Tài liệu Luận án tiến sĩ tính ổn định của một số lớp hệ vi phân có trễ và ứng dụng trong các mô hình sinh thái

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI ——————–o0o——————— ĐOÀN THÁI SƠN TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA MỘT SỐ LỚP HỆ VI PHÂN CÓ TRỄ VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÁC MÔ HÌNH SINH THÁI LUẬN ÁN TIẾN SĨ TOÁN HỌC HÀ NỘI-2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI ——————–o0o——————— ĐOÀN THÁI SƠN TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA MỘT SỐ LỚP HỆ VI PHÂN CÓ TRỄ VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÁC MÔ HÌNH SINH THÁI Chuyên ngành: Phương trình vi phân và tích phân Mã số: 9 46 01 03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ TOÁN HỌC Tập thể hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS LÊ VĂN HIỆN 2. TS. TRỊNH TUẤN ANH HÀ NỘI-2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Lê Văn Hiện và TS. Trịnh Tuấn Anh. Các kết quả trình bày trong luận án là trung thực, đã được sự nhất trí của các đồng tác giả khi đưa vào luận án và chưa từng được công bố trong công trình, luận văn, luận án nào khác. Tác giả 1 LỜI CẢM ƠN Luận án này được thực hiện tại bộ môn Giải tích, khoa Toán-Tin, trường Đại học Sư phạm Hà Nội dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Lê Văn Hiện và TS Trịnh Tuấn Anh. Tôi xin tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới các thầy, đặc biệt là PGS.TS Lê Văn Hiện, đã có những định hướng đúng đắn và chỉ dẫn sát sao cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án này. Ngoài những chỉ dẫn về mặt khoa học, sự động viên và lòng tin tưởng của các thầy dành cho tác giả là nguồn động lực lớn lao đem lại niềm say mê, giúp tác giả vượt qua những khó khăn trong nghiên cứu. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm Hà Nội, Phòng Sau đại học, Ban Chủ nhiệm khoa Toán-Tin cùng các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn Giải tích đã luôn giúp đỡ, động viên, tạo môi trường thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu của mình. Đồng thời, tôi cũng xin chân thành cảm ơn các bạn nghiên cứu sinh và các thành viên trong xemina Phương trình vi phân và tích phân của bộ môn Giải tích đã quan tâm, trao đổi và góp ý cho tôi trong quá trình học tập và làm luận án. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn Ban Giám đốc Sở Giáo dục và Đào tạo Hải Phòng, Ban Giám hiệu trường Trung học phổ thông Chuyên Trần Phú, các thầy giáo, cô giáo và các bạn đồng nghiệp tại tổ Toán-Tin, trường Trung học phổ thông Chuyên Trần Phú, đã luôn tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Sau cùng, tôi xin dành những tình cảm và lòng biết ơn chân thành tới gia đình, những người luôn yêu thương, chia sẻ, động viên tôi vượt qua khó khăn để hoàn thành luận án này. Tác giả 2 MỤC LỤC Trang Lời cam đoan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Lời cảm ơn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Kí hiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 MỞ ĐẦU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1. SƠ BỘ MỘT SỐ KẾT QUẢ LIÊN QUAN . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.1. M-ma trận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.2. Hệ phương trình vi phân có trễ và tính ổn định Lyapunov . . . . . 