Isbn 978-5-7262-1376 нейроинформатика 2011
Подобный материал:
- Isbn 978-5-7262-1376 нейроинформатика 2011, 133.04kb.
- Isbn 978-5-7262-1376 нейроинформатика 2011, 164.77kb.
- Isbn 978-5-7262-1377 нейроинформатика 2011, 107.92kb.
- Isbn 978-5-7262-1375 нейроинформатика 2011, 127.94kb.
- Isbn 978-5-7262-1375 нейроинформатика 2011, 25.66kb.
- Isbn 978-5-7262-1375 нейроинформатика 2011, 105.62kb.
- Isbn 978-5-7262-1226 нейроинформатика 2010, 142.85kb.
- Isbn 978-5-7262-1377 нейроинформатика 2011, 136.96kb.
- Isbn 978-5-7262-1375 нейроинформатика 2011, 79.42kb.
- Isbn 978-5-7262-1226 нейроинформатика 2010, 136.25kb.
ISBN 978-5-7262-1376-7. НЕЙРОИНФОРМАТИКА – 2011. Часть 2
В.А. ШАБАРШИН Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова falemnderit@yandex.ruАСИМПТОТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ УРАВНЕНИЯ АЛЬТЕРНАТИВНОЙ МОДЕЛИ ИМПУЛЬСНОГО НЕЙРОНА С ЗАПАЗДЫВАНИЕМВ статье с помощью метода пошагового интегрирования проведено исследование периодического решения дифференциального уравнения и численно смоделировано диффузионное взаимодействие системы двух импульсных нейронов, описываемых дифференциальными уравнениями с запаздыванием.
Ключевые слова: уравнение Хатчинсона, метод пошагового асимптотического интегрирования, диффузионное взаимодействие
ВведениеВ настоящее время дифференциальные уравнения с запаздывающим аргументом находят большое применение в различных задачах прикладной математики. Дифференциальные уравнения с отклоняющимся аргументом встречались еще в работах Л. Эйлера, однако их теория была развита только в двадцатом веке. В 1948 году появилась модель численности популяции, предложенная Г.Е. Хатчинсоном. Модель основана на уравнении с запаздыванием

где

– численность особей,

– некоторый средний размер популяции (иногда называется емкостью среды),

– показатель роста. В данной работе исследуется уравнение типа Хатчинсона.
В работе [1] для феноменологической импульсной модели нейрона:

основанной на дифференциальном уравнении с запаздыванием, проведена оценка нулевого приближения для периода решения. В работах [2] и [3] получена поправка к периоду. В [4] предложен новый метод асимптотического исследования дифференциальных уравнений с запаздыванием, описывающих динамику импульсного нейрона. Техника вычисления периода используется в данной работе при рассмотрении вопроса о существовании периодического решения уравнения с нелинейностью, удовлетворяющей определенным условиям.
Постановка задачиРассмотрим дифференциальное уравнение:

(1)
где

– некоторая константа,

Функция

– гладкая, относительно быстро и монотонно стремящаяся к нулю. Будем считать, что она удовлетворяет следующим условиям:

при

. (2)
Начальная задача отыскания решения уравнения (1) определяется заданием функции

на отрезке единичной длины. В работе будем использовать отрезок

. Определим множество

– класс непрерывных функций:

В качестве начальной функции для (1) будем выбирать произвольную функцию

из класса
С помощью метода пошагового интегрирования требуется провести исследование периодического решения дифференциального уравнения, получить оценку периода, провести численное исследование системы двух импульсных нейронов, описываемых дифференциальными уравнениями с запаздыванием.
Анализ уравнения в нулевом приближенииМы рассматриваем дифференциальное уравнение (1) с функцией

удовлетворяющей условиям (2). Пусть начальная функция

Введем оператор

. Перепишем уравнение (1) в виде:
1. Рассмотрим промежуток

(соответственно

)
На этом промежутке функция – решение уравнения – растет очень быстро и достигает максимального значения. В точке

происходит как бы переключение: до

функция

росла, а после этого момента времени начинает падать. При

функция

Функцию

представим в виде:

В таком случае оператор

принимает вид:

, а уравнение (1)

Его решение:

Находим его значение в граничной точке
2. Далее

меняется от 1 до некоторого момента времени

такого, что

При таких

выполняются следующие неравенства:

