Reconstruction of dynamic networks with time-delayed interactions in presence of fast-varying noises
Zhaoyang Zhang |
Yang Chen |
Yuanyuan Mi |
Gang Hu |
Ningbo University |
中科院腦網中心和國家模式識別實驗室 |
Chongqing University |
Beijing Normal University |
Dated: April 1, 2019
理論推導
考慮N個節點的動力學系統
x˙i=Fi[xi(t)]+j=1,j̸=i∑NΦij[xi(t),xj(t−τij)]+ηi(t)+Γi(t),i=1,2,...,N
其中ηi(t)爲色噪聲,Γi(t)爲白噪聲,滿足
<ηi(t)>=0,<ηi(t)ηi(t+t′)>=Pije−τC∣t′∣
<Γi(t)>=0,<Γi(t)Γi(t+t′)>=Qiδijδ(t′)
<Γi(t)ηj(t)>=0
Fi和Φij可以爲線性或者非線性。需要設計算法,從數據中重構出網絡連接。假設在整個網絡中我們只能夠測量兩個節點A和B,並且有充足的數據。
xA(t)=[xA(t1),xA(t2)....,xA(tk),...,xA(tL)]
xB(t)=[xBt1),xB(t2)....,xB(tk),...,xB(tL)]
0<Δt=tk+1−tk≪1,L≫1
對xi(t)求時間的二階段導可得
x¨i(t)=∂xi(t)∂Fi[xi(t)]x˙i(t)+j=1,j̸=i∑N∂xi(t)∂Φij[xi(t),xj(t−τij)]x˙i(t)+j=1,j̸=i∑N∂xj(t−τij)∂Φij[xi(t),xj(t−τij)]x˙j(t−τij)+η˙i(t)+Γ˙i(t)
其中高階導數可以使用前向差分進行計算
x˙i(tk)=Δtxi(tk+1)−xi(tk),x¨i(tk)=Δtx˙i(tk+1)−x˙i(tk)
噪聲的導數被定義爲
η˙i(tk)=Δtηi(tk+1)−ηi(tk),Γ˙i(tk)=ΔtΓi(tk+1)−Γi(tk)
根據前面的公式可知
x¨A(tk)=21∂xi(tk)∂FA[xA(tk)][x˙A(tk)+x˙A(tk+1)]+21j=1,j̸=A∑N∂xA(tk)∂ΦAj[xA(t),xj(tk−τAj)][x˙A(tk)+x˙A(tk+1)]+21j=1,j̸=A∑N∂xj(t−τAj)∂ΦAj[xi(t),xj(t−τAj)][x˙j(tk−τAj)+x˙j(tk+1)]+ΔtηA(tk+1−τAj)−ηA(tk)+ΔtΓA(tk+1)−ΓA(tk)
然後對方程左右兩邊同乘xB(tk+Δt),計算每項的關聯可得
RAB=<x¨A(tk)xB(tk+Δt)>
=<21∂xi(tk)∂FA[xA(tk)][x˙A(tk)xB(tk+Δt)+x˙A(tk+1xB(tk+Δt))]>
+21j=1,j̸=A∑N∂xA(tk)∂ΦAj[xA(t),xj(tk−τAj)][x˙A(tk)xB(tk+Δt)+x˙A(tk+1)xB(tk+Δt)]
+21j=1,j̸=A∑N∂xj(t−τAj)∂ΦAj[xi(t),xj(t−τAj)][x˙j(tk−τAj)xB(tk+Δt))+x˙j(tk+1)xB(tk+Δt))]
+ΔtηA(tk+1−τAj)xB(tk+Δt)−ηA(tk)xB(tk+Δt)+ΔtΓA(tk+1)xB(tk+Δt)−ΓA(tk)xB(tk+Δt)
記該公式爲方程1。因爲有白噪聲的存在,對<x˙i(t)x˙j(t+t′)>積分在t′=0處有個階躍,所以
<x˙i(t)xj(t+Δt)>−<x˙i(t)xj(t)>=Qjδij
定義nAB=ΔtτAB,Vi(Δk)=<x˙i(tk)xi(tk+Δk)>,在Δk=0到Δk=1處有
Vi(1)−Vi(0)=Qi
由於<x˙B(tk−τAB)xB(tk+Δk)>和<x˙B(tk+1−τAB)xB(tk+Δk)>在k=−nAB處不聯繫,可以得到nAB即τAB
根據<x˙i(t)xj(t+Δt)>−<x˙i(t)xj(t)>=Qjδij的性質可知方程1右邊除了<x˙B(tk−τAB)xB(tk+Δk)>和<x˙B(tk+1−τAB)xB(tk+Δk)>沒有不連續的項,所以從方程1可以得到
DAB=RAB(−nAB+2)−RAB(−nAB)=<x¨A(tk)xB(ttk−nAB+2)>−<x¨A(tk)xB(ttk−nAB)>
=<∂xB(t−τAB)∂ΦAj[xi(t),xj(t−τAj)]>QB
定義MAB=<∂xB(t−τAB)∂ΦAj[xi(t),xj(t−τAj)]>,可得
MAB=QBDAB=JAB
數值仿真
定義均方根誤差E作爲衡量MAB和JAB之間的誤差,T表示測量時長
對於線性系統:
對於擴散耦合的FHN網絡(上),和Rossler網絡(下)
對於基因調控網絡
總結
文章的核心亮點是重構有時滯作用的系統,trick是利用白噪聲的性質。