16 1.3. Tính ổn định trong thời gian hữu hạn . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.3.1. Khái niệm ổn định trong thời gian hữu hạn . . . . . . . . . . 18 1.3.2. Mối liên hệ giữa tính ổn định trong thời gian hữu hạn với tính ổn định theo Lyapunov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.3.3. Tính ổn định trong thời gian hữu hạn của lớp hệ tuyến tính với trễ hỗn hợp biến thiên . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.4. Tính tiêu hao của một số lớp phương trình vi phân có trễ . . . . . 22 1.4.1. Cách tiếp cận bằng bất đẳng thức Halanay và một số cải biên 23 1.4.2. Tính tiêu hao của một lớp phương trình vi phân với trễ tỉ lệ: Cách tiếp cận bằng phương pháp đổi biến . . . . . . . . . 25 1.5. Một số kết quả bổ trợ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.5.1. Đạo hàm Dini . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.5.2. Một số bổ đề bổ trợ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3 2. TÍNH ỔN ĐỊNH HỮU HẠN CỦA LỚP HỆ PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN MÔ TẢ MẠNG NƠRON HOPFIELD VỚI HỆ SỐ BIẾN THIÊN VÀ TRỄ TỈ LỆ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.1. Mô hình mạng nơron Hopfield với trễ tỉ lệ . . . . . . . . . . . . . . 28 2.2. Tính ổn định hữu hạn của mô hình mạng nơron Hopfield với hệ số biến thiên và trễ tỉ lệ không đồng nhất . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.3. Dáng điệu tiệm cận: Sự đồng bộ nghiệm của mô hình (2.1) . . . . . 34 2.4. Ví dụ minh họa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.5. Kết luận Chương 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3. TÍNH TIÊU HAO CỦA LỚP HỆ PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN MÔ TẢ MẠNG NƠRON KHÔNG DỪNG CHỨA TRỄ TỈ LỆ . . . . . . . . 43 3.1. Thiết lập sơ bộ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.2. Tính tiêu hao toàn cục của mô hình (3.1) . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.2.1. Trường hợp hệ số phản hồi chính quy . . . . . . . . . . . . . 46 3.2.2. Trường hợp hệ số phản hồi suy biến . . . . . . . . . . . . . . 50 3.3. Ví dụ minh họa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.4. Kết luận Chương 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4. TÍNH HÚT TOÀN CỤC CỦA NGHIỆM TUẦN HOÀN DƯƠNG CỦA MỘT MÔ HÌNH NICHOLSON CÓ TRỄ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.1. Kết quả sơ bộ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.2. Nghiệm dương toàn cục và tính bền vững . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2.1. Sự tồn tại của nghiệm dương toàn cục . . . . . . . . . . . . . 64 4.2.2. Tính bền vững đều . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 4.3. Tính hút toàn cục của nghiệm tuần hoàn dương . . . . . . . . . . . 69 4 4.4. Điểm cân bằng dương và tính hút toàn cục . . . . . . . . . . . . . . 75 4.5. Ví dụ và mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.6. Kết luận Chương 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 Kết luận chung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Danh mục công trình công bố . