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        K 層層間單向耦合星形網(wǎng)絡(luò)的同步能力分析

        2022-01-24 08:36:28李顯勇高海平
        關(guān)鍵詞:無(wú)界層層單向

        朱 劍,李顯勇,高海平

        (1.新疆工程學(xué)院數(shù)理學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830023;2.西華大學(xué)計(jì)算機(jī)與軟件工程學(xué)院,四川 成都 610039;3.新疆輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院公共基礎(chǔ)部,新疆 烏魯木齊 830021)

        自然界中最常見的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、新陳代謝網(wǎng)絡(luò)、金融網(wǎng)絡(luò)、鳥類的群體飛行網(wǎng)絡(luò)、社交網(wǎng)絡(luò)等。近年來(lái),復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為不同領(lǐng)域科學(xué)家們的熱點(diǎn)研究方向。隨著研究的深入,復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)在很多方面都取得了新進(jìn)展,如多層網(wǎng)絡(luò)同步[1?8]、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)建模與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[9?10]、疾病傳播和信息傳播[11]、動(dòng)力學(xué)性質(zhì)[12]、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的魯棒性與脆弱性[13?14]等。

        在研究復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程中,一個(gè)很重要問(wèn)題就是復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的同步。同步現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生在我們的生活中,如演出時(shí)掌聲同步、螢火蟲同時(shí)閃爍及無(wú)人機(jī)編隊(duì)同步等。在物理、生物、工程技術(shù)以及社會(huì)科學(xué)等領(lǐng)域都出現(xiàn)了各種各樣的同步現(xiàn)象。目前對(duì)單個(gè)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的同步已經(jīng)有了比較成熟的研究成果,但對(duì)更實(shí)際的多層有向網(wǎng)絡(luò)的同步研究[15?17]極少。文獻(xiàn) [15]在同步域?yàn)橛薪绾蜔o(wú)界2 種情況下研究了2 層星形網(wǎng)絡(luò)的同步能力,對(duì)于中心節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)相連、葉子節(jié)點(diǎn)之間相連的2 層星形網(wǎng)絡(luò)給出了特征值的表達(dá)式,并分析了網(wǎng)絡(luò)的同步能力與節(jié)點(diǎn)數(shù)、層間耦合強(qiáng)度和層內(nèi)耦合強(qiáng)度的關(guān)系。文獻(xiàn)[16]給出了3 層層內(nèi)單向耦合的星形網(wǎng)絡(luò)的特征值多項(xiàng)式,在同步域無(wú)界和有界2 種情況下分析了網(wǎng)絡(luò)層數(shù)、每層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)、層內(nèi)耦合強(qiáng)度、層間耦合強(qiáng)度與網(wǎng)絡(luò)同步能力的關(guān)系。文獻(xiàn)[17]給出了多層雙向?qū)觾?nèi)耦合的星形網(wǎng)絡(luò),并對(duì)星形圓環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)在同步域無(wú)界和有界2 種情況下各參數(shù)與網(wǎng)絡(luò)同步能力的關(guān)系進(jìn)行了分析。

        由于實(shí)際的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)更接近于有向網(wǎng)絡(luò),因此,本文研究更貼近實(shí)際的多層層間有向耦合星形網(wǎng)絡(luò)的特征值譜及同步能力。首先,根據(jù)主穩(wěn)定性函數(shù)方法給出4 層層間單向耦合星形網(wǎng)絡(luò)的超拉普拉斯矩陣,得到反映網(wǎng)絡(luò)同步能力的重要指標(biāo)λ2和r;然后,給出K層層間單向耦合的星形網(wǎng)絡(luò)的特征值多項(xiàng)式以及特征值譜;在同步域無(wú)界和有界2 種情況下,分析各參數(shù)與K層層間單向耦合的星形網(wǎng)絡(luò)同步能力的關(guān)系;最后,給出K層層間單向耦合星形網(wǎng)絡(luò)同步能力的仿真圖像(K=15),討論網(wǎng)絡(luò)同步能力與各參數(shù)之間的關(guān)系。

        1 基礎(chǔ)知識(shí)

        K層網(wǎng)絡(luò)中第M層第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)力學(xué)方程為

        結(jié)合層內(nèi)與層間相關(guān)矩陣,定義超拉普拉斯矩陣Ψ=ΨI+ΨL,其中矩陣ΨI=LI?IN,LI=?dD,IN為N×N單位矩陣,?為Kronecker 積。

