们越来越多的关注[1-10].文献[3-6, 9]表明记忆效果(分数微分或积分算子)用到一个神经网络系统是一个非常重要的改进.
另一方面, 微分方程的稳定性分析一直是最重要的动力学行为, 与古典的李雅普诺夫稳定相比较, 有限时间稳定更符合实际需要.然而, 关于时滞分数阶模糊神经网络模型还没有这方面的讨论.本文考虑如下带有时滞的分数阶模糊神经网络模型:
其中 $t\in\mathbb{T}=[0, T]$, $i\in \aleph=\{1, 2, \cdots, n\}$, $n$是神经元的个数, $x_i(t)$表示第 $i$个神经元在 $t$时刻的状态变量; $\alpha_{ij}$, $\beta_{ij}$分别表示模糊反馈最小和最大模块的链接权重; $T_{ij}$及 $H_{ij}$分别表示模糊前向最小和最大模块的联接权重; $a_{ij}$表示第 $j$个神经元与第 $i$个神经元的联接权重; $b_{ij}$表示自由向前模块; $\wedge$, $\vee$分别表示模糊与(取小)和模糊或(取大)算子; $\mu_i$, $I_i$分别表示第 $i$个神经元的输入和偏差; $c_i>0$表示网络不连通和无外部附加电压差时第 $i$个神经元恢复独立静息状态的速率; $f_j(\cdot)$为激活函数; $\tau_j\geq 0$表示沿轴突的第 $j$个神经元的传输延迟.
系统(1.1) 的初始条件为
其中
这里 $C([-\tau, 0], R^n)$表示所有从 $[-\tau, 0]$到 $R^n$的连续函数组成的全体.定义范数为 $ \displaystyle\||\phi|\|=\sup_{t\in [-\tau, 0]}\|\phi(t) \|, $其中 $\|\phi(t) \|=\sum\limits_{i=1}^{n}|\phi_{i}(t)|$.为了证明方便, 定义如下符号
定义2.1[1, 3] 函数 $f$的 $\alpha$分数阶积分定义为
其中 $t\geq t_0$且 $\alpha>0$, $\Gamma(\cdot)$为Gamma函数, $\Gamma(s)=\displaystyle\int_{0}^{\infty}t^{s-1}e^{-t}dt$.
定义2.2[1, 5] 函数 $f$的 $\alpha$阶Caputo分数阶微分定义为
其中 $t\geq t_0$. $m$是一个正整数满足 $m-1<\alpha<m$.特殊地, 当 $0<\alpha<1$时,
定义2.3[7, 8] 对任意 $t\in [0, +\infty)$, 如果常量 $x^*=(x_1^*, x_2^*, \cdots, x_n^*)^{T} \in R^n$满足
则称 $x^*$为系统(1.1) 的平衡点.
定义2.4[9, 10] 若系统(1.1) 的平衡点 $x^*=(x_1^*, x_2^*, \cdots, x_n^*)^{T}$关于 $\{t_0, \delta, \varepsilon, \mathbb{T}, \tau\}$是有限时间稳定, 则对任意常数 $\varepsilon>0$, 都能找到 $0<\delta<\varepsilon$, 使得当初始值(1.2) 满足 $ \||\phi-x^*|\|<\delta $时, 系统(1.1) 的任意解 $x(t)=(x_1(t), x_2(t), \cdots, x_n(t))^{T}$有 $ \displaystyle\|x(t)-x^*\|<\varepsilon, \ \ \ \forall t\in \mathbb{T}=[t_0, t_0+T]. $
引理2.1[2, 4] 若 $x(t)\in C^m\left([0, \infty), R^n\right)$, 且 $m-1<\alpha<m\in Z^{+}$, 则有
(1) $I^{\alpha}I^{\beta}x(t)=I^{\alpha+\beta}x(t), \ \ \ \alpha, \beta\geq 0, $
(2) $D^{\alpha}I^{\alpha}x(t)=x(t), \ \ \ \alpha\geq 0, $
(3) $I^{\alpha}D^{\alpha}x(t)=x(t)-\sum\limits_{j=0}^{k-1}\frac{t^j}{i!}x^{(j)}(0), \ \ \ \alpha\geq 0.$
引理2.2[11] 对任意的 $\alpha_{ij}, \beta_{ij}\in R$及 $i, j\in \aleph$, 如下结论成立:
引理2.3[12] 若 $\kappa_1, \kappa_2, \cdots, \kappa_d$是非负实数, $d\in Z^+$, 因此对任意的 $\lambda>1$, 有
为了证明本文的主要结果, 对分数阶神经网络模型(1.1) 给出如下假设:
(H1) 激活函数 $f_j(\cdot)$满足Lipschitz条件, 即存在 $L_j>0$, 使得
(H2) 对于 $c_i, \ a_{ij}, \ \alpha_{ij}, \ \beta_{ij}$和 $L_j$, 满足如下不等式 $ \displaystyle(\check{a}+\check{\alpha}+\check{\beta})\check{L}<\hat{c}. $
为了讨论分数阶神经网络系统(1.1) 解的存在性与唯一性, 先给出如下定理.
