Гарантированные прогнозные оценки решений систем дифференциальных уравнений с динамикой Гомперца при наблюдениях в дискретные моменты времени

Для математических моделей, заданных системами дифференциальных уравнений Гомперца при дискретных наблюдениях, предложены эффективные алгоритмы нахождения гарантированных и приближенных гарантированных прогнозных ошибок векторов состояний и их ошибок. Приведены результаты численных экспериментов (в...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :Проблемы управления и информатики
Дата:2019
Автори: Наконечный, А.Г., Зинько, П.Н., Зинько, Т.П., Шевчук, Ю.М.
Формат: Стаття
Мова:Російська
Опубліковано: Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України 2019
Теми:
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/180799
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Гарантированные прогнозные оценки решений систем дифференциальных уравнений с динамикой Гомперца при наблюдениях в дискретные моменты времени / А.Г. Наконечный, П.Н. Зинько, Т.П. Зинько, Ю.М. Шевчук // Проблемы управления и информатики. — 2019. — № 3. — С. 72-84. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859819029469855744
author Наконечный, А.Г.
Зинько, П.Н.
Зинько, Т.П.
Шевчук, Ю.М.
author_facet Наконечный, А.Г.
Зинько, П.Н.
Зинько, Т.П.
Шевчук, Ю.М.
citation_txt Гарантированные прогнозные оценки решений систем дифференциальных уравнений с динамикой Гомперца при наблюдениях в дискретные моменты времени / А.Г. Наконечный, П.Н. Зинько, Т.П. Зинько, Ю.М. Шевчук // Проблемы управления и информатики. — 2019. — № 3. — С. 72-84. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Проблемы управления и информатики
description Для математических моделей, заданных системами дифференциальных уравнений Гомперца при дискретных наблюдениях, предложены эффективные алгоритмы нахождения гарантированных и приближенных гарантированных прогнозных ошибок векторов состояний и их ошибок. Приведены результаты численных экспериментов (в которых решалась задача оценки прогноза динамики распространения одного вида информации в социуме), которые позволяют сделать выводы о практической ценности данного подхода. На основании этого можно утверждать о целесообразности использования предложенных алгоритмов для особых случаев общей модели распространения информации, которые, например, учитывают забывание и двухэтапное усвоение информации. Проаналізовано модель поширення інформації в соціумі. Припускається, що в соціокомунікативному просторі поширюється n типів інформаційних повідомлень, що відрізняються за змістом. Кількість осіб, які розповсюджують один із типів інформаційних повідомлень, є ключовими показниками динаміки моделі. Розповсюдження інформаційних повідомлень відбувається через внутрішні (міжособистісне спілкування) та зовнішні (вплив засобів масової інформації) потоки. Модель представлена у вигляді системи n нелінійних диференціальних рівнянь Гомперца. Такі моделі доцільно застосовувати для практичних задач аналізу поширення інформації в соціумі, динаміка яких швидко зростає за часом, а також в силу своєї нелінійної правої частини подібні моделі претендують на адекватне представлення процесів з предметної області. Однією із практичних важливих задач, які виникають при аналізі процесів поширення інформації в соціумі, є задача знаходження прогнозних оцінок динаміки таких процесів. Для систем диференціальних рівнянь Гомперца ця задача стає нетривіальною в силу наявності натуральних логарифмів в правих частинах цих похідних. Сформульовано задачу знаходження гарантованих прогнозних оцінок векторів. І для окремого випадку цієї задачі з дискретними спостереженнями запропоновано ефективні алгоритми знаходження гарантованих та наближених гарантованих прогнозних оцінок векторів стану та похибок прогнозних гарантованих оцінок. Як приклади представлено результати знаходження гарантованих прогнозних оцінок динаміки математичної моделі розповсюдження одного виду інформації в соціумі. Результати чисельного комп’ютерного експерименту демонструють практичні можливості даного підходу. Методику можна використовувати при розробці систем підтримки прийняття рішень для аналізу процесів у соціокомунікативному просторі. In this paper, we introduce a mathematical model of spreading information messages. Suppose, a community is influenced by one of n sources of information. The number of information made by each of the sides is taken as key parameter promoting accomplishment of aim. Information can be spread in the community along internal (interpersonal communication of the member of social community) and external information flow. The model has the form of a system of non-linear differential equations with Gompertzian dynamics and non-stationary parameters. These mathematical models can be useful for describe processes that grow rapidly over time. Systems of differential equations with Gompertzian dynamics claim to be an adequate representation of processes from the subject area because they have a non-linear right part. The problem of finding predictive an estimate of the dynamics of such processes is practically an important problem of analyzing the information spreading process in society. This problem becomes nontrivial for the systems of differential equations with Gompertz because there are natural logarithms in the right sides of these equations. We formulated the problem of finding the predictive estimation and error for the systems of differential equations with Gompertzian dynamics. We the algorithms for building guaranteed predictive estimations and error and approximate guaranteed predictive estimations offered for the special case of this problem with discrete observations. We consider the results of problem numerical experiments to build guaranteed estimates for mathematical model of spreading one type of information. The analysis of these results has demonstrated the practical meaning of the obtained approach. The obtained results can be useful for the development of decision support systems for analyzing processes in the socio-communicative space.