        多層網(wǎng)絡(luò)的同步能力由超拉普拉斯矩陣的非零最小特征值 λ2和最大特征值r決定:當(dāng)同步域無(wú)界時(shí),多層網(wǎng)絡(luò)的同步能力由超拉普拉斯矩陣的非零最小特征值 λ2決定,此時(shí)網(wǎng)絡(luò)的同步能力與 λ2成正比;當(dāng)同步域有界時(shí),多層網(wǎng)絡(luò)的同步能力由r=λmax/λ2決定,此時(shí)多層網(wǎng)絡(luò)的同步能力與r成反比[17]。

        2 K 層層間單向耦合星形網(wǎng)絡(luò)的特征值譜及同步能力分析

        首先,考慮4 層層間單向耦合星形網(wǎng)絡(luò),如圖1 所示,黑色有向虛線代表葉子節(jié)點(diǎn)鄰接,紅色有向虛線代表中心節(jié)點(diǎn)鄰接。其中每層網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)一致,且高層的中心節(jié)點(diǎn)、葉子節(jié)點(diǎn)與低層相對(duì)應(yīng)的中心節(jié)點(diǎn)、葉子節(jié)點(diǎn)存在有向鄰接,則4 層層間單向耦合星形網(wǎng)絡(luò)的超拉普拉斯矩陣為

        圖1 4 層層間單向耦合星形網(wǎng)絡(luò)

        其全部特征根為:

        其中i=1,2,3。通過(guò)對(duì)比分析,i=3時(shí),式(2)取到最大值;i=1時(shí),式(3)取到最小值。比較全部特征值的大小,可得

        因此:在同步域無(wú)界的情況下,4 層層間單向耦合星形網(wǎng)絡(luò)的同步能力由λ2=min{a,d}決定;在同步域有界的情況下,4 層層間單向耦合星形網(wǎng)絡(luò)的同步能力由r=λmax/λ2=(Na+3d0)/min{d,a}決定。

        類似地,考慮K層層間單向耦合星形網(wǎng)絡(luò),可得K層層間單向耦合星形網(wǎng)絡(luò)的超拉普拉斯矩陣為

        其全部特征根為:

        其中i=1,2,···,K?1。為了便于比較它們之間的大小關(guān)系,設(shè)

        于是

        類似地,λ1i→Na+(K?i)d0,N?a,d,d0,K。i=1,2,···,K?1。

        因此λ2i<λ1i。

        比較全部特征值的大小,可得λ2=min{λ2(K?1),a}→min{d,a},λmax→Na+(K?1)d0。

        由此可以推出:在同步域無(wú)界的情況下,K層層間單向耦合星形網(wǎng)絡(luò)的同步能力由λ2=min{d,a}決定;在同步域有界的情況下,K層層間單向耦合星形網(wǎng)絡(luò)的同步能力由r=λmax/λ2=(Na+(K?1)d0)/min{d,a}決定。即 λ2越大,同步能力越強(qiáng);r越大,同步能力反而越弱。

        3 數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)與分析

        采用MATLAB 進(jìn)行數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn),討論各參數(shù)與同步能力之間的關(guān)系。仿真實(shí)驗(yàn)的主要步驟為:首先根據(jù)第2 節(jié)得到的在同步域無(wú)界和有界2 種情況下的重要指標(biāo)進(jìn)行數(shù)值模擬,給定符合實(shí)際的5 個(gè)參數(shù)中的4 個(gè)參數(shù),變化剩下的1 個(gè)參數(shù),數(shù)值模擬仿真出同步域無(wú)界時(shí)λ2變化情況和同步域有界時(shí)r的變化情況。以下實(shí)驗(yàn)中:a為層內(nèi)耦合強(qiáng)度;d為葉子節(jié)點(diǎn)間的層間耦合強(qiáng)度;d0為中心節(jié)點(diǎn)間耦合強(qiáng)度;K為層數(shù);N為節(jié)點(diǎn)數(shù)。

        由圖2 可知,在同步域?yàn)闊o(wú)界或有界的情況下,網(wǎng)絡(luò)的同步能力都隨葉子節(jié)點(diǎn)的層間耦合強(qiáng)度d的增加而增大,其同步能力增大到一定程度后同步能力基本不變,也就是說(shuō),在這種情況下要使網(wǎng)絡(luò)同步能力達(dá)到最大,一直增加葉子節(jié)點(diǎn)的層間耦合強(qiáng)度d是不行的。

        圖2 在不同同步域下,同步能力隨葉子節(jié)點(diǎn)間的層間耦合強(qiáng)度d的變化(N=300,a=3,d0=2,K=15)

        由圖3 可知:在同步域無(wú)界的情況下,網(wǎng)絡(luò)的同步能力隨中心節(jié)點(diǎn)的層間耦合強(qiáng)度d0的增加而保持不變;在同步域有界的情況下(a