и

т.е. обе функции принимают очень большие значения. В этом случае

Оператор

так как

больше единицы. Значения оператора отрицательны, значит производная тоже отрицательная. На этом промежутке времени значения функции

убывают до порогового значения

Причем переключения не происходит: на этом участке функция

– монотонная (строго убывающая). Исходное уравнение принимает вид:

Его решение есть функция

Вспомним, что

Одновременно,

Выразим
3. Перейдем к следующему промежутку:

, где

До момента времени

функция

по-прежнему убывала. В точке

произойдет «переключение»: при

решение начинает вновь расти. Так как сейчас

то

В этом случае

Мы попали в ситуацию, аналогичную рассмотренной в пункте 2. Тогда решение уравнения (1) имеет вид:

Найдем, чему равна эта функция на конце рассматриваемого промежутка:
4. Пусть

, где момент времени

таков, что

На этом отрезке времени функция растет до порогового значения

и мы оказываемся в ситуации первого промежутка. Здесь справедливы следующие неравенства:

и

Функция

раскладывается по формуле Тейлора в такую сумму:

. Оператор

переписывается таким образом:

. Уравнение (1) принимает следующий вид:

Его решение таково:

В точке

решение исходного уравнения:

В то же время,

Выразим момент времени

.
Ниже приведены значения для основных моментов времени:
Для того чтобы продолжить построение асимптотики для моментов времени

заметим, что в этом случае функцию

на последнем промежутке следует рассматривать как новую начальную функцию уравнения (1). Она входит во множество допустимых начальных функций и, построив для нее асимптотическое решение на промежутке

, мы убедимся, что очередная начальная функция удовлетворяет определению класса начальных функций. Таким образом, для произвольной начальной функции

построенная асимптотика оказывается периодической функцией с периодом, равным

.
Уточнение периода решения дифференциального уравнения с запаздываниемВернемся к рассмотрению дифференциального уравнения (1), и проведем рассуждение, аналогично работам [2]–[4], которое позволит нам уточнить значение периода.
1. Рассмотрим промежуток

, где

Соответственно,

. Поэтому

мало, и функцию

можно разложить по формуле Тейлора в точке

по степеням

. Аргумент

функции

равен

. Учитывая, что функция

принадлежит классу

удовлетворяющему формуле (6), и

формулу для

перепишем как:

. Тогда уравнение (1) приобретает следующий вид:

Его решение

. Подставим значение

, получим

. В точке

значение функции

Отсюда

Выразим момент времени
2. Далее

меняется на промежутке

, где

и

т.е. по-прежнему

Повторяя рассуждения предыдущего пункта и учитывая начальное значение

запишем решение уравнения на втором промежутке:

. Отсюда при

.
3. Рассмотрим отрезок времени

, где

Тогда

. Уравнение (1) имеет вид:

Запишем его решение:

Найдем значение функции при

Используя рассуждения в работе [1], получим, что

, где

.
4. В качестве четвертого промежутка для построения решения выберем интервал

, где момент времени

определяется из условия

Так как

то

и

. При таких значениях

аргумент запаздывающей функции

Поэтому

. Следовательно, уравнение имеет вид:

Решением является функция:

. Зная, что

найдем момент времени
5. На следующем шаге

, где

соответственно

, и

по-прежнему велико. Поэтому функция

мала, и уравнение сохраняет вид, как в предыдущем пункте. Решением является функция

. Определим

из условий промежутка:
6. Пусть теперь

, где

Тогда

, т.е.


, и значения функции

все еще велики. Решение исходного уравнения на этом промежутке:

. Найдем значение функции

при

.
7. Сейчас

, где

Соответственно,

.
Решение уравнения (1) имеет вид:

.
Значение решения дифференциального уравнения (1) в момент времени

имеет вид (используется подход, описанный в работе [1])

.
8. Рассмотрим промежуток

, для которого момент времени

определен условием

Тогда,

. Если учесть, как определялся момент

то

. Значение функции

здесь очень мало, и уравнение (1) принимает в таком случае вид:

Его решение:

. Значение в момент времени

. Найдем
Мы хотим показать существование такого промежутка времени

что

для

Тем самым будет определено наличие периодического решения уравнения (1). Чтобы утверждать, что