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 5 MỘT SỐ KÍ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN ÁN [n] a,b Tập hợp n số nguyên dương đầu tiên {1, 2, . . . , n} b là biểu thức định nghĩa của a R+ Tập các số thực không âm Rn Không gian Euclide n chiều kxk∞ maxi∈[n] |xi |, chuẩn max của vectơ x = (xi ) ∈ Rn Rm×n Tập hợp các ma trận cấp m × n A⊤ Ma trận chuyển vị của ma trận A A>0 Ma trận A xác định dương, tức là x⊤ Ax > 0, ∀x 6= 0 Sn+ Tập các ma trận đối xứng xác định dương trong Rn×n In Ma trận đơn vị trong Rn×n diag{a1 , . . . , an } Ma trận chéo với các phần tử a1 , a2 , . . . , an trên đường chéo [A]ij Phần tử tại dòng i và cột j của ma trận A A0 Ma trận không âm, tức là [A]ij ≥ 0 với mọi i, j A≻0 xy Rn+ ξ + (t.ư. ξ+ ) λ(A) Ma trận dương, tức là [A]ij > 0 với mọi i, j xi ≥ yi , ∀i ∈ [n], với x = (xi ) ∈ Rn và y = (yi ) ∈ Rn Orthant dương {x ∈ Rn : x  0} maxi∈[n] ξi (t.ư. mini∈[n] ξi ) với ξ ∈ Rn , ξ ≻ 0 Tập hợp các giá trị riêng của ma trận A λmax (A), λmin (A) max{Reλ : λ ∈ λ(A)}, min{Reλ : λ ∈ λ(A)} C([a, b], Rn ) Tập các hàm giá trị trong Rn liên tục trên [a, b] D + v(t) lim suph→0+ v(t+h)−v(t) , h 6 đạo hàm Dini trên bên phải. MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Lý thuyết định tính các phương trình vi phân nói chung, lý thuyết ổn định nghiệm nói riêng, là một hướng nghiên cứu quan trọng trong lý thuyết điều khiển hệ thống, góp phần giải quyết nhiều vấn đề đặt ra trong thực tiễn ứng dụng từ cơ học, vật lý, hóa học, công nghệ thông tin đến các mô hình trong sinh thái học quần thể, kinh tế và môi trường [1, 21]. Trong thực tiễn, rất nhiều mô hình ứng dụng được mô tả bởi các lớp phương trình vi phân có trễ [12, 31, 38]. Sự xuất hiện của các độ trễ này ảnh hưởng đến dáng điệu tiệm cận nghiệm của hệ nói chung và tính ổn định, một trong những tính chất phổ dụng của các hệ trong các mô hình ứng dụng, nói riêng. Vì vậy, bài toán nghiên cứu tính ổn định của các hệ phương trình vi phân có trễ và ứng dụng nó trong các mô hình thực tiễn đã và đang là vấn đề nghiên cứu có tính thời sự thu hút sự quan tâm của nhiều tác giả trong và ngoài nước trong những năm gần đây [13]. Đối với các lớp hệ có cấu trúc tương đối đơn giản như lớp hệ tuyến tính dừng, hệ có trễ hằng số vv, phương pháp hàm Lyapunov là một công cụ quan trọng và hiệu quả để nghiên cứu tính ổn định. Bằng việc xây dựng các phiếm hàm Lyapunov-Krasovskii phù hợp, các điều kiện ổn định của hệ được thiết lập thông qua các bất đẳng thức ma trận tuyến tính (LMIs). Khi đó, các công cụ giải số và một số thuật toán tối ưu lồi được vận dụng để tìm nghiệm chấp nhận được của lớp điều kiện LMIs đó đảm bảo tính ổn định của hệ. Tuy nhiên, nhiều lớp hệ từ các mô hình thực tiễn và nhân tạo, nhất là các hệ trong sinh thái, thường có cấu trúc rất phức tạp, dạng phi tuyến không dừng [30]. Việc nghiên cứu tính chất định tính nói chung, tính ổn định nói riêng, 7 cho các lớp hệ như vậy đòi hỏi phải tiếp tục phát triển các công cụ và phương pháp nghiên cứu đặc thù. Nhiều vấn đề mở trong hướng nghiên cứu về lý thuyết định tính và dáng điệu tiệm cận nghiệm nói chung, tính ổn định nói riêng, đối với các hệ phương trình vi phân phi tuyến có trễ, đặc biệt là lớp phương trình mô tả các mô hình trong sinh thái học, cần tiếp tục được nghiên cứu và phát triển. Đó cũng là lí do và là động lực chính chúng tôi chọn chủ đề nghiên cứu về tính ổn định của các hệ phương trình vi phân có trễ và ứng dụng trong các mô hình sinh thái. 2. Đối tượng và nội dung nghiên cứu 2.1. Tính ổn định hữu hạn