        圖3 在不同同步域下,同步能力隨中心節(jié)點(diǎn)間的層間耦合強(qiáng)度 d0的變化(N=300,a=3,d=4,K=15,a

        由圖4 可知:在同步域無(wú)界的情況下,網(wǎng)絡(luò)的同步能力隨中心節(jié)點(diǎn)的層間耦合強(qiáng)度d0的增加而保持不變;在同步域有界的情況下(a>d),網(wǎng)絡(luò)的同步能力隨中心節(jié)點(diǎn)的層間耦合強(qiáng)度d0的增加而緩慢減小。

        圖4 在不同同步域下,同步能力隨中心節(jié)點(diǎn)間的層間耦合強(qiáng)度 d0的變化(N=300,a=3,d=1,K=15,a>d)

        由圖5 可知:在同步域無(wú)界的情況下,網(wǎng)絡(luò)的同步能力隨層內(nèi)耦合強(qiáng)度a的增加而增大,但增大到一定程度后保持不變;在同步域有界的情況下,網(wǎng)絡(luò)的同步能力隨層內(nèi)耦合強(qiáng)度a的增加先增強(qiáng)后減弱。

        圖5 在不同同步域下,同步能力隨層內(nèi)耦合強(qiáng)度a的變化(N=300,d0=2,d=1,K=15)

        由圖6 可知:在同步域無(wú)界(a

        圖6 在不同同步域下,同步能力隨網(wǎng)絡(luò)規(guī)模N的變化(a=0.5,d0=2,d=1,K=15,a

        由圖7 可知:在同步域無(wú)界(a>d)的情況下,網(wǎng)絡(luò)的同步能力隨節(jié)點(diǎn)數(shù)N的增加而保持不變;在同步域有界的情況下,網(wǎng)絡(luò)的同步能力隨節(jié)點(diǎn)數(shù)N的增加而減弱。

        圖7 在不同同步域下,同步能力隨網(wǎng)絡(luò)規(guī)模N的變化(a=0.5,d0=2,d=1,K=15,a>d)

        由圖8 可知:在同步域無(wú)界的情況下,網(wǎng)絡(luò)的同步能力隨網(wǎng)絡(luò)層數(shù)K的增加而保持不變;在同步域有界的情況下,網(wǎng)絡(luò)的同步能力隨網(wǎng)絡(luò)層數(shù)K的增加而減弱。

        圖8 在不同同步域下,同步能力隨星形網(wǎng)絡(luò)層數(shù)的變化(a=3,d0=2,d=1,N=300)

        多層網(wǎng)絡(luò)的同步能力隨a,d0,d,K,N的變化情況如表1 所示。

        表1 λ2,r=λmax/λ2隨a,d0,d,K,N的變化

        4 結(jié)論

        綜合以上的分析可知:在同步域?yàn)闊o(wú)界的情況下,K層層間單向耦合星形網(wǎng)絡(luò)的同步能力只與層內(nèi)耦合強(qiáng)度、葉子節(jié)點(diǎn)間的層間耦合強(qiáng)度有關(guān),而且同步能力取決于層內(nèi)耦合強(qiáng)度、葉子點(diǎn)之間的層間耦合強(qiáng)度較小的一個(gè);在同步域?yàn)橛薪绲那樾蜗拢琄層層間單向耦合星形網(wǎng)絡(luò)的同步能力與層內(nèi)耦合強(qiáng)度、葉子節(jié)點(diǎn)的層間耦合強(qiáng)度、層數(shù)及中心節(jié)點(diǎn)耦合強(qiáng)度都有關(guān)。

        同時(shí),本文結(jié)論與文獻(xiàn)[17]給出的同條件下的星形網(wǎng)絡(luò)的結(jié)果既有區(qū)別又有聯(lián)系。在同步域無(wú)界時(shí)的相同點(diǎn)是2 種結(jié)構(gòu)的星形網(wǎng)絡(luò)同步能力都與層內(nèi)耦合強(qiáng)度、葉子節(jié)點(diǎn)的層間耦合強(qiáng)度有關(guān);不同之處在于本文的結(jié)果與層數(shù)無(wú)關(guān),文獻(xiàn)[17]的結(jié)果與層數(shù)有關(guān)。在同步域無(wú)界時(shí)本文與文獻(xiàn)[17]的結(jié)果完全不同。

        多層層間單向耦合星形網(wǎng)絡(luò)的研究依然有很多問(wèn)題需要解決,比如:在本文的多層層間單向耦合星形網(wǎng)絡(luò)改變層內(nèi)耦合強(qiáng)度時(shí),怎樣改變其他參數(shù)來(lái)使同步能力保持不變;改變其中一個(gè)參數(shù)時(shí),怎樣改變其他參數(shù)來(lái)使同步能力保持不變。

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