2006,26A(6):968—977 数学物理学报 随机分布参数型Hopfield时滞神经网络的稳定性 罗琦 (南京信息工程大学信息与通信系 南京210044) 邓飞其 (华南理::大学自动化科学与工程学院 包俊东 (内蒙古师范大学数学系 呼和浩特0】0022) 摘要:基于随机hlbini定理,利用关于空『日J变量平均的Lyapunov函数与It6公式,研究了 具时滞的分布参数型随机Hopfield神经网络的稳定性与镇定,获得了若十充分条件. 关键词:时滞;分布参数;Hopfield神经网络;随机Fubini定理;稳定性. MR(2000)主题分类:93E15 中图分类号:TP2711。.74 文献标识码:A 文章编号:1003—3998(2006)06—968—10 1 引言 众所周知,Hopfield型神经网络的稳定性有深远的理论意义与广泛的应用背景[ ,引,特 别是应用电子电路来实现某些新的优化智能计算,引人入胜,因而吸引了许多科学工作者对 其进行研究.在国内,文献『3,4]发表后,掀起了一个新的研究神经网络理论的高潮. 1996 年开始出现从时间方向的动态变化来考虑神经网络动力学行为的系列论文【 ,引.由于研究难 度较大,至今关于随机神经网络方面的论文还足很少.考虑到电子在不均匀的电磁场中运 行,扩散现象不可避免,文献『7 9]考虑了具有扩散项的神经网络的稳定性,最近,王林山、 徐道义进一步研究了变时滞反应扩散Hopfield神经网络的全局指数稳定【1i=l】,仔细分析上述 成果不难发现,既有从注意时间方向的动态变化来研究Hopfield神经网络的动力学行为方 面的成果,又有研究具有扩散的神经网络的稳定性方面的佳作,但国际国内至今未见关于具 分布参数的Hopfield随机神经网络的稳定性方面的研究成果.实际上,由于神经网络是通 过电子电路实现的,其电热效应不可避免,故用随机方程描述更切实际,叉由于电磁场的密 度一般来说是不均匀的,电子在不均匀的电磁场运行过程中,势必涉及扩散问题,因此,用 扩散方程描述就是自然的了,另一方面,虽然电子运行速度快,难免仍会产生相对的滞后现 象.综合上述因素可知,具分布参数的Hopfield随机时滞神经网络应更具有代表性,其研究 意义与应用前景不言而喻.至于到目前仍无相应研究成果面世,究其原因主要是没有对应的 It6公式可用,叉尚未找到合适的研究方法与工具. 收稿日期:2004一tt一13;修订日期 20U6—05—25 E—mail:hb2—102@nuist.edu.ca 基金项目:国家自然科学基金(60574042)资助 维普资讯 http://www.cqvip.com
No.6 罗琦等:随机分布参数型Hopfield时滞神经网络的稳定性 969 随机微分方程的理论已日趋成熟[¨ ,随机偏微分方程的研究才刚刚起步,It5[ix】在 无穷维空 中研究了随机偏微分方程的解的理论,Sigurd Assing[16】给出了随机偏微分方程 的比较定理,Chow and Hasrninskii[17],Da Prato et all18],Crauel et all19],Berge et all0 0]分 别对随机Navier—Stokes方程,随机Burgers方程,随机非线性双曲方程以及半线性和拟线 性的随机抛物方程的解进行了定性分析,最近,Berge et all21】研究了非线性随机抛物型偏 微分方程全局吸引子的结构与稳定性,文献[22]则研究了随机分布参数系统的最优控制问 题.我们在文献[23]中运用随机hlbini[24,20】定理与文献【12]中利用交换积分次序估计不等 式的方法研究了随机抛物型神经网络的指数稳定问题.本文仍用该方法进一步研究具分布 参数的Hopfield随机时滞神经网络的指数稳定性.具体实施方法足运用It6微分公式沿所考 虑的神经网络对构造的关于参数空间变最平均的Lyapunov函数进行微分,克服了研究具分 布参数的Hopfield随机时滞神经网络无相应It6公式的困难,给出了该系统稳定与镇定若干 充分条件. 2系统的描述 我们在文献[23]中考虑了具分布参数的Hopfield随机神经网络 卅 a ̄jgj(vj(t,x)),+ 卜 +∑ ( ( , ))d1』J2(t), i∈ ( , )∈兄+×G. 