具有時(shí)變時(shí)滯的分?jǐn)?shù)階四元數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的投影同步

李春美, 楊緒君, 吳 香

(重慶交通大學(xué) 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院,重慶 400074)

0 引 言

近年來,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在模式識(shí)別[1]、聯(lián)想記憶、信號(hào)處理[2]和安全通信等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,引起了許多研究者的關(guān)注[3]．由于分?jǐn)?shù)階模型相比傳統(tǒng)的整數(shù)階模型,有很好的遺傳性和記憶性,能更準(zhǔn)確地描述復(fù)雜系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為,因此,許多學(xué)者開始研究分?jǐn)?shù)階神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),并得到了顯著的研究成果[4-6]．

同步現(xiàn)象作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種重要的動(dòng)態(tài)行為,是分?jǐn)?shù)階神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題,包括完全同步[7]、準(zhǔn)同步[8]和Mittag-Leffer同步[9]．文獻(xiàn)[10]研究了一類分?jǐn)?shù)階復(fù)值神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)投影同步和完全同步問題,通過設(shè)計(jì)合適的線性反饋控制器和自適應(yīng)控制,利用Laplace變換和Mittag-Leffler函數(shù)的性質(zhì)建立了一個(gè)新的分?jǐn)?shù)階微分不等式．目前,已有許多學(xué)者對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的投影問題進(jìn)行了深入研究[11-13]．文獻(xiàn)[14]利用復(fù)變函數(shù)和Mittag-Leffler函數(shù)的理論討論了分?jǐn)?shù)階遞歸復(fù)值神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的擬投影同步．文獻(xiàn)[15]研究了分?jǐn)?shù)階復(fù)值記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的投影同步問題,根據(jù)分?jǐn)?shù)階多時(shí)滯系統(tǒng)的穩(wěn)定性定理和比較原理,得到了保證驅(qū)動(dòng)響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)同步的一些判據(jù)．文獻(xiàn)[16]研究了一類分?jǐn)?shù)階延遲神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的驅(qū)動(dòng)響應(yīng)同步問題．

以上關(guān)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究,都是關(guān)于實(shí)值或復(fù)值神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的,但在實(shí)際應(yīng)用中,會(huì)遇到多維數(shù)據(jù),實(shí)值神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和復(fù)值神經(jīng)元無法很好地處理這些數(shù)據(jù)．而四元數(shù)由一個(gè)實(shí)部和三個(gè)虛部組成,可以有效地處理多維數(shù)據(jù)．因此,一些學(xué)者將四元數(shù)引入到經(jīng)典的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中,建立了四元數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[17-18]．與實(shí)值神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和復(fù)值神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比,四元數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的存儲(chǔ)容量大,可處理多維信息,應(yīng)用于圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、彩色夜視等領(lǐng)域[19-20]．文獻(xiàn)[21]將分?jǐn)?shù)階四元數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分解成四個(gè)實(shí)值部分,通過分?jǐn)?shù)階微分不等式,設(shè)計(jì)合適的控制器,研究了分?jǐn)?shù)階四元數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的投影問題．文獻(xiàn)[22-24]將四元數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分解為兩個(gè)復(fù)值系統(tǒng)或四個(gè)實(shí)值系統(tǒng)．雖然這種分離方法是可行和有效的,但它導(dǎo)致了模型維數(shù)增加,增強(qiáng)了理論分析的復(fù)雜性．文獻(xiàn)[25]研究了具有時(shí)滯和參數(shù)不確定的四元數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的魯棒性問題．目前,將四元數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)同步性問題當(dāng)作一個(gè)整體來研究尚不多見．

鑒于此,本文研究了具有時(shí)變時(shí)滯的四元數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的投影同步問題．通過選取合適的Lyapunov-Krasovskii泛函,結(jié)合積分不等式,得到了網(wǎng)絡(luò)投影同步的不等式判據(jù)．

注1H表示四元數(shù)斜域,Hn和Hn×n分別表示n維四元數(shù)空間和n×n四元數(shù)矩陣集．AT和A*分別表示矩陣A的轉(zhuǎn)置矩陣和共軛轉(zhuǎn)置矩陣．

1 預(yù) 備 知 識(shí)