定理3.1 如果假设(H1) 和(H2) 成立, 则系统(1.1) 存在唯一的平衡点 $x^*$.
证 首先, 构造一个映射 $\Theta: R^n\rightarrow R^n$满足
其中 $\Theta(u)=(\Theta_1(u_1), \Theta_2(u_2), \cdots, \Theta_n(u_n))^{T}$.对于任意两个不同的向量 $u=(u_1, u_2, \cdots, u_n)^{T}$和 $v=(v_1, v_2, \cdots, v_n)^{T}$, 有
根据引理2.2和假设(H1), 可得
从假设条件(H2), 有
由(3.2) 式可知 $\Theta: R^n\rightarrow R^n$是压缩映射.故存在唯一不动点 $u^*\in R^n$使得 $\Theta(u^*)=u^*$.即
设 $c_i x_i^*=u^*_i$, $i\in \aleph$, 有
因为 $u^*$是唯一的不动点, 因此分数阶系统(1.1) 有唯一的平衡点 $x^*$.
定理3.2 如果定理3.1中的假设成立, 且系统(1.1) 的解 $x(t) \in C([0, T], R^n)$满足初始条件, 则系统(1.1) 存在唯一解 $x(t)$.
证 证明与定理3.1类似, 略.
本节应用定理3.1和定理3.2讨论分数阶神经网络系统(1.1) 解的稳定性.
定理4.1 当 $0.5\leq\alpha<1$时, 如果假设(H1) 和(H2) 成立, 并且满足不等式
则(1.1) 式的唯一平衡点 $x^*=(x_1^*, x_2^*, \cdots, x_n^*)$关于 $\{t_0=0, \delta, \varepsilon, \mathbb{T}=[0, T], \tau\}$是有限时间稳定.
证 设 $x(t)=(x_1(t), x_2(t), \cdots, x_n(t))^{T}$是系统(1.1) 的任意解, 因此有
通过引理2.1, 可得出如下方程
根据引理2.2, 再由假设(H1) 和范数 $\| \cdot\|$的性质, 显然有
对(4.2) 式应用Cauchy-Schwartz不等式, 可得
另一方面, 有
把(4.4) 式带入(4.3) 式, 可得
把引理2.3中 $\lambda=2$和 $d=3$应用到(4.5) 式, 可得
因为当 $t\in[-\tau, 0]$时, 有 $x(t)=\phi(t)$, 在结合范数 $\||\phi-x^*|\|=\sup\limits_{t\in [-\tau, 0]}\|\phi(t)-x^* \|$, 有
根据(4.6) 式, 可以有
应用Gronwall不等式, 可得
因此有
由此可知当 $\||\phi-x^*|\|<\delta$时, 并且(4.1) 式成立, 则 $ \|x(t)-x^*\|<\varepsilon. $根据定义2.4, 可知系统(1.1) 中当 $0.5\leq \alpha <1$时平衡点 $x^*=(x_1^*, x_2^*, \cdots, x_n^*)^{T}$关于 $\{t_0=0, \delta, \varepsilon, \mathbb{T}=[0, T], \tau\}$是有限时间稳定.
定理4.2 当 $0<\alpha<0.5$时, 如果假设(H1) 和(H2) 成立, 并且满足不等式
$p=1+\alpha, \ q=1+1/\alpha, $则系统(1.1) 的唯一平衡点 $x^*=(x_1^*, x_2^*, \cdots, x_n^*)^{T}$关于 $\{t_0=0, \delta, \varepsilon, \mathbb{T}=[0, T], \tau\}$是有限时间稳定.