của một lớp phương trình vi phân phi tuyến mô tả mạng nơron Hopfield với hệ số biến thiên và trễ tỉ lệ Trong hai thập kỉ gần đây, các hệ động lực có cấu trúc mạng nơron đã được nghiên cứu và ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực như xử lí tín hiệu số, nhận dạng mẫu, ước lượng tham số và đặc biệt trong lĩnh vực về trí tuệ nhân tạo [28, 34]. Trong các mô hình đó, việc đảm bảo tính ổn định của mạng nơron đã được thiết kế là hết sức quan trọng [40]. Mặt khác, trong các mô hình mạng nơron, yếu tố trễ truyền tải là không tránh khỏi do quá trình xử lí và truyền tín hiệu qua các kênh với băng thông hạn chế. Sự xuất hiện của trễ thời gian thường dẫn đến hiệu suất kém và nguy cơ làm mất tính ổn định của mạng. Trong các công trình đã công bố, tính ổn định và tính đồng bộ mới chỉ được nghiên cứu cho một số mô hình mạng nơron với trọng số kết nối các nơron là hằng và trễ bị chặn. Các kết quả đó hầu như không áp dụng được cho các mô hình mạng nơron với trễ tỉ lệ, một lớp trễ được sử dụng rất phổ biến trong mô tả động lực các hệ có cấu trúc mạng [41]. Chẳng hạn, với cấu trúc một mạng nơron có nhiều tầng (layers), quá trình xử lí và truyền tín hiệu giữa các tầng thường được mô tả bằng các tín hiệu trễ mà thời gian trễ tỉ lệ với thời gian hiện tại. Về dáng điệu tiệm cận, trễ tỉ lệ thuộc lớp trễ biến thiên không bị chặn, tăng trưởng tỉ lệ 8 với khoảng thời gian. Bởi vậy, việc nghiên cứu dáng điệu tiệm cận nghiệm các mô hình mạng nơron với trễ tỉ lệ thường gặp nhiều khó khăn so với các lớp trễ khác, kể cả lớp trễ không bị chặn ở dạng phân phối. Mặc dù khái niệm ổn định theo Lyapunov đã được ứng dụng rất thành công trong nhiều bài toán thực tiễn và đã được phát triển một cách sâu rộng, khái niệm ổn định với thời gian hữu hạn (hay tính ổn định trong khoảng thời gian ngắn) mang ý nghĩa thực tiễn quan trọng [2]. Ra đời từ nửa sau của thế kỉ XX [20], khái niệm ổn định trong thời gian hữu hạn tìm thấy nhiều ứng dụng trong thực tiễn kĩ thuật, đặc biệt là trong các mô hình điều khiển cơ học [2]. Một hệ động lực gọi là ổn định trong thời gian hữu hạn nếu cho trước một ngưỡng của điều kiện đầu (chẳng hạn một lân cận của trạng thái cân bằng), mọi quỹ đạo nghiệm tương ứng của hệ không vượt quá một ngưỡng cho trước trên một khoảng thời gian xác định trước. Như vậy, khác với tính ổn định theo Lyapunov (LS), một khái niệm thiên về định tính, xác định dáng điệu của nghiệm tại vô hạn, ổn định hữu hạn (FTS) là khái niệm có tính định lượng. Hơn nữa, LS và FTS là hai khái niệm độc lập theo nghĩa một hệ là FTS nhưng có thể không ổn định theo Lyapunov và ngược lại (xem phản ví dụ trong [16]). Trước bài báo [1] trong Danh mục công bố của luận án này, chúng tôi chưa tìm thấy một kết quả nghiên cứu nào đề cập đến tính ổn định hữu hạn của mô hình mạng nơron với hệ số biến thiên và trễ tỉ lệ. Đây sẽ là chủ đề được chúng tôi nghiên cứu và trình bày trong Chương 2 của luận án này. Cụ thể hơn, dựa trên bài báo [1] trong Danh mục công trình công bố, chúng tôi nghiên cứu tính ổn định hữu hạn của mô hình mạng nơron Hopfield với hệ số kết nối biến thiên chứa đa trễ tỉ lệ dạng sau đây x′i (t) = − ai (t)xi (t) + + n X j=1 n X bij (t)fj (xj (t)) j=1 (1) cij (t)gj (xj (qij t)) + Ii (t), i ∈ [n], t > 0. Dựa trên một số kĩ thuật so sánh bằng các bất đẳng thức vi phân, chúng tôi 9 thiết lập các điều kiện đảm bảo tính ổn định của hệ (1) trong một khoảng thời gian hữu hạn cho trước. 