四元數(shù)可以寫成q=q0+q1i+q2j+q3k,其中q0,q1,q2,q3∈R,i,j,k為虛數(shù)單位,滿足下列條件:

i2=j2=k2=-1,ij=-ji=k,jk=-kj=i,ki=-ik=j．

由此,可以看出四元數(shù)乘積不滿足交換律．如果p=p0+p1i+p2j+p3k∈H,q=q0+q1i+q2j+q3k∈H,則p與q的和定義為

p+q=(p0+q0)+(p1+q1)i+(p2+q2)j+(p3+q3)k;

p與q的積定義為

pq=(p0q0-p1q1-p2q2-p3q3)+(p0q1+p1q0-p2q3-p3q2)i+

(p0q2+p2q0-p1q3+p3q1)j+(p0q3+p3q0+p1q2-p2q1)k．

四元數(shù)q的共軛定義為

四元數(shù)q的模定義為

定義1(分?jǐn)?shù)階積分) 設(shè)f(t)∈Hn在[t0,+∞)是分段連續(xù)的函數(shù),函數(shù)f(t)的分?jǐn)?shù)階積分定義為

定義2(Riemann-Liouville分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)) 設(shè)f(t)∈Hn在[t0,+∞)是可微的函數(shù),函數(shù)f(t)的分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)定義為

其中

m-1<α

引理1[5]若z(t)∈R是連續(xù)可導(dǎo)的函數(shù),且z(t)的導(dǎo)數(shù)是可積的,則對(duì)?t>0,α∈(0,1),下面的不等式成立:

引理2 若p(t)∈H是連續(xù)可微的函數(shù),M為正定的Hermite矩陣,則對(duì)?t>0,α∈(0,1),下面的不等式成立:

證明由于M為正定的Hermite矩陣,則存在一個(gè)酉矩陣W∈Hn×n與正定的對(duì)角陣Λ=diag(λ1,λ2,…,λn),使得M=WΛW,其中λm(m=1,2,…,n)是矩陣M的特征值．

令

U(t)=Wp(t)=(U1(t),U2(t),…,Un(t))T,Um(t)=xm(t)+iym(t)+jzm(t)+kum(t),

則

由引理2得

引理3[17]Q∈Hn×n為正定的Hermite矩陣,向量函數(shù)u(x):[a,b]→Hn,a

引理4[24]Q∈Cn×n為正定的Hermite矩陣,向量函數(shù)u(x):[a,b]→Cn,a

引理5Q∈Hn×n為正定的Hermite矩陣,向量函數(shù)u(x):[a,b]→Hn,a

2 模 型 描 述

本文考慮如下一類具有時(shí)變時(shí)滯分?jǐn)?shù)階四元數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò):

(1)

其中0<α<1,p(t)=(p1(t),p2(t),…,pn(t))T∈Hn表示系統(tǒng)的狀態(tài)向量;E=diag(e1,e2,…,en)表示自反饋矩陣,ei>0,i∈1,2,…,n;σ(t)表示時(shí)變時(shí)滯;A,B分別表示t和t-σ(t)時(shí)刻的連接權(quán)矩陣;向量激活函數(shù)f(p(t))=(f1(p1(t)),f2(p2(t)),…,fn(pn(t)))T∈Hn,g(p(t-σ(t))=(g1(p1(t-σ(t))),g2(p2(t-σ(t))),…,gn(pn(t-σ(t))))T∈Hn;L表示相應(yīng)的外部輸入．

本文做假設(shè)如下．

假設(shè)1 對(duì)任意的x,y∈H,存在兩個(gè)正常數(shù)λi,γi(i=1,2,…,n),使得

|fi(x)-fi(y)|≤λi|x-y|,|gi(x)-gi(y)|≤γi|x-y|．

(2)

令

Λ=diag(λ1,λ2,…,λn),Γ=diag(γ1,γ2,…,γn)．

假設(shè)2 時(shí)滯σ(t)是連續(xù)可導(dǎo)的,且滿足如下條件:

(3)

考慮響應(yīng)系統(tǒng)如下:

(4)

其中u(t)為控制器．控制器設(shè)計(jì)如下:

u(t)=-K(q(t)-Fp(t))+EFp(t)-FEp(t)-Af(Fp(t))+FAf(p(t))-

Bg(Fp(t-σ(t)))+FBg(p(t-σ(t)))-(I-F)L,

(5)