本:史进一步考虑具时滞的分布参数型Hopfield随机神经网络 ∑ 毗 偿 ∽ i∈人厂,(t, )∈R+×G 死 、J、JZ 、●●、,I●, d ,【 相应的初、边值条件为 " (<, )= (<,z),i∈人厂,(<, )∈[一7-,0]×G, Ov a( tz),一:O, 一 ,(£, )∈兄+×aG. (3) n 21,一( 1,…,z ) ,JXk J< )c月 ,其边界OG逐 其中, ={1,…,札),R十=[0,+o。),G {片光滑;Dik(t, ,V) 0足够光滑; 1/(G死),aij= /GJ,i∈ , (∈)是Sigmoidal 函数,满足 (∈)l 1 A l∈l,f∈(一。。,+o。). (4) (t)=( ( ),…,win(t)) 足定义在完备的概率空间(Q, ,( ) ∈J,P)上具自然流{ }t≥0 的m维Brown运动, :R 一R , (")=( (Vi(t, ))) .m满足局部Lipshitz连续和 维普资讯 http://www.cqvip.com
970 数学物理学报 V01.26A 线性增长条件,且盯(0)=0;7_--IllaX(7"1,…,,rn)>0是常数, (‘, )∈ ([_7_,0]×G,R), 这里, ([一下,0]×G,R)表有界的Yo可测c(_一下,0]×G,R)值随机变量全体; = ( ,…, ) ;n为G的单位外法向量. 以下我们记E为(12 1,( {) +,P)上的期望函数. 定义1称定义在(Q, ,(五)tER+,P)上的R 值的随机向量v(t, )=(Vl(t, ),…, Vn( , ))T是问题(1-3)的一个解随机场(简称解),如果它满足下面的条件 (I)v(t, )=(Vl(t, ),…,V (t, )) 适应于{ ) 20; (II)对每一个T∈R+,有v(t, )∈ ([0,T]×G,R ),且有 E(/ i删nax/o[Iv( +l 、 )< (III)对每一个T∈R+,与每一个t∈(0, ],‘∈[一7_,0],我们有 ㈡ 蚪 ̄/o 喜 +L/o [一 cf死, + n c 。cf一 , ]dfd + 小水 州 (01 . (5) P-a.S.成立. 关于混合问题(1…3)的解的存在唯一性可参见文献[20]. 定义2 ̄gtl'JN J' ̄JN(1 3)的解v(t, )=(Vl( , ),…,Vn( , ))丁是均方指数稳定的,如 果存在常数P>0,OL>0,使得 — (1lt,( , )1 )≤p\ ∈In【一3, x,。】l (<, )1 )e— t,P—a.s. 其中, (<, )一( (<, ),…, ( , ))丁, ∈G,II-l l.1 dz. 在本文中,约定所有的等式与不等式都是依概率几乎必然(P S.)成立,不再标明. 注意 j随机Fubini定理[24,25],(5)式给我们一个提示,随机过程 西( )d , (6) 可以形式上看作以下随机常微分方程 ㈤= 喜 , 卜 +。 [一6 一 , +喜。 c仇cf一 , ]d )d + ∑ 2("t( )捌 (t), =Ⅳ,(t, )∈R+×G (7) 维普资讯 http://www.cqvip.com
No.6 满足初始条件 罗琦等:随机分布参数型Hopfidd时滞神经网络的稳定性 971 (0)= (<),<∈卜丁,0],i∈A/" (8) 的解过程.其中, 。(<)=由 ( ,:c)dx i=1,…,佗.因此,我们可以通过构造一个平均 的Lyapunov函数,并运用It6微分公式对该函数沿(1)式求微分,从而获得相应的结论. 3主要结论 记 Vr( , )=(Vl(t—T1, ),…, J (t一 ,z)) , g(" (t, ))=(gl(Vl(t T1, )),・-・,g (" (t— ,z))) . 定理1假设下列条件满足 (I) ( , ),i∈ 在R+×G上有界,且存在常数pi>0,使得" (t—n, ) pi" (t,z); (II)存在常数 >0,使得;trace( (v(t, ))盯(v(t, ))) z 。(t,z); cⅡ 存在n>。c ∈ ,使得矩阵Ⅳ=最大特征值.这里, 0=diag(一2bl+r P=diag(r1,…,rn); + ,…,一2b +r¨ (AQT—AP)负定,并设A为矩阵日的 + ),A=(aij) , (IV)对任意的 ∈A/",存在常数。满足;0< <min(A, t n。