2.2. Tính tiêu hao của lớp phương trình vi phân với trễ tỉ lệ trong mô hình mạng nơron Hopfield với hệ số biến thiên Rất nhiều bài toán trong vật lí và kĩ thuật được mô tả bởi các hệ phương trình vi phân hàm có tính tiêu hao [32]. Đặc tính tiêu hao của các hệ vi phân đó được thể hiện qua sự tồn tại của một compact gọi là tập hấp thụ bị chặn mà mọi quỹ đạo trạng thái của hệ đi vào và ở nguyên trong đó sau thời gian hữu hạn. Các nghiên cứu về tính tiêu hao của hệ cũng cho biết dáng điệu tiệm cận của nghiệm, một trong những vấn đề trọng tâm trong nghiên cứu định tính các hệ phương trình vi phân và ứng dụng. Trong Chương 3 của luận án chúng tôi nghiên cứu bài toán phân tích tính tiêu hao của lớp hệ phương trình vi phân trong mô hình mạng nơron Hopfield với hệ số biến thiên và trễ tỉ lệ không đồng nhất dạng sau đây x′i (t) = −ai (t)xi (t) + + n X j=1 n X j=1 bij (t)fj (xj (t)) (2) cij (t)gj (xj (qij t)) + Ii (t), t > 0, i ∈ [n]. Để phân tích tính tiêu hao của các hệ phương trình vi phân dạng (2), chúng tôi phát triển một số kĩ thuật so sánh dựa trên lý thuyết M-ma trận để thiết lập các điều kiện đảm bảo sự tồn tại của các tập hấp thụ dạng mũ suy rộng trong cả hai trường hợp: (i) các hệ số tự phản hồi (tốc độ tự ức chế của nơron) thỏa mãn điều kiện chính quy, ai (t) ≥ ai > 0, và (ii) các hệ số tự phản hồi suy biến, tức là ai (t) > 0 và inf t≥0 ai (t) = 0. Nội dung của chương này được trình bày dựa trên bài báo [2] trong Danh mục công trình công bố. 10 2.3. Sự tồn tại và tính hút toàn cục của nghiệm tuần hoàn dương của một mô hình Nicholson có trễ với hàm suy giảm phi tuyến Các mô hình toán học đóng vai trò quan trọng trong việc mô tả động lực các mô hình thực tiễn [11,30]. Ví dụ, trong [29], Nicholson sử dụng phương trình vi phân N ′ (t) = −αN(t) + βN(t − τ )e−γN (t−τ ) , (3) ở đó α, β , γ là các hằng số dương, để mô tả sự sinh trưởng của quần thể loài ve châu Úc. Mô hình (3) sau đó thường được gọi là mô hình Nicholson và được sử dụng rất phổ biến trong các lĩnh vực về động lực học dân số và sinh thái học quần thể. Trong những năm gần đây, lý thuyết định tính về mô hình Nicholson và các biến thể của nó đã được nghiên cứu và phát triển một cách rộng rãi [3,4]. Chẳng hạn, dáng điệm tiệm cận của nghiệm tuần hoàn dương của một số mô hình Nicholson có trễ đã được nghiên cứu trong [22,25,26] và [17]. Mô hình Nicholson với số hạng mô tả yếu tố đánh bắt hay thu hoạch cũng đã được nghiên cứu trong [10, 23, 27, 35]. Gần đây, trong bài báo [6], các vấn đề về tính ổn định và tính hút đã được nghiên cứu cho một lớp hệ Nicholson n chiều với hệ số hằng số và trễ biến thiên. Hầu hết các kết quả đã công bố đều được nghiên cứu cho mô hình Nicholson với tốc độ suy giảm (mortality rate) số lượng cá thể (sau đây gọi tắt là dân số) tuyến tính. Như chỉ ra trong [3], một mô hình với tốc độ suy giảm phụ thuộc tuyến tính vào mật độ thường chỉ đúng đối với các quần thể có mật độ thấp. Theo các nhà hải dương học, nhiều mô hình trong thủy sản như khu bảo tồn biển được mô tả bằng các phương trình vi phân trễ trong mô hình Nicholson với tốc độ suy giảm phụ thuộc phi tuyến vào mật độ [3] dạng N ′ (t) = −D(N(t)) + βN(t − τ )e−γN (t−τ ) , ở đó tỉ lệ tử vong