first_indexed 2025-12-07T15:24:38Z
format Article
fulltext © А.Г. НАКОНЕЧНЫЙ, П.Н. ЗИНЬКО, Т.П. ЗИНЬКО, Ю.М. ШЕВЧУК, 2019 72 ISSN 0572-2691 МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ И ОЦЕНИВАНИЯ В УСЛОВИЯХ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ УДК 517.9 : 519.87 А.Г. Наконечный, П.Н. Зинько, Т.П. Зинько, Ю.М. Шевчук ГАРАНТИРОВАННЫЕ ПРОГНОЗНЫЕ ОЦЕНКИ РЕШЕНИЙ СИСТЕМ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ С ДИНАМИКОЙ ГОМПЕРЦА ПРИ НАБЛЮДЕНИЯХ В ДИСКРЕТНЫЕ МОМЕНТЫ ВРЕМЕНИ Ключевые слова: системы нелинейных дифференциальных уравнений, ди- намика Гомперца, прогнозные гарантированные оценки, дискретные наблю- дения, неопределенность. Введение Обзор литературы, в которой освещена проблема построения оценок в усло- виях неопределенности, приведены в [1–5]. Анализ алгоритмов построения про- гнозных оценок проводился в работе [6]. Б. Гомперц предложил одномерную математическую модель, которая ис- пользуется для формализации процессов роста населения в закрытом обществе, распространения болезней, роста злокачественных опухолей. Для последней задачи предложены многомерные модификации модели Гомперца [7, 8]. Анализ задачи гарантированного управления динамикой системы в условиях конфликта, которая описывается дифференциальными уравнениями Гомперца, приводится в [9]. На практике возникают задачи прогнозирования динамики моделей, которые описываются в виде систем дифференциальных уравнений с динамикой Гомперца в условиях неопределенности. В данной работе решается задача построения алгоритмов нахождения гаран- тированных и приближенных гарантированных прогнозных оценок векторов состояний и ошибок прогнозных гарантированных оценок моделей, которые описываются системами дифференциальных уравнений Гомперца при дис- кретных наблюдениях. 1. Предположения, определения, вспомогательные результаты Исследуется нелинейная непрерывная система с известными начальными условиями: ,,1,0))(;0(),,0( )),(;(]))(;(ln),)(()),()([( ))(;( 0 2 1 nixfxTt ftxftxeetAetftB dt ftdx ii i n j i jiii      (1) где матричные функции ,)( nnRtA  ,)( mnRtB  ),,0( 2Tt имеют непрерывные ком- поненты; ,)( mRf  ),0()( 22 TLf  — неизвестная функция; вектор ie , ni ,1 , i — орт, для решений которой выполняются неравенства ,0))(;( ftxi ),,0( 2Tt ni ,1 . Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2019, № 3 73 Пусть в точках Nktk ,1,  (для которых справедливы неравенства  ...0 1t 21 TTtN  ) наблюдаются значения функций ))(;( ftxi , ni ,1 , которые яв- ляются решениями системы (1) при некоторых неизвестных функциях ),(tf ),0( 2Tt , и с ошибками ik : ,))(;( ikkiik ftxy  ,,1 kni  ,nnk  .,1 Nk  Предполагается, что для функций ),0(),( 2Tttf  и величин ,,1, kik ni  Nk ,1 известны множества, которым они принадлежат. Пусть Gf )( , 21 GGG  , ),0(21 NtLG  , ),( 222 TtLG N и справедливы неравенства ikikik  , kni ,1 , Nk ,1 ( ik  , ik — известные числа). Лемма 1. Для решений системы (1) при выполнении условий ,00 kx ,,1 nk  следует представление ),,0(,,1))),(;(exp())(;( 2Ttniftftx ii  (2) где вектор-функция T 1 )))(,(...,)),(,(())(,(  ftftft n , ),0( 2Tt , является ре- шением задачи Коши: ).,0(,)ln,...,(ln))(;0(),()())(;()( ))(;( 2 00 1 TtxxftftBfttA dt ftd T n   (3) Доказательство. Справедливы равенства .,1),,0()),(;( ))(;())(;(ln 2 1 niTtftx dt ftdx dt ftxd i ii      Положив ,,1),,0()),(;())(;(ln 2 niTtftftx ii  получим уравнение (2), что подтверждает справедливость леммы. Учитывая, что компоненты вектора 0x известны, для нахождения приближенных гарантированных оценок (не ограничи- вая общность), будем считать, что 0ln 0 x . Поскольку предполагается, что вы- полняются неравенства ,,1,,1,0 Nkniy kikik  апостериорное множество возможных значений функции ),0(),( 2Tttf  имеет вид  })(:)({ GffFf },,1,,1),ln())(;()ln(:)({ Nkniyftyf kikikkiikik  где ),,0()),(;( 1Ttft  удовлетворяет системе (3). Обозначим T 1 ))(;(...,)),(;(())(;(  ftxftxftx n , ),0( 2Tt . Лемма 2. Пусть 1G и 2G — замкнутые, выпуклые и ограниченные множе- ства. Тогда существуют функции f i Ff )( и f i Ff )( , для которых справедливо )),(;())(;(max 22 ))(;( 2   i ii XfTx fTfT y ,,1,,1)),(;())(;(min 22 ))(;( 2 NknifTfT i ii XfTx y   где };,1,))(;(:))(;({ 22 niQfTxfTxX iiy  .,1},)()),(;())(;())(;(:))(;({ 2222 niFffTxfTxfTxfTxQ y i ii i iii  74 ISSN 0572-2691 Доказательство. Доказательство этой леммы вытекает из ограниченности, за- мкнутости и выпуклости множества fF , а также из того, что ,,1)),(;( 2 nifTi  ,,1 Nk  — линейные непрерывные функционалы в пространстве ),0( 22 TL . Определение 1. Гарантированной прогнозной оценкой вектора состояний ))(;( 2 fTx назовем вектор T 2212 ))(ˆ...,),(ˆ()(ˆ TxTxTx n , который удовлетворяет условию ))(ˆ()))(;((min 22 ))(;( 2 TxfTx yXfTx   , где функционал )))(;(( 2  fTx определяется по формуле     n i iii QfTx fTxfTxfTx ii 1 22 ))(;( 2 ,|))(;())(;(|max)))(;(( 2 (4) а nii ,1,0  , — известные числа, для которых выполняется условие .1 1   n i i Определение 2. Величину ))(ˆ( 2Tx назовем гарантированной ошибкой прогнозной оценки )(ˆ 2Tx . 