нужно убедиться в том, что значения функции

на промежутке

принадлежат множеству

Это так, если параметр

выбран из промежутка

. Значение решения для таких

определяется

. Таким образом, доказана следующая теорема.
Теорема. Пусть функция

определена для положительных значений аргумента, непрерывно дифференцируема и положительна, монотонно убывает, при

ведет себя как

. Функция удовлетворяет условиям

и

Тогда уравнение (1) с начальными условиями из множества

имеет периодическое решение и период определяется формулой

где

.
Модель диффузионного взаимодействияБиологический нейрон – это биологическая клетка, выполняющая функции, связанные с генерированием электрических импульсов, т.е. нелинейная электрическая система. К настоящему моменту времени существует множество самых разнообразных математических моделей нейрона. Следуя работам [1] и [4] мы будем рассматривать дифференциальное уравнение (1) как уравнение, описывающее динамику мембранного потенциала нейрона. Рассмотрение множества одинаковых взаимодействующих нейронов приводит к понятию нейронной сети. Именно моделирование сетей представляет основной интерес. Важная характеристика нейронной сети – механизм взаимодействия ее элементов. Для моделирования взаимодействия в правую часть уравнения нейрона-приемника добавим слагаемое, которое соответствует току проводимости. Значение этого слагаемого определяется разностью мембранных потенциалов взаимодействующих нейронов:

, где

и

– мембранные потенциалы этих нейронов. Параметр

имеет смысл коэффициента разностной диффузии. В работе [1] приведены биологические соображения о том, что коэффициент разностной диффузии

мал по величине и согласован с параметром

, где

В этом случае в системах, состоящих из электрически взаимодействующих импульсных нейронов, имеют место разнообразные типы синхронизации колебательных режимов. Нейронная сеть, состоящая из импульсных нейронов с электрическим взаимодействием, будет описываться следующей системой уравнений:

(3)
где

и

– мембранные потенциалы взаимодействующих нейронов, а

– коэффициент проводимости межклеточной жидкости.
Результаты компьютерного моделирования основной моделиБыло проведено численное решение уравнения (1) и системы (3) с помощью формулы прямоугольников. Поскольку нас интересуют импульсные решения, то параметр

выбран так, чтобы было выполнено неравенство

На рис. 1 приведен график решения уравнения (1) на интервале

при

(численное интегрирование проводилось с шагом

На рис. 2 изображен график решения системы (3) при

и
Рис. 1. Решение уравнения (1) при = 3
Рис. 2. Решение системы (3) при

и
ЗаключениеВ работе проведено исследование дифференциального уравнения (1), которое описывает динамику мембранного потенциала нейрона-пейсмейкера. В качестве начального условия была выбрана начальная функция из соответствующего класса, затем уравнение решалось методом шагов. Доказано существование периодического решения у соотношения, и выведена формула для вычисления значения этого периода. Для компьютерного эксперимента была написана программа. Она позволяет решить численно уравнение (1) и систему уравнений (3) и построить эти решения. Работа имеет хорошую перспективу развития, например, для аналитического исследования задачи взаимодействия нейронов.
Список литературы1. Кащенко С.А., Майоров В.В. Модели волновой памяти. М.: Книжный дом ЛИБРОКОМ, 2009, 288 с.
2. Майоров В.В., Мячин М.Л., Парамонов И.В. Поправка к периоду решения уравнения, моделирующего динамику мембранного потенциала нейрона. // Моделирование и анализ вычислительных систем. Т. 15, № 2. / Под ред. В. А. Соколова. Ярославль: Изд-во Яросл. гос. ун-та им. П. Г. Демидова, 2008. С. 61–66.
3. Дунаева О.А., Мячин М.Л. Исправления и дополнения к статье «Поправка к периоду решения уравнения, моделирующего динамику мембранного потенциала нейрона». // Моделирование и анализ вычислительных систем. Т. 16, № 3. / Под ред. В.А. Соколова. Ярославль: Изд-во Яросл. гос. ун-та им. П.Г. Демидова, 2009. С. 58–64.
4. Мячин М.Л. Исследование автоколебательных режимов в сетях импульсных нейронов: дис. … к. ф.-м. наук : 05.13.18 // Мячин М. Л. Ярославль, 2009. 85 с.
УДК 004.032.26(06) Нейронные сети