D(N) có một trong các dạng D(N) = a − be−N (type-I) hoặc 11 D(N) = aN b+N (type-II) với a, b là các hằng số dương. Trong Chương 4 của luận án này, chúng tôi nghiên cứu sự tồn tại duy nhất và tính hút toàn cục của nghiệm tuần hoàn dương đối với mô hình Nicholson có trễ ′ N (t) = −D(t, N(t)) + p X k=1 βk (t)N(t − τk (t))e−γk (t)N (t−τk (t)) (4) với tốc độ suy giảm dân số phụ thuộc phi tuyến vào trạng thái, D(t, N) = a(t) − b(t)e−N . Dựa trên một số kĩ thuật so sánh mới bằng các bất đẳng thức vi-tích phân, trước hết chúng tôi chỉ ra tính bền vững và tính tiêu hao đều của mô hình Nicholson (4). Trên cơ sở tính tiêu hao và bền vững đều, chúng tôi chứng minh sự tồn tại và tính hút toàn cục của nghiệm tuần hoàn dương duy nhất của phương trình vi phân phi tuyến dạng (4). Áp dụng kết quả tổng quát cho mô hình Nicholson với hệ số hằng số, chúng tôi thu được một số kết quả về sự tồn tại, duy nhất và tính hút toàn cục của điểm cân bằng dương của mô hình tương ứng. Nội dung chương này được viết dựa trên bài báo [3] trong Danh mục công trình công bố. 3. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng kết hợp các công cụ trong giải tích cổ điển, phương trình vi phân thường, lý thuyết bất đẳng thức vi-tích phân và nguyên lí so sánh, lý thuyết ổn định Lyapunov và phương pháp sử dụng phiếm hàm năng lượng kiểu Lyapunov. Đặc biệt, trong luận án, chúng tôi phát triển một số kĩ thuật so sánh mới để thiết lập các điều kiện thông qua lý thuyết M-ma trận đảm bảo tính ổn định, tính tiêu hao cũng như các điều kiện cho sự tồn tại của nghiệm tuần hoàn dương đối với các lớp phương trình vi phân được nghiên cứu trong luận án. 4. Kết quả đạt được của luận án Luận án đã đạt được các kết quả sau đây: 12 1. Thiết lập được các điều kiện thông qua tính chất phổ của M-ma trận đảm bảo tính ổn định hữu hạn và tính đồng bộ với tốc độ lũy thừa của mô hình mạng nơron Hopfiled với hệ số biến thiên và trễ tỉ lệ. 2. Chứng minh được tính tiêu hao toàn cục của lớp hệ phương trình vi phân mô tả lớp mạng nơron dạng Hopfiled trong cả hai trường hợp khi các hệ số phản hồi thỏa mãn điều kiện chính quy và khi các hệ số phản hồi suy biến. 3. Chứng minh sự tồn tại toàn cục, tính bền vững và tính tiêu hao đều của nghiệm dương đối với một mô hình Nicholson có trễ với hàm suy thoái phi tuyến. 4. Đưa ra điều kiện và chứng minh sự tồn tại duy nhất của nghiệm tuần hoàn dương hút toàn cục đối với mô hình Nicholson nói trên. Một áp dụng với mô hình Nicholson hệ số hằng số và chứng minh sự tồn tại của điểm cân bằng dương hút toàn cục cũng được đưa ra. Các kết quả trên đây của luận án được công bố trong 03 bài báo trên các tạp chí quốc tế trong danh mục ISI và đã được báo cáo tại: • Xemina Phương trình vi phân và tích phân, Bộ môn Giải tích, khoa Toán- Tin, trường Đại học Sư phạm Hà Nội. • Hội nghị khoa học của nghiên cứu sinh, Khoa Toán-Tin, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội. • Xemina Phòng Tối ưu và Điều khiển, Viện Toán học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. 5. Cấu trúc của luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục công trình công bố và tài liệu tham khảo, luận án gồm 4 chương. 