证 类似于定理4.1, 对系统(1.1) 有如下估计
设 $p=1+\alpha$, $q=1+1/\alpha$, 显然, $p, q>1$且 $1/p+1/q=1$.利用Höder不等式, 可得
将(4.10) 式代入(4.9) 式, 可得
把引理2.3中 $\lambda=q$和 $d=3$应用到(4.11) 式, 可知
由此可得
由此可知当 $\||\phi-x^*|\|<\delta$且(4.7) 式成立, 则 $ \|x(t)-x^*\|<\varepsilon, $根据定义2.4, 可得出系统(1.1) 中当 $0< \alpha <0.5$时平衡点 $x^*=(x_1^*, x_2^*, \cdots, x_n^*)^{T}$关于 $\{t_0=0, \delta, \varepsilon, \mathbb{T}=[0, T], \tau\}$是有限时间稳定.
因为大部分的分数阶微分方程不能求出解析解, 所以在研究分数阶微分方程时, 近似的数值方法是必要的.在文献[13]中, 作者提出了一个数值算法(预估方法)求解分数阶微分方程.该方法是Adams-Bashforth-Moulton的方法的推广, 考虑如下形式的分数阶微分方程
故方程(5.1) 可以等价表示为
在本文中
设 $h=T/N$, $t_k=kh$, $k=0, 1, 2, \cdots, N\in Z^+$, 因此(5.2) 式可写成
此数值方法的误差为 $\max\limits_{k=0, 1, \cdots, N}|x(t_k)-x_h(t_k)|=O(h^{1+\alpha})$.基于此方法, 给出分数阶模糊神经网络模型的数值解.
本节将根据第5节的数值仿真算法, 并通过一个数值算例来验证本文理论结果的正确性和有效性.
考虑如下带有变时滞的分数阶模糊神经网络模型:
其中 $\alpha=0.98$, 并且有 $c_1=0.55$, $c_2=0.45$, $a_{11}=0.4$, $a_{12}=-0.01$, $a_{21}=0.01$, $a_{22}=0.1$, $\alpha_{11}=-0.01$, $\alpha_{12}=-0.4$, $\alpha_{21}=-0.01$, $\alpha_{22}=-0.01$, $\beta_{11}=0.01$, $\beta_{12}=-0.01$, $\beta_{21}=-0.1$, $\beta_{22}=0.01$, $T_{11}=0.02$, $T_{12}=0.01$, $T_{21}=-0.01$, $T_{22}=0.05$, $H_{11}=0.06$, $H_{12}=0.01$, $H_{21}=-0.01$, $H_{22}=0.1$, $I_1=-0.8$, $I_2=0.3$, $\mu_{1}=\mu_{2}=0.1$, $\tau_j=0.5$, $f_2(x_2(t))=\frac{1}{2}(\mid x_2(t)+1\mid+\mid x_2(t)-1\mid)$, $f_1(x_1)=\tanh(x_1)$.
显然, 可以得出激活函数 $f_j(x_j(t))~(j=1, 2)$满足假设条件(H1) 并且可得 $L_j=1~(j=1, 2)$.选取 $\delta=0.036$, $\varepsilon=1$, 当 $\alpha=0.98$时, 可以得到 $ M=0.131887442012802, \ \ \ N=1.839513983297748. $从不等式
中可以估计出时间 $T=1.6137$, 在根据定理3.1和定理4.1可知, 系统(6.1) 有唯一的平衡点 $(x_1^*, x_2^*)=(-2.98348, 1.10785)$, 并且关于 $\{t_0=0, \delta=0.036, \varepsilon=1, \mathbb{T}=[0, 1.6137], \tau=0.5\}$是有限时间稳定的.根据第5节的数值仿真, 考虑如下情况.
情况1 系统(6.1) 的初始值为 $(x_1, x_2)=(-2.9816, 1.1090)$.
情况2 系统(6.1) 的初始值为 $(x_1^*, x_2^*)=(-2.98348, 1.10785)$.
情况3 系统(6.1) 的初始值为 $(x_1, x_2)=(-2.9854, 1.1067)$.
根据图 6.1知当时间步长 $h=0.01$时, 对于情况1-3可得出系统(6.1) 的唯一平衡点是 $(x_1^*, x_2^*)=(-2.98348, 1.10785)$, 并关于 $\{t_0=0, \delta=0.036, \varepsilon=1, \mathbb{T}=[0, 1.6137], \tau=0.5\}$是有限时间稳定的.说明了理论结果的正确性.