其中K∈Rn×n是控制器u(t)的系數(shù)矩陣,I為單位矩陣．

定義誤差為

θ(t)=q(t)-Fp(t),

(6)

其中

θ(t)=(θ1(t),θ2(t),…,θn(t))*∈Hn,F=diag(F1,F2,…,Fn)>0．

則由系統(tǒng)(1)和系統(tǒng)(4)得到誤差系統(tǒng)如下:

(7)

其中

g(θ(t-σ(t)))+Fp(t-σ(t)))-g(Fp(t-σ(t)))．

3 主 要 結(jié) 論

(8)

證明選擇如下Lyapunov泛函:

V(t)=V1(t)+V2(t)+V3(t),

(9)

其中

(10)

(11)

(12)

對(duì)V1(t),V2(t),V3(t)求導(dǎo),得

θ*(t)(-P1(E+K)-(E+K)*P1+(E+K)*P2(E+K))θ(t)+

(13)

(14)

(15)

在假設(shè)1條件下,存在正定對(duì)角矩陣K1,W,有

(16)

(17)

由式(13)—(17)可知

(18)

其中

根據(jù)Lyapunov理論,可知系統(tǒng)(1)和系統(tǒng)(4)是投影同步的．

注2 當(dāng)系統(tǒng)(1)的時(shí)變時(shí)滯退化成常時(shí)滯時(shí),相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和響應(yīng)系統(tǒng)為

(19)

(20)

其中控制器u(t)=-K(q(t)-Fp(t))+EFp(t)-FEp(t)-Af(Fp(t))+FAf(p(t))-Bg(Fp(t-σ))+FBg(p(t-σ))-(I-F)L．

推論1 若假設(shè)1成立,如果存在正定的Hermite矩陣Pi(i=1,2,…,6),兩個(gè)正定的對(duì)角矩陣K1,W,滿足如下線性矩陣不等式:

(21)

其中Π11=-(E+K)*P1-P1(E+K)+(E+K)*(P2+σ2P4+σ4P6)(E+K)+ΛK1Λ+ΓWΓ,Π12=P1A-(E+K)*(P2+σ2P4+σ4P6)A,Π13=P1B-(E+K)*(P2+σ2P4+σ4P6)B,Π14=-(E+K)*P3,Π15=-σ3(E+K)*P5,Π22=A*(P2+σ2P4+σ4P6)A-K1,Π23=A*(P2+σ2P4+σ4P6)B,Π33=B*(P2+σ2P4+σ4P6)B-W．

根據(jù)Lyapunov理論,可知系統(tǒng)(1)和系統(tǒng)(4)是投影同步的．

注3 文獻(xiàn)[26]研究了分?jǐn)?shù)階四元數(shù)值神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的同步性,但沒有考慮時(shí)滯．該模型是本文研究模型的特例,本文研究的模型更符合實(shí)際,研究結(jié)果也更具有普遍性．

4 數(shù) 值 例 子

例1 考慮以下二維的時(shí)變時(shí)滯分?jǐn)?shù)階四元數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng):

(22)

其中α=0.98,σ(t)=|sin(2t)|,p(t)=(p1(t),p2(t))T∈H2,f1(p(t))=f2(p(t))=g1(p(t))=g2(p(t))=0.25tanh(p(t)),

對(duì)應(yīng)的響應(yīng)系統(tǒng)為

(23)

(24)

當(dāng)Λ=diag(0.25,0.25)時(shí),Γ=diag(0.25,0.25),滿足假設(shè)1和假設(shè)2．

利用MATLAB對(duì)線性矩陣不等式(8)求得可行解為

因此,定理1的條件成立,從而系統(tǒng)(7)的零點(diǎn)是穩(wěn)定的,即系統(tǒng)(4)和系統(tǒng)(1)可以實(shí)現(xiàn)投影同步．?dāng)?shù)值仿真選取如下初始條件:

p0=[4.5+0.9i-3.5j-2k,4.5-0.9i-5.5j+2k]T,

q0=[-5.5-2i-3.5j-5k,-1.5-3i-7.5j+5k]T．

圖1、圖2給出了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(1)和響應(yīng)系統(tǒng)(4)在未施加控制時(shí)狀態(tài)變量的時(shí)間響應(yīng)曲線,圖3給出了誤差系統(tǒng)(7)在未施加控制時(shí)狀態(tài)變量的時(shí)間響應(yīng)曲線．

