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———————

ĐỒN THÁI SƠN

TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA MỘT SỐ LỚP HỆ VI PHÂN CÓ
TRỄ VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÁC MƠ HÌNH SINH
THÁI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ TỐN HỌC

HÀ NỘI-2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI
——————–o0o———————

ĐỒN THÁI SƠN

TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA MỘT SỐ LỚP HỆ VI PHÂN CÓ TRỄ VÀ ỨNG
DỤNG TRONG CÁC MƠ HÌNH SINH THÁI

Chun 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

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi, được
hồn 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
cơng trình, luận văn, luận án nào khác.
Tác giả

1


LỜI CẢM ƠN

Luận án này được thực hiện tại bộ mơn Giải tích, khoa Tốn-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. Tơi xin tỏ lịng 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 q trình học tập, nghiên cứu và hồn
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,
cơ giáo trong bộ mơn Giải tích đã ln 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 mơn Giải tích đã
quan tâm, trao đổi và góp ý cho tơi trong q trình học tập và làm luận án.
Tơi 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 Tốn-Tin, trường
Trung học phổ thơng Chuyên Trần Phú, đã luôn tạo điều kiện thuận lợi, giúp
đỡ và động viên tơi trong suốt q trình học tập và nghiên cứu.
Sau cùng, tơi xin dành những tình cảm và lịng biết ơn chân thành tới
gia đình, những người luôn yêu thương, chia sẻ, động viên tôi vượt qua khó
khăn để hồn thành luận án này.
Tác giả
2


MỤC LỤC

Lời cam đoan
Lời cảm ơn . .
Kí hiệu . . . . .
MỞĐẦU ...
1. SƠBỘMỘTSỐKẾTQUẢLIÊNQUAN.

.......

......

...

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

MƠ TẢ MẠNG NƠRON HOPFIELD VỚI HỆ SỐ BIẾN THIÊN

VÀTRỄTỈLỆ................................. 28

2.1. Mơ hình mạng nơron Hopfield với trễ tỉ lệ . . . . . . . . . .

2.2. Tính ổn định hữu hạn của mơ hình mạng nơron Hopfield

biến thiên và trễ tỉ lệ không đồng nhất . . . . . . . . . . . . .

2.3. Dáng điệu tiệm cận: Sự đồng bộ nghiệm của mơ hình (
2.4. Ví dụ minh họa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.5. Kết luận Chương 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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 tồn cục của mơ 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 TỒN CỤC CỦA NGHIỆM TUẦN HỒN DƯƠNG CỦA

MỘTMƠHÌNHNICHOLSONCĨTRỄ.. ....... ...... ... 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 tồn cục của nghiệm tuần hồn dương . . . . . . . . . . . 69

4


4.4. Điểm cân bằng dương và tính hút tồn cục . . . . . . . . . . . . . .

75

4.5. Ví dụ và mơ phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

78

4.6. Kết luận Chương 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 Kết luận
chung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
Danh mục cơng trình cơng bố . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
TÀILIỆUTHAMKHẢO .......................... 84

5


MỘT SỐ KÍ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN ÁN

[n]
a,b

R+
n

R
x

∞

Rm×n

A

⊤

A>0

S+

n

In

diag{a1, . . . , an} Ma trận chéo với các phần tử a1, a2, . . . , an trên đường chéo
[A]ij
A
A≻0
x

R+

n

+

ξ (t.ư. ξ+)
λ(A)
λmax(A), λmin(A) max{Reλ : λ ∈ λ(A)}, min{Reλ : λ ∈ λ(A)}
n

C([a, b], R )
+
D v(t)

6


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, cơng nghệ thơng tin đến các mơ hình trong sinh thái học quần
thể, kinh tế và môi trường [1, 21]. Trong thực tiễn, rất nhiều mơ hình ứng dụng
được mơ 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 mơ hình
ứng dụng, nói riêng. Vì vậy, bài tốn nghiên cứu tính ổn định của các hệ phương
trình vi phân có trễ và ứng dụng nó trong các mơ 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 cơng 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 mơ 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 mơ tả các mơ 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
tơi chọn chủ đề nghiên cứu về tính ổn định của các hệ phương trình vi phân