n t), 则(1)式的零解是均方指数稳定的,即有关于空间变量平均意义下的均方Lyapunov指数估 计 T至lia ̄r lg ( , ) ) 一 (9) 证对任意给定的固定初值<,记v(t, )=v(t,<, ),令 ( , ( , ))=∑ (z一 , )+∑n/9 (H s, ))ds .同时,构造Lyap ̄lIlOV泛函如下 V(t,f_j)=/V(t,v(t, ))dx. 显然,该函数是正定的.因为v(t, )是(1)式的解,换句话说, 函数,故可以运用It6微分公式沿(1)式计算(10)式,即有 (10) (£, )是随机过程的复合 dV( ,")lf】)=/dl/(t,v(t, ))l(1)dx 一 [c1 (t,”(t,z))dt+oqV)T盯( (t,z))d (t)]d ∑ [9 (t,z))一9 (t一 )) 出 一 维普资讯 http://www.cqvip.com
972 数学物理学报 、,01.26A +/G 2 ct一 , [一 ct一 , + J l 9 ct一 , ]l d d +trace( T(”(t, )) (v(t,x)))dxdt + 妻 +2 ∑ 其中【l1],c ( (c j=酉 一OV+耋(甓鲁)(1]+ 1 ace( ( ) (fj )△ ( (11 由分部积分法,并注意边值条件(3)有 一 m∑㈨盯 ∑ = ∑ (12) 1 k =l 。 鬻( ) 。 d 由定理条件(I)、(II)及(d 12)式,(11)式可以化为 dV(t,u)l(1) /音 (GZ—[ l ( +v ̄(t-警 )T.x )J] ,卅2 喜 aijvi(t—Ti, )gi(Vi(t一丁{, )) +2 ∑ ( 一 )∑ ( ))d dWl(t).(13) =1 Z11 注意矩阵H的定义,(13)式又可化为 dV(t,u)I(1) /t, (t, )固u (t, )+u (t,x)Ag ( (t, ))+g (u (t, ))ATu ( ,X) n —gT v (t, ))Pg(v (t, ))]dxdt +2/G , )∑Of))dxd (t) =1 'il(仇( =√( /( (t, )棚T( (t, ))H( T(t, ),9T vT(t, )))T d dt n m +2 ∑ (t )∑ 础 )) dWl(t) ”u{=1 Z 1 -A/(u (t, )+g (" (t,x)))dxdt JG n n m +2 ∑ (t— , )∑ f( t(t, ))d dWz(t). (14) 维普资讯 http://www.cqvip.com
NO.6 罗琦等:随机分布参数型Hopfield时滞神经网络的稳定性 973 取定理条件(IV)中的 ∈(0, ),再由It6公式,我们有 d JettY(t,v)] (t-"ri,x + d lI dt s, ds] 其 中 ( )+g2( )捌t t Ti,X 从0到任意的T>0积分上面不等式两边,且取数学期望便有 E[eaTV(T,v)]<pl+E[ ./G J厂0T eat i=1 ct一 , dtd ] 叫 T c 捌 ∑ T 一E cv2(t,x)+g2(v(t,x))0)dtdx]. 其中,Pl= /n ) \ +ICl E帆 凡 。】d 计算 d eat 2 ct+s,x 础d 厂厂T+ ̄I)AT = ndt 捌 i=1 Ti J SVO/G_/_ ))ds + 加 (s_州s riT ̄e .于是,(15)式化为 卧 咿 ] +E卜 T 识∽ d + (。n en 一 )_/Gn 9 (仇(t— , ] 因此,由(11)式有 。a E f厂\ G ( , )d 1 J。1+ap2 即(9)式成立,亦即说明(1)式的解是均方指数稳定的. l_ G ∑ 维普资讯 http://www.cqvip.com
974 数学物理学报 Vl01.26A 显然,定理1的条件比较苛刻,尤其是条件(IV)与(V),使得系统的稳定域比较小.如 果增加一个控制函数,则可扩大稳定域.为此,考虑Hopfield随机控制分布参数神经网络 dvi(t,X) =0[Dik(t,x,v)OVi(t, ̄ ]一6t ct一 , +如 c , +喜。 c ct一 , )dt +∑ ( ( , ))d伽 i∈: ,(t, )∈R+×G. (16 其中,ki>0(i∈ )为控制系数,Ui( , ),i∈ ,(t, )∈兄+×G为控制函数. 定理2假设定理1中的条件(I)、(II)、(IV)不变,条件(III)改为 (II 存在常数 >0 >( 得矩阵肚(暴- p)负定,并设_.