2. Метод нахождения гарантированных прогнозных оценок и их ошибок Теорема 1. Компоненты вектора гарантированной прогнозной оценки )(ˆ 2Tx находятся по формулам: ,,1),())(ˆexp()(ˆ 222 niTchTTx iii   (5) (при этом гарантированная ошибка прогнозной оценки имеет вид      n i ii TshT i1 22 )())(ˆexp( ), где )(ˆ 2Ti , )( 2T i  , ni ,1 , — соответственно гарантированные прогнозные оценки и гарантированные ошибки прогнозных оценок величин nifTi ,1)),(,( 2  , и вычисляются по таким формулам: ,,1)),()(( 2 1 )()),()(( 2 1 )(ˆ 222222 niTTTTTT iiiii i     ,,1),(ln)(),(ln)( 2222 niTxTTxT iiii   .,1)),(;(min)()),(;(max)( 2 )( 22 )( 2 nifTxTxfTxTx i Ff ii Ff i yy      Доказательство. Поскольку выполняются условия леммы 2, получаем равенства: ,,1),())(;())(;(max 222 ))(;( 2 niTxfTxfTx i i ii QfTx ii    .,1),())(;())(;(min 222 ))(;( 2 niTxfTxfTx i i ii QfTx ii    Справедливы представления:   |))(;())(;(|max 22 ))(;( 2 fTxfTx ii QfTx ii           .,1)),()(( 2 1 ))(;(),())(;( )),()(( 2 1 ))(;(),())(;( 22222 22222 niTxTxfTxTxfTx TxTxfTxTxfTx iiiii iiiii Последние соотношения можно записать:   |))(;())(;(|max 22 ))(;( 2 fTxfTx ii QfTx ii Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2019, № 3 75 .,1,))()(( 2 1 ))(;())()(( 2 1 22222 niTxTxfTxTxTx iiiii   (6) Из формул (2) и (6) получим выражение для )))(;(( 2  fTx :           n i iiiiii TxTxfTxTxTxfTx 1 222222 .))()(( 2 1 ))(;())()(( 2 1 )))(;(( Отсюда следуют формулы для нахождения компонент вектора гарантирован- ной прогнозной оценки )(ˆ 2Tx и гарантированной ошибки: ,,1)),()(( 2 1 )(ˆ 222 niTxTxTx iii       n i iii TxTx 1 22 .))()(( 2 1 (7) Из (7), учитывая справедливость представления ))(;( ftxi )))(;(exp(  fti , ),0( 2Tt , ni ,1 , получаем ;,1),( 2 1 )(ˆ )()( 2 22 nieeTx TT i ii        n i i TT ii ee 1 )()( .)( 2 1 22 Поскольку ,,1),()(ˆ)(),()(ˆ)( 222222 niTTTTTT ii iiii      имеем     n i i TTTT iiii ee 1 )()(ˆ)()(ˆ )( 2 1 2222       n i ii n i i TTT TshTeee i iii 1 221 )()()(ˆ ,)())(ˆexp()( 2 1 222    )( 2 1 )(ˆ )()(ˆ)()(ˆ 2 2222 TTTT i iiii eeTx ,,1),())(ˆexp()( 2 1 22 )()()(ˆ 222 niTchTeee i iii i TTT     что и нужно было доказать. 3. Метод нахождения приближенных гарантированных прогнозных оценок Предполагается, что множество G центрально-симметричное относительно не- которой известной вектор-функции ),0()( ~ 22 TLf  . Для нахождения приближенных прогнозных гарантированных оценок рассмотрим внутреннее fF и внешнее fF множества, которые аппроксимируют априорное множество fF : ,}1))((:)({ 21 GfIGfF yf  ,}))((:)({ 21 GnfIGfF yf  где ;||)( ~ )(||)()))(;(())(( 1 0 22 1 1 2      TN k n i kiikiky dttftftqftyqfI k Nkni y y qyyy k ikik ikik ikikikikikik ,1,,1,ln 2 1 ),)(ln( 2 1 1      , и )(2 tq , ),0( 1Tt , — некоторая известная скалярная положительная функция в ),0( 12 TL . Отметим, что функцию ))(;(  ft , ),0( 2Tt , которая определяется по (3), также можно представить в виде 76 ISSN 0572-2691        ),,[)),(;( ],,0()),(;(~ ))(;( 21 1 1 TTtft Ttft ft где функции ))(;(~  ft , ),0( 1Tt и ),()),(;( 21 1 TTtft  , определяются как ре- шения систем: ),,0(,0))(;0(~),()())(;(~)( ))(;(~ 1TtftftBfttA dt ftd   ).,()),(;(~))(;(),()())(;()( ))(;( 2111 11 1 TTtfTfTtftBfttA dt ftd   Теорема 2. Множества fF и fF можно представить также в виде };)({))}(ˆ(1))((:)({ 221 GffIfIGfF yf  },)({))}(ˆ())((:)({ 221 GffInfIGfF yf  где )),(ˆ)()),(ˆ)())((ˆ(( 2 1 ))(( '' 2  fffffIfI y а ))((min)(ˆ )(   fIArgf y Gf ; кроме того, выполняется равенство  ))(ˆ)()),(ˆ)())((ˆ(( 2 1 '' fffffI y      1 0 22 1 1 2 ||)(ˆ)(||)()))(ˆ)(;(( TN k n i kiik dttftftqfftqk (здесь ))(ˆ('' fI y — вторая производная Фреше ))(( fI y в точке )(ˆ f ; а  )(;( ft ,)))(ˆ)(;(...,)),(ˆ)(;(())(ˆ T 1  fftfftf n ),0( 1Tt , — вектор-функция, которая определяется как решение следующей задачи Коши: )),(ˆ)(()())(ˆ)(;()( ))(ˆ)(;( tftftBffttA dt fftd   )).,0(,0))(ˆ)(;0( 1Ttff  Доказательство. Поскольку ),0(),(ˆ 1Tttf  , — функция, на которой достига- ет минимум функционал ))(( fI y , используя формулу Тейлора, получаем .))(ˆ)(),(ˆ)(())(ˆ(( 2 1 ))(ˆ()))(ˆ)(()(ˆ( 2''  fffffIfIfffI yyy При 1 будет выполняться равенство )).(ˆ)(),(ˆ)(())(ˆ(( 2 1 ))(ˆ())(( ''  fffffIfIfI yyy Таким образом, для аппроксимирующих апостериорную область fF мно- жеств fF и fF справедливо представление: };)({))}(ˆ(1))((:)({ 221 GffIfIGfF yf  },)({))}(ˆ())((:)({ 221 GffInfIGfF yf  что и нужно было доказать. Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2019, № 3 77 Обозначим )(tzi , ),( 21 TTt и )(tzi , ),0( 1Tt , ni ,1 , соответствующие решения задач Коши: ,,1),,(,)(),()( )( 212 T niTTteTztztA dt tdz i ii i  .,1),,0(),()(),()( )( 111 niTtTzTztztA dt tzd iii Ti  Теорема 3. Приближенные гарантированные оценки ,,1),(ˆ 2 niTi  нахо- дятся по формулам ,,1)),(ˆ),(()(ˆ 112 niTTzT iii  (8) где ,,1),(ˆ 1 niTi  находятся из системы алгебраических уравнений: ,,1;,1;)(ˆ)(ˆ 1 11 1 Nknibyqtbqt N r n s srikiksr N r rs n s sriksrki rr        ,,1,;,1,;))(~),(~)((1 0 2 Nrknsidttgtgtqb T sriksrik    ,,1,,1),,0(,),()()()(~ 11 TT ),0( NkniTtetTtBttg i tik k         ),,0(,0 ),,0(,1 )(),0( t t t матрица ),0(),,[),,( 21 TsTstst  — решение следующей задачи Коши: ),0(),,[,),(),,()( ),( 21 TsTstEsssttA dt std   , и E — единичная матрица размерности nn . Доказательство. По формуле Коши для нахождения общего решения систе- мы неоднородных линейных дифференциальных уравнений (3) получим выраже- ния для ))(;( 2  fT :   2 1 )()(),())(;(),())(;())(;( 21 1 122 1 2 T T dfBTfTTTfTfT .)