Научные статьи
О краевой задаче для системы дифференциальных уравнений, моделирующей электрическую активность головного мозга
А. С. Патрина ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина»
Аннотация:
Исследуется модель типа Хопфилда динамики электрической активности головного мозга, представляющая собой систему дифференциальных уравнений вида
\begin{equation*}
\dot{v}_{i}(t)= -\alpha v_{i}(t)+\sum_{j=1}^{n}w_{ji}f_{\delta}\big(v_{j}(t-\tau_{ji})\big)+I_{i}(t), \quad i=\overline{1,n}, \quad t\geq 0.
\end{equation*}
Параметры модели считаются заданными:
$\alpha>0,$ $\tau_{ii}=0,$ $w_{ii}= 0,$ $\tau_{ji}\geq 0$ и
$w_{ji}>0$ при
$i\neq j,$ $I_{i}(t)\geq 0$ при
$t\geq 0.$ Функция активации
$f_{\delta}$ (
$\delta$ — время перехода нейрона в состояние активности) рассмотрена двух типов:
$$
\delta= 0 \ \Rightarrow f_{0}(v)=\left\{
\begin{array}{ll}
0, & v\leq\theta,\\
1, & v>\theta;
\end{array}
\right. \ \ \ \ \delta> 0 \ \Rightarrow \ f_{\delta}(v)=\left\{
\begin{array}{ll}
0, & v\leq \theta,\\
{\delta}^{-1}( v-\theta), & \theta < v \leq \theta+\delta,\\
1, & v>\theta+\delta.
\end{array}
\right.$$
Для рассматриваемой системы дифференциальных уравнений исследуется краевая задача с условиями
${v_{i}(0)-v_{i}(T)=\gamma_{i},}$ $i=\overline{1,n}.$ В обоих случаях
$\delta= 0$ (функция
$f_{0}$ разрывная) и
$\delta > 0$ (функция
$f_{0}$ непрерывная) решение существует, а если
$${\delta} > \frac{T|W|_{\mathbb{R}^{n}\to \mathbb{R}^{n}}}{1 - e^{-\alpha T}},
\quad \text{где} \quad W=(w_{ij})_{n\times n}, $$
то рассматриваемая задача имеет единственное решение. В работе также получены оценки решения и его производной. Используются теоремы о неподвижных точках непрерывных отображений метрических и нормированных пространств и о неподвижных точках монотонных отображений частично упорядоченных пространств. Полученные результаты применены к исследованию периодических решений рассматриваемой дифференциальной системы.
Ключевые слова:
нейронная сеть, дифференциальное уравнение с разрывной правой частью, краевая задача, функция Грина, существование решения, отображения частично упорядоченных пространств, периодическое решение
УДК:
517.911,
517.988,
512.562, 51-7
MSC: 34B60,
34A36,
47J99,
92B20 Поступила в редакцию: 25.08.2023
Принята в печать: 23.11.2023
DOI:
10.20310/2686-9667-2023-28-144-383-394