为矩阵 H的最大特征值.这里,国=diag(~261—2kl+r 卢 + ,…,一2b 一2k + + 1, P=diag(r1+ 一,r +。 n, ),A=(。 ) ,则控制系统(16)在控制器 ( , )一Vi(t一 , )一gi( (t一 , )) (17) 作用下,对应的闭环系统的零解是均方指数稳定的,即关 j:空间变量平均意义下的均方Lya— punov指数估计(9)式仍然成立. 证将(17)式代入(16)式得闭环系统 { 去 一 -kigi(v ̄ct-Ti,X ^ 、 +∑nijg (仇( )) +∑ (嘶 ))d ( ), J J /=1 i∈ ,( ,z)∈R+×G. (18) 仍取(10)式做为Lyapunov泛函数,运用It6公式沿(18)式计算(10)式,注意到Sigmoida1 函数的性质,对每一个i∈ ,容易推得 仇(t , )gl(Vi(t死, )) 丢9 (Vi(t一 , )). 类似定理1的证明,我们可以得到 dV(t,V)I(18) { (讹 9 )曰( ),gT( ) d +2 ∑仇(t )∑ (吡 ))捌 ( ) /G( ‘£ 1)+g2(u , )))dxdt+2/G (t-Ti,X) ̄ ( z)) d ( 剩下的只要重复定理1的证明即可. I 维普资讯 http://www.cqvip.com
No.6 罗琦等:随机分布参数型Hopfield时滞神经网络的稳定性 975 我们知道,即使是随机干扰,也会出现滞后,即系统(1)中的随机干扰系数应该表为 O'il(仇(£, )),类似定理1,同样可以得到相应结论. 下面考虑形如 一 仇 刊+ t +∑ ( ( , ))(i (£),i∈ ,( , )∈R+×G (19) 的时滞随机反应扩散神经网络,初、边值条件仍为(2)、(3)式,其中di(i=l,…,札)>0, △为扩散系数,为Laplace算子.类似于定理1,我们有 定理3定理l中的条件(I)、(II)、(IV)不变,条件(III)改为 (III)”存在kt>0(i∈ ),使得矩阵疗=I\ 、A “l负定,并设一入为矩阵 P/ 一/ 4、 的最大特征值.这里,Q=diag(一261一dl/h2+r + ,…,一2b 一dn肛。+rn + ), A=(aij) P=diag(rl,…,r2),则(19)式的零解是均方指数稳定的,即有关于空间变量 平均意义下的均方Lyapunov指数估计式(9)成立. 证仍以(10)式作为Lyapunov函数,故运用It6微分公式沿(19)式计算(10)式,有 1_ dV(t,V)l(19) 9 ∑rt[i=1 2(仇(£ 圳捌£ ∑ 0 ~=j + 2 f diAvi(t-Ti,X)-biv+(t (卜刊 州砌附 一Z + G trace(盯 ( ( , ))盯( (£, )))d d£ 1●●●●●●●j d i=1由散度定理及边界条件有 vi(t--Ti,X) 再由Poincare不等式有 (t Ti ̄X)dx<h2 ( 仇(t--Ti,x 将(21)、(22)式代入(20)式有 (22) (t--Ti,X)d ( (t-- ̄:i,x (21) 训 [ ( t +2∑∑n 仇(£一 ,x)g ( (£ , )) 维普资讯 http://www.cqvip.com
976 数学物理学报 Vo1.26A +2/. t— , x))dxdwz(t) G 注意定理3中的矩阵宜的定义,同样有(14)式成立.余下的证明与定理1后部分相同,故 略. 1 4 结论 本文的思想方法同文献f23,所不同的是由于涉及时滞,需要构造一个关于空间变量平 均的Lyapunov泛函,然后运用It6微分公式对该泛函沿时滞随机神经网络求微分.本文所 获结论均为新结果.如果将定理条件适当修改,还可获得系列推论. 关于复杂系统的研究已受到科学工作者的广泛关注.就微分方程模型而言,随机常微分 方程的研究已日趋成熟,分布参数系统的研究也较深入,由J 尚未找到合适的方法与工具, 对随机分布参数系统的研究刚刚起步,而这类系统更贴近于实际系统,因此,对随机分布参 数系统的研究具有深远的理论意义与广泛的应用背景. 关于随机分布参数系统的研究方法还有待于进一步开拓.实际上,积分方法、不等式方 法、Lypunov方法均有望用于随机分布参数系统的研究. 关于随机分布参数系统的研究,可以说是一块有广阔开发前景的处女地,目前,围内尚 未起步,国际上研究论文也不多,研究空间与应用前景看好. 