圖1 未加控制時(shí),狀態(tài)變量的時(shí)間響應(yīng)曲線Fig.1 The time response curves of state variables without control

圖2 未加控制時(shí),狀態(tài)變量的時(shí)間響應(yīng)曲線Fig.2 The time response curves of state variables without control

圖3 未加控制時(shí),誤差變量的時(shí)間響應(yīng)曲線Fig.3 Time response curves of error variables without control注 為了解釋圖中的顏色,讀者可以參考本文的電子網(wǎng)頁版本,后同．

當(dāng)投影系數(shù)矩陣F取為F=diag(1,1),驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(1)和響應(yīng)系統(tǒng)(4)完全同步．圖4、圖5給出了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(1)和響應(yīng)系統(tǒng)(4) 在施加控制時(shí)狀態(tài)變量的時(shí)間響應(yīng)曲線．圖6給出了誤差系統(tǒng)(7) 在施加控制時(shí)狀態(tài)變量的時(shí)間響應(yīng)曲線．

圖4 投影矩陣為F=diag(1,1),施加控制時(shí),狀態(tài)變量的時(shí)間響應(yīng)曲線Fig.4 Projection matrix F=diag(1,1),and the time response curves of state variables with control

圖5 投影矩陣為F=diag(1,1),施加控制時(shí),狀態(tài)變量的時(shí)間響應(yīng)曲線Fig.5 Projection matrix F=diag(1,1),and the time response curves of state variables with control

圖6 投影矩陣為F=diag(1,1),施加控制時(shí),誤差變量的時(shí)間響應(yīng)曲線Fig.6 Projection matrix F=diag(1,1),and the time response curves of error variables

當(dāng)投影系數(shù)矩陣F取為F=diag(-1,-1),驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(1)和響應(yīng)系統(tǒng)(4)反同步．圖7、圖8給出了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(1)和響應(yīng)系統(tǒng)(4)在施加控制時(shí)狀態(tài)變量的時(shí)間響應(yīng)曲線．圖9給出了誤差系統(tǒng)(7)在施加控制時(shí)狀態(tài)變量的時(shí)間響應(yīng)曲線．

圖7 投影矩陣為F=diag(-1,-1),施加控制時(shí),狀態(tài)變量的時(shí)間響應(yīng)曲線Fig.7 Projection matrix F=diag(-1,-1),and the time response curves of state variables with control

圖8 投影矩陣為F=diag(-1,-1),施加控制時(shí),狀態(tài)變量的時(shí)間響應(yīng)曲線Fig.8 Projection matrix F=diag(-1,-1),and the time response curves of state variables with control

圖9 投影矩陣為F=diag(-1,-1),施加控制時(shí),誤差變量的時(shí)間響應(yīng)曲線Fig.9 Projection matrix F=diag(-1,-1),and the time response curves of error variables

如圖1、2、3所示,狀態(tài)變量的時(shí)間響應(yīng)曲線驗(yàn)證了在不施加控制時(shí),驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(1)和響應(yīng)系統(tǒng)(4)不同步,誤差系統(tǒng)(7)是不穩(wěn)定的．在施加控制時(shí),圖6和圖9表明誤差系統(tǒng)(7)是穩(wěn)定的．當(dāng)投影系數(shù)矩陣F取為F=diag(1,1),圖4和圖5表明驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(1)和響應(yīng)系統(tǒng)(4)完全同步;當(dāng)投影系數(shù)矩陣F取為F=diag(-1,-1),圖7和圖8表明驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(1)和響應(yīng)系統(tǒng)(4)反同步．

5 結(jié) 論

本文研究了具有時(shí)變時(shí)滯的四元數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)投影同步問題．在合適的控制器下,通過構(gòu)造合適的Lyapunov函數(shù),并利用一些不等式技巧,得到了具有時(shí)變時(shí)滯分?jǐn)?shù)階四元數(shù)時(shí)滯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的投影同步的充分性判據(jù)．最后通過數(shù)值仿真實(shí)例驗(yàn)證了所得結(jié)論的有效性和可行性．