13 • Chương 1 trình bày một số kết quả liên quan về tính ổn định hữu hạn, tính tiêu hao của hệ phương trình vi phân có trễ và một số kết quả bổ trợ cho việc trình bày nội dung chính trong các chương sau của luận án. • Chương 2 nghiên cứu tính ổn định hữu hạn của một lớp phương trình vi phân phi tuyến mô tả mạng nơron Hopfield với hệ số biến thiên và trễ tỉ lệ không đồng nhất. • Chương 3 trình bày các kết quả nghiên cứu tính tiêu hao toàn cục của lớp phương trình vi phân trong mô hình mạng nơron Hopfiled với hệ số biến thiên và trễ tỉ lệ. • Chương 4 nghiên cứu sự tồn tại và dáng điệu tiệm cận của nghiệm tuần hoàn dương của một mô hình Nicholson có trễ với tốc độ suy thoái phi tuyến. 14 Chương 1 SƠ BỘ MỘT SỐ KẾT QUẢ LIÊN QUAN Trong chương này, chúng tôi trình bày một số kết quả bổ trợ về giải tích ma trận, phương trình vi phân và lý thuyết ổn định theo Lyapunov. Đồng thời, chúng tôi cũng trình bày sơ bộ một số kết quả liên quan về tính ổn định trong thời gian hữu hạn đối với lớp phương trình vi phân hàm tuyến tính làm cơ sở cho việc trình bày nội dung chính của luận án trong các chương sau. 1.1. M-ma trận Trong mục này chúng tôi giới thiệu sơ bộ một vài tính chất của M-ma trận từ cuốn sách [5]. Ma trận A = (aij ) ∈ Rn×n được gọi là một M-ma trận nếu aij ≤ 0 với mọi i 6= j và các định thức con chính của A dương. Ma trận B = (bij ) ∈ Rm×n là một ma trận không âm, kí hiệu B  0, nếu bij ≥ 0 với mọi i, j . Tính chất sau được sử dụng trong chứng minh kết quả ở Chương 2. Mệnh đề 1.1.1. Cho A = (aij ) là một ma trận với aii > 0, i ∈ [n]. Các khẳng định sau là tương đương: (i) A là một M-ma trận không suy biến; (ii) Reλj > 0 với mọi giá trị riêng λj của ma trận A; (iii) Tồn tại một ma trận B  0 và hằng số s > ρ(B) sao cho A = sIn − B , ở đó ρ(B) = max{|λj | : λj ∈ λ(B)} là bán kính phổ của ma trận B ; (iv) Tồn tại một vectơ ξ ∈ Rn , ξ ≻ 0, sao cho Aξ ≻ 0; (v) Tồn tại một vectơ η ∈ Rn , η ≻ 0, sao cho AT η ≻ 0. 15 Mệnh đề 1.1.2. Giả sử A ∈ Rn×n là một M-ma trận không suy biến. Khi đó, tồn tại một vectơ χ ∈ Rn , χ ≻ 0, sao cho kχk∞ = 1 và Aχ ≻ 0. 1.2. Hệ phương trình vi phân có trễ và tính ổn định Lyapunov Với số thực r ≥ 0 cho trước, kí hiệu C = C([−r, 0], Rn ) là không gian Banach các hàm liên tục trên đoạn [−r, 0] với chuẩn kφkC = sup−r≤s≤0 kφ(s)k. Xét bài toán giá trị ban đầu cho phương trình vi phân hàm sau đây x′ (t) = f (t, xt ), t ≥ t0 , xt0 = φ, (1.1) ở đó f : D = [t0 , ∞) × C → Rn và φ ∈ C là hàm ban đầu. Sự tồn tại duy nhất nghiệm địa phương của bài toán (1.1) được cho trong định lí dưới đây. Định lí 1.2.1 ([15]). Giả sử f : D → Rn là hàm liên tục, Lipschitz địa phương theo biến thứ hai trên D. Khi đó, với mỗi φ ∈ C , tồn tại một tφ ∈ (t0 , ∞] sao cho (i) Tồn tại nghiệm x(t, φ) của (1.1) trên khoảng [t0 , tφ ); (ii) Trên mọi đoạn [t0 , t1 ] ⊂ [t0 , tφ ), nghiệm x(t, φ) là duy nhất; (iii) [t0 , tφ ) là khoảng tồn tại cực đại của nghiệm x(t, φ); (iv) Nghiệm x(t, φ) phụ thuộc liên tục vào φ, f . Trong Định lí 1.2.1, nếu hàm f thỏa mãn thêm điều kiện kiểu tăng trưởng tuyến tính kf (t, φ)k ≤ a(t)kφkC + b(t), (1.2) ở đó a(.), b(.) là các hàm liên tục, thì nghiệm x(t, φ) tồn tại toàn cục, tức là tφ = ∞. Tổng quát hơn, nếu hàm f thỏa mãn điều kiện dạng Nagumo kf (t, φ)k ≤ Φ (t, kφkC ) , (t, φ) ∈ D, (1.3) ở đó Φ : [t0 , ∞) × R+ → (0, ∞) là hàm liên tục, không giảm theo t và thỏa mãn Z ∞ 0 ds = ∞, Φ(t, s) 16 t0 ≤ t < ∞, thì nghiệm x(t, φ) tồn tại và xác định trên [t0 , ∞). Giả sử hàm f (t, φ) thỏa