参考文献 『11 Hopfield J J.Nerual networks and Physical systems with emergent collect coinputational abilities Proc Natl Acad Sci USA 1982,79:2554 2558 l21 ttopfield J J,W Tank D Coinputing with neural circuits:a nlo(te1.Science,1986,233:625 633 [3]廖晓昕.细胞神经网络的数学理论L中国科学A辑, 1994,24(9):903—910 [4]梁学斌,吴立德.Hopfield型神经网络的全局指数稳定性及其应用.中国科学A辑, 1995,25(5):523—532 『51 Liao X X,MaO X R.Stability of stochastic neutral networks.Neural,Parallel Scientiifc Computations, 1996.4:205 224 『61 Liao X X,Mao x R.Exponential stability and instability of stochastic neural networks.Stochastic Analysis and Applications,1996,14(2):165 185 【7]He Q M,Kang L.Existence and stability of global solution for generalized tfopfield neural network system. Neural,Parallel Scientiifc Computations,1994,2:165-1 76 [8]廖晓听,傅于力,高建等.具有反应扩散的ttopfield神经网络的稳定性.电于学报,2000,8(1):78 80 [9]Liao x x,Yang S z,Cheng S J,et a1.Stability of general neural networks with reaction difusion Science in China,2001,44F(5):389 395 【10]王林山,徐道义.变时滞反应扩散Hopfield忡经网络的全局指数稳定性.中国科学E辑,2003,33(6):480—495 『111刘永清,邓飞其.随机系统的变结构控制.广州:华南理工大学出版社, 1998 『121 Mao X.Exponential Stability of Stochastic Diferential Equations.New York:Marcel Dekker Inc,1994 [13]郭雷.时变随机系统一稳定性、估 与控制.长春:吉林科学出版社, 1993 【1 4]胡宣达.随机微分方程稳定性理论.南京:南京人学m版社。1986 『151 It5 K.Foundations of Stochastic Diiferential Equations in Infinite Dimensional Spaces.CBMS Notes 47, Baton Rouge:SIAM,1984 [16]Sigurd Assing Comparison of systems of stochastic partial diferential equations.Stochastic Processes and Their Applications,1999,82:259 282 [17]Chow P L,Has’minskii R Z.Stationary solutions of nonlillear stochastic evolution equations'.Stochastic Anal Appl,1997,15(5):671 699 [18]Da Prato G,Debussche A,Temam R Stochastic Burgers’equation.Nonlinear Diferential Equation Appl, 1994,1:389—402 m∑ 维普资讯 http://www.cqvip.com
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