có trễ và ứng dụng trong các mơ 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 mơ 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 cơng 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 mơ 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 mơ hình mạng
nơron, yếu tố trễ truyền tải là không tránh khỏi do q 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 cơng
trình đã cơng bố, tính ổn định và tính đồng bộ mới chỉ được nghiên cứu cho một
số mơ hình mạng nơron với trọng số kết nối các nơron là hằng và trễ bị chặn. Các
kết quả đó hầu như khơng áp dụng được cho các mơ hình mạng nơron với trễ tỉ
lệ, một lớp trễ được sử dụng rất phổ biến trong mơ tả động lực các hệ có cấu trúc
mạng [41]. Chẳng hạn, với cấu trúc một mạng nơron có nhiều tầng (layers), q
trình xử lí và truyền tín hiệu giữa các tầng thường được mơ 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 mơ 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
cơng trong nhiều bài tốn 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
AX [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 mơ 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 vơ 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 khơng ổn định theo Lyapunov và
ngược lại (xem phản ví dụ trong [16]). Trước bài báo [1] trong Danh mục cơng bố
của luận án này, chúng tơi chưa tìm thấy một kết quả nghiên cứu nào đề cập đến
tính ổn định hữu hạn của mơ hình mạng nơron với hệ số biến thiên và trễ tỉ lệ. Đây
sẽ là chủ đề được chúng tơi nghiên cứu và trình bày trong Chương 2 của luận án
này. Cụ thể hơn, dựa trên bài báo [1] trong Danh mục cơng trình cơng bố, chúng
tơi nghiên cứu tính ổn định hữu hạn của mơ hình mạng nơron Hopfield với hệ số
kết nối biến thiên chứa đa trễ tỉ lệ dạng

sau đây
′

(t) =

x

i

n

cij (t)gj (xj (qij t)) + Ii(t), i ∈ [n], t > 0.

+
j=1

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 mơ
hình mạng nơron Hopfield với hệ số biến thiên
Rất nhiều bài tốn trong vật lí và kĩ thuật được mơ 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 tơi nghiên cứu bài tốn phân tích
tính tiêu hao của lớp hệ phương trình vi phân trong mơ hình mạng nơron
Hopfield với hệ số biến thiên và trễ tỉ lệ không đồng nhất dạng sau đây
′

x

i

−i

Để phân tích tính tiêu hao của các hệ phương trình vi phân dạng (2),
chúng tơi 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 inft≥0 ai(t) = 0. Nội dung của chương này
được trình bày dựa trên bài báo [2] trong Danh mục cơng trình cơng bố.

10


2.3. Sự tồn tại và tính hút tồn cục của nghiệm tuần hồn dương
của một mơ hình Nicholson có trễ với hàm suy giảm phi tuyến
Các mơ hình tốn học đóng vai trị quan trọng trong việc mơ tả động
lực các mơ hình thực tiễn [11,30]. Ví dụ, trong [29], Nicholson sử dụng
phương trình vi phân
′

N (t) = αN(t) + βN(t

−
ở đó α, β, γ là các hằng số dương, để mơ tả sự sinh trưởng của quần thể

lồi ve châu Úc. Mơ hình (3) sau đó thường được gọi là mơ 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 mơ 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 hồn dương của
một số mơ hình Nicholson có trễ đã được nghiên cứu trong [22,25,26] và
[17]. Mơ 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 cơng bố đều được nghiên cứu cho mơ 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 mơ 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 mơ hình trong thủy sản như khu
bảo tồn biển được mô tả bằng các phương trình vi phân trễ trong mơ hình
Nicholson với tốc độ suy giảm phụ thuộc phi tuyến vào mật độ [3] dạng
′

−γN (t−τ )

N (t) = −D(N(t)) + βN(t − τ )e

,

ở đó tỉ lệ tử vong D(N) có một trong các dạng D(N) = a − be−N (type-I) hoặc
11


D(N) = b

aN
+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 tồn cục của nghiệm tuần hồn dương đối với mơ hình
Nicholson có trễ
p