mãn các điều kiện sao cho với mỗi t0 ∈ [0, ∞) và φ ∈ C , bài toán (1.1) có nghiệm duy nhất xác định trên [t0 , ∞). Để xét tính ổn định của một nghiệm x∗ (t) nào đó của hệ (1.1), sử dụng phép biến đổi z = x − x∗ ta đưa đến hệ dạng (1.1) với hàm vế phải là f˜(t, zt ) = f (t, zt + x∗t ) − f (t, x∗t ). Rõ ràng f˜(t, 0) = 0. Do đó, để đơn giản kí hiệu, chúng tôi giả sử rằng f (t, 0) = 0, tức là (1.1) có nghiệm x = 0. Định nghĩa 1.2.1 ([13, 15]). Nghiệm x = 0 của (1.1) được gọi là ổn định (theo nghĩa Lyapunov) nếu với mọi ǫ > 0, t0 ∈ R+ , tồn tại δ(t0 , ǫ) > 0 sao cho kφkC < δ(t0 , ǫ) kéo theo kx(t, φ)k < ǫ với mọi t ≥ t0 . Nghiệm x = 0 của (1.1) được gọi là ổn định đều nếu số δ nói trên không phụ thuộc t0 . Định nghĩa 1.2.2 ([13]). Nghiệm x = 0 của (1.1) được gọi là ổn định tiệm cận đều nếu x = 0 ổn định đều và tồn tại một số δa > 0 sao cho với mọi η > 0 tồn tại T = T (δa , η) > 0 sao cho kφkC < δa kéo theo kx(t, φ)k < η với mọi t ≥ t0 + T (δa , η). Hơn nữa, nếu số δa có thể chọn tùy ý thì nghiệm x = 0 được gọi là ổn định tiệm cận toàn cục đều. Định nghĩa 1.2.3. Nghiệm x = 0 được gọi là ổn định mũ toàn cục đều (GES) nếu tồn tại các hằng số dương α, β sao cho mọi nghiệm x(t, φ) của (1.1) thỏa mãn đánh giá mũ kx(t, φ)k ≤ βkφkC e−α(t−t0 ) , t ≥ t0 . (1.4) Giả sử V : R+ × C → R là hàm liên tục và x(t, φ) là một nghiệm của (1.1) đi qua (t0 , φ). Đạo hàm của V (t, φ) dọc theo nghiệm x(t, φ) được xác định bởi h i 1 V ′ (t, φ) = lim sup h→0+ h V (t + h, xt+h (t, φ)) − V (t, φ) , ở đó xt (.) là kí hiệu đoạn quỹ đạo {x(t + θ) : θ ∈ [−r, 0]}. Định lí 1.2.2 (Định lí Lyapunov-Krasovskii [13]). Giả sử f : R × C → Rn biến mỗi tập R × Ω, ở đó Ω là tập bị chặn trong C , thành tập bị chặn trong Rn và u, v, w : R+ → R+ là các hàm liên tục, không giảm, u(0) = 0, v(0) = 0 và u(s) > 0, 17 v(s) > 0 khi s > 0. Nếu tồn một phiếm hàm liên tục V : R × C → R+ thỏa mãn u(kφ(0)k) ≤ V (t, φ) ≤ v(kφkC ), ∀φ ∈ C, (1.5) và đạo hàm của V (t, φ) dọc theo hệ (1.1) xác định âm theo nghĩa V ′ (t, φ) ≤ −w(kφ(0)k). (1.6) Khi đó, nghiệm x = 0 của (1.1) là ổn định đều. Nếu w(s) > 0 với mọi s > 0 thì nghiệm x = 0 của (1.1) là ổn định tiệm cận đều. Hơn nữa, nếu lims→∞ u(s) = ∞ thì nghiệm x = 0 là ổn định tiệm cận toàn cục đều. 1.3. Tính ổn định trong thời gian hữu hạn 1.3.1. Khái niệm ổn định trong thời gian hữu hạn Ra đời từ nửa sau của thế kỉ XX [20], khái niệm ổn định trong thời gian hữu hạn tìm thấy nhiều ứng dụng trong thực tiễn kĩ thuật, đặc biệt là trong các mô hình điều khiển cơ học [2]. Khác với tính ổn định theo Lyapunov, một khái niệm thiên về định tính, xác định dáng điệu của nghiệm tại vô hạn, ổn định hữu hạn là khái niệm có tính định lượng. Cụ thể hơn, một hệ là ổn định trong thời gian hữu hạn nếu cho trước một ngưỡng của điều kiện đầu, mọi quỹ đạo nghiệm tương ứng của hệ không vượt quá một ngưỡng cho trước trên một đoạn thời gian xác định trước. Để minh họa rõ hơn, ta xét lớp hệ phương trình vi phân thường sau đây x′ (t) = f (t, x(t)), x(t0 ) = x0 , (1.7) ở đó x(t) ∈ Rn là vectơ trạng thái của hệ. Định nghĩa 1.3.1 ([2]). Cho trước một số dương T và các tập X0 , Xt trong Rn , hệ (1.7) được gọi là ổn định hữu hạn đối với (t0 , T, X0 , Xt ) nếu với bất kì x0 ∈ X0 , quỹ đạo nghiệm tương ứng x(t; t0 , x0 ) của (1.7) thỏa mãn x(t; t0 , x0 ) ∈ Xt , ∀t ∈ [t0 , t0 + T ]. 18