Reconstruction of dynamic networks with time-delayed interactions in presence of fast-varying noises
Zhaoyang Zhang |
Yang Chen |
Yuanyuan Mi |
Gang Hu |
Ningbo University |
中科院脑网中心和国家模式识别实验室 |
Chongqing University |
Beijing Normal University |
Dated: April 1, 2019
理论推导
考虑N个节点的动力学系统
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)为色噪声,Γi(t)为白噪声,满足
<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可以为线性或者非线性。需要设计算法,从数据中重构出网络连接。假设在整个网络中我们只能够测量两个节点A和B,并且有充足的数据。
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
对xi(t)求时间的二阶段导可得
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)
其中高阶导数可以使用前向差分进行计算
x˙i(tk)=Δtxi(tk+1)−xi(tk),x¨i(tk)=Δtx˙i(tk+1)−x˙i(tk)
噪声的导数被定义为
η˙i(tk)=Δtηi(tk+1)−ηi(tk),Γ˙i(tk)=ΔtΓi(tk+1)−Γi(tk)
根据前面的公式可知
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)
然后对方程左右两边同乘xB(tk+Δt),计算每项的关联可得
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)
记该公式为方程1。因为有白噪声的存在,对<x˙i(t)x˙j(t+t′)>积分在t′=0处有个阶跃,所以
<x˙i(t)xj(t+Δt)>−<x˙i(t)xj(t)>=Qjδij
定义nAB=ΔtτAB,Vi(Δk)=<x˙i(tk)xi(tk+Δk)>,在Δk=0到Δk=1处有
Vi(1)−Vi(0)=Qi
由于<x˙B(tk−τAB)xB(tk+Δk)>和<x˙B(tk+1−τAB)xB(tk+Δk)>在k=−nAB处不联系,可以得到nAB即τAB
根据<x˙i(t)xj(t+Δt)>−<x˙i(t)xj(t)>=Qjδij的性质可知方程1右边除了<x˙B(tk−τAB)xB(tk+Δk)>和<x˙B(tk+1−τAB)xB(tk+Δk)>没有不连续的项,所以从方程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
定义MAB=<∂xB(t−τAB)∂ΦAj[xi(t),xj(t−τAj)]>,可得
MAB=QBDAB=JAB
数值仿真
定义均方根误差E作为衡量MAB和JAB之间的误差,T表示测量时长
对于线性系统:
对于扩散耦合的FHN网络(上),和Rossler网络(下)
对于基因调控网络
总结
文章的核心亮点是重构有时滞作用的系统,trick是利用白噪声的性质。