′

N (t) = −D(t, N(t)) +βk(t)N(t − τk(t))e

−γ (t)N (t−τ (t))
k

k

k=1

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 tơi chỉ ra tính bền vững và tính tiêu hao đều của mơ
hình Nicholson (4). Trên cơ sở tính tiêu hao và bền vững đều, chúng tôi chứng
minh sự tồn tại và tính hút tồn cục của nghiệm tuần hồn dương duy nhất của
phương trình vi phân phi tuyến dạng (4). Áp dụng kết quả tổng qt cho mơ
hình Nicholson với hệ số hằng số, chúng tôi thu được một số kết quả về sự tồn
tại, duy nhất và tính hút tồn cục của điểm cân bằng dương của mơ hình
tương ứng. Nội dung chương này được viết dựa trên bài báo [3] trong Danh
mục cơng trình cơng 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 hồn 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 thơng 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
mơ hình mạng nơron Hopfiled với hệ số biến thiên và trễ tỉ lệ.
2. Chứng minh được tính tiêu hao tồn cục của lớp hệ phương trình vi phân mơ

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 tồn cục, tính bền vững và tính tiêu hao đều của

nghiệm dương đối với một mơ hình Nicholson có trễ với hàm suy thối
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 mơ hình Nicholson nói trên. Một áp

dụng với mơ 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 cơng 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 mơn Giải tích, khoa

Tốn-Tin, trường Đại học Sư phạm Hà Nội.
• Hội nghị khoa học của nghiên cứu sinh, Khoa Tốn-Tin, Trường Đại học

Sư phạm Hà Nội.
• Xemina Phịng Tối ưu và Điều khiển, Viện Toán học, Viện Hàn lâm

Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

5.

Cấu trúc của luận án
Ngồi phần mở đầu, kết luận, danh mục cơng 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 mơ tả mạng nơron Hopfield với hệ số biến thiên và trễ

tỉ lệ khơng đồng nhất.
• Chương 3 trình bày các kết quả nghiên cứu tính tiêu hao tồn cục của

lớp phương trình vi phân trong mơ 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 mơ 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 tơi 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 = j và các định thức con chính của A dương. Ma trận B =
(bij ) ∈ Rm

×

n

là một ma trận khơng 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;
n

(iv) Tồn tại một vectơ ξ ∈ R , ξ ≻ 0, sao cho Aξ ≻ 0;
n

T

(v) Tồn tại một vectơ η ∈ R , η ≻ 0, sao cho A η ≻ 0.
15


×

Mệnh đề 1.1.2. Giả sử A ∈ Rn

n

là một M-ma trận khơng suy biến. Khi đó,

n

tồn tại một vectơ χ ∈ R , χ ≻ 0, sao cho χ ∞ = 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 φ

C = sup−r≤s≤0 φ(s)

. Xét

bài tốn giá trị ban đầu cho phương trình vi phân hàm sau đây
′

x (t) = f (t, xt), t ≥ t0, xt0 = φ,
n

ở đó f : D = [t0, ∞) × C → R và φ ∈ C là hàm ban đầu. Sự tồn tại duy nhất

nghiệm địa phương của bài tốn (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
f (t, φ) ≤ a(t) φ C + b(t),
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


f (t, φ) ≤ Φ (t, φ C) , (t, φ) ∈ D,
+

ở đó Φ : [t0, ∞) × R → (0, ∞) là hàm liên tục, không giảm theo t và thỏa mãn
∞
0
16

ds


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 tốn (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 ˜ ∗ ∗ . Rõ f(t, zt) = f (t, zt + xt ) − f (t,
xt )

ràng ˜

. Do đó, để đơn giản kí hiệu, chúng tơi giả sử rằng

f(t, 0) = 0 f (t, 0) = 0 là (1.1) có nghiệm x = 0.

, tức

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 φ

C<

δ(t0, ǫ) kéo theo x(t, φ) < ǫ với mọi t ≥ t0. Nghiệm x = 0 của (1.1) được gọi là ổn

định đều nếu số δ nói trên khơng 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 φ C < δa kéo theo x(t, φ) < 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
x(t, φ) ≤ β φ Ce

−α(t−t0)

, t ≥ t0.

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
′

V (t, φ) = lim sup
+

h→0

1
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
n

mỗi tập R × Ω, ở đó Ω là tập bị chặn trong C, thành tập bị chặn trong R 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( φ(0) ) ≤ V (t, φ) ≤ v( φ C), ∀φ ∈ C,

và đạo hàm của V (t, φ) dọc theo hệ
′

V (t, φ)

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 tồn 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 mơ 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,

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


Trong Định nghĩa 1.3.1, để đảm bảo tính đặt chỉnh ta giả thiết X0 ⊂ Xt0 .
Chú ý rằng, nói chung, ta không cần hạn chế X0 ⊂ Xt với t > t0. Tuy nhiên, trong
nhiều trường hợp, các tập X0 (trạng thái đầu) và Xt (tập quỹ đạo) được cho
⊤

dưới dạng các ellipsoid ER(ρ) = {x Rx < ρ : x ∈ Rn }, ở đó R ∈ Sn+ là một ma
trận đối xứng xác định dương. Định nghĩa 1.3.1 có thể phát biểu dưới dạng
sau.
Định nghĩa 1.3.2 ([2]). Cho trước một cận T > 0 (xác định khoảng thời gian),
một ma trận R ∈ Sn+ và các số dương r1 < r2. Hệ (1.7) được gọi là ổn định hữu
hạn đối với (t0, T, r1, r2, R) nếu với bất kì x0 ∈ ER(r1), quỹ đạo nghiệm tương ứng
⊤

x(t) = x(t; t0, x0) của (1.7) thỏa mãn x (t)Rx(t) < r2 với mọi t ∈ [t0, t0 + T ].

Về ý nghĩa hình học, khái niệm ổn định trong thời gian hữu hạn chỉ ra
rằng với các tập trong X0 và tập ngoài Xt cố định, mọi quỹ đạo nghiệm của
hệ xuất phát từ X0 sẽ không vượt ra ngoài vùng Xt trên toàn khoảng thời
gian [t0, t0 + T ] cho trước. Hình 1.1 dưới đây minh họa cho khái niệm ổn
định trong thời gian hữu hạn. Cụ thể, với chuẩn .

∞

trên Rn, cho trước các

hình cầu Br1 , Br2 trong Rn với bán kính r1 < r2, bất kì quỹ đạo nghiệm của hệ
xuất phát từ Br1 sẽ ln chứa trong Br2 trên tồn khoảng thời gian hữu hạn
[0, T ] xác định trước từ các bài toán ứng dụng thực tiễn.

1.3.2. Mối liên hệ giữa tính ổn định trong thời gian hữu hạn với tính
ổn định theo Lyapunov
Khái niệm ổn định trong thời gian hữu hạn (viết tắt là FTS) và khái
niệm ổn định theo Lyapunov là hai khái niệm độc lập. Cụ thể hơn, một hệ là
FTS, thậm chí với bất kì thời gian T > 0, có thể khơng ổn định theo Lyapunov
[2, 16]. Ngược lại, tính ổn định, ổn định tiệm cận theo Lyapunov khơng suy
ra tính ổn định hữu hạn của hệ.
Ví dụ 1.3.1 ([16]). Xét các phương trình vi phân có trễ sau
′

x (t) =
−


19


X(T) ∞ < R2, T ∈ [0,T]

X

0

R1

R

2

Hình 1.1: Ổn định trong khoảng thời gian [0, T ]

và
′

x (t) = 0.8x(t) +
−

Phương trình (1.8) ổn định tiệm cận tồn cục theo Lyapunov. Tuy nhiên
(1.8) không ổn định hữu hạn đối với (r1, r2, T ), ở đó r1 = 1, r2 = 1.25 và T = 10.
Ngược lại, (1.9) là ổn định hữu hạn đối với r1 = 1, r2 = 1.5 và T = 10 nhưng
không ổn định tiệm cận. Quỹ đạo nghiệm của (1.8) và (1.9) với điều kiện
đầu φ(t) = 1, t ∈ [−1, 0], được minh họa trong Hình 1.2 và Hình 1.3.

1.3.3. Tính ổn định trong thời gian hữu hạn của lớp hệ tuyến tính
với trễ hỗn hợp biến thiên
Trong mục này chúng tơi trình bày một kết quả về tính ổn định hữu hạn
của lớp hệ tuyến tính với trễ biến thiên dạng phân phối từ bài báo [16]. Sử
dụng các hàm dạng Lyapunov-Krasovskii, các điều kiện ổn định hữu hạn
được thiết lập thông qua bất đẳng thức ma trận tuyến tính.
20