()(),())(;(~),( 2 1 2112   T T dfBTfTTT (9) Умножив скалярно левую и правую части (9) на векторы niei ,1,  , получим равенства .,1,,)()(),())),(;(~),(())),(;(( 2 1 21122 niedfBTefTTTefT iT T ii         Последние формулы можно представить в виде .,1,))()(),(()))(;(~),(())),(;(( 2 1 112 nidfBzfTTzefT T T ii i   Вначале рассмотрим случай, когда fFf )( . Тогда получим: ,,1)),((max)))(;(),((max))),(;((max 21 )( 11 )( 2 )( nifLfTTzefT i Gf i Ff i Ff ff   nifLfTTzefT i Gf i Ff i Ff ff ,1)),((min)))(;(),((min))),(;((min 21 )( 11 )( 2 )(   (здесь ,))()(),(())((},))(ˆ())((:)({ 2 1 211   T T iiyf dfBzfLfInfIGfF ),1 ni  . 78 ISSN 0572-2691 Следовательно, справедливы соотношения:   )))(;(~),((max))(ˆ),(())),(;((max 11 )( 112 )( 2 vTTzTTzefT i Fv i i Ff ff ;,1)),((max 2)( nifLi Gf   (10)   ))((min)))(;(~),((min))(ˆ),(())),(;((min 22 )( 11 )( 112 )( fLvTTzTTzefT i Gf i Fv i i Ff ff ,,1)),((max)))(;(~),((max))(ˆ),(( 22 )( 11 )( 11 nifLvTTzTTz i Gf i Fv i f   (11) где ))}.(ˆ())((:),0()({ 2122  fInvITLvF yf Из (10) и (11) получим представления ,,1)),(ˆ),(()(ˆ 112 niTTzT iii  .,1)),((max)))(;(~),((max)( 22 )( 11 )( 2 nifLvTTzT i Gf i Fv f i    В случае fFf )( с помощью аналогичных рассуждений будем иметь вы- ражения для nifLvTTzT i Gf i Fv f i ,1)),((max)))(;(~),((max)( 22 )( 11 )( 2    , где ))}.(ˆ(1))((:),0()({ 2122  fIvITLvF yf Поскольку ),0()),((minArg)(ˆ 1TtfItf y  , имеют место равенства     N k n i kikiikiky k vtftyqvfI 1 1 ' ))(;()))(ˆ;(~())()),(ˆ(( 2 1 ),,0()(,0))(),(ˆ)(( 120 21 TLvdvfq T   (12) где ))(ˆ(' fI y — первая производная Фреше ))(( fI y в точке )(ˆ f . Заметим, что выполняются соотношения   1 0 1),0( )),())(),()(())),(;(())(;( T i t i kki defBTeftft k .,1,,1;))(),(~(1 0 Nknidfg T ik   (13) В силу (13) выражение (12) примет вид      N k n i T i tkiikik k k devBTftyq 1 1 0 1),0( 1 )),())(),()(()))(ˆ;(~( ).,0()(,0))(),(ˆ)(( 120 21 TLvdvfq T   (14) В (14) поменяем местами операции суммирования и интегрирования:      1 0 1 TT ),0(1 1 ))(,),()()(()))(ˆ;(~( T i t N k n i kiikik dveTBftyq k k ),,0()(,0))(),(ˆ)(( 120 21 TLvdttvtftq T   в результате получим равенства:    )(ˆ)(),,0(,0)(ˆ)()(~)))(ˆ;(~( 2 1 2 1 1 tftqTttftqtgftyq ik N k n i kiikik k ).,0(,)(~)(~))(ˆ;(~ 11 11 1 Tttgyqtgftq N k n i ikikik N k n i ikkiik kk        (15) Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2019, № 3 79 Выражение (15) можно представить в виде системы:     ))(~,)(~())(ˆ;(~)())(ˆ),(~( 1 1 2 tgtgfttqqtftg sr N r n s ikrssrik r .,1;,1);,0(;))(~),(~()( 11 1 2 NkniTttgtgytqq N r n s sriksrsr r     (16) Проинтегрируем обе части равенств (16):       11 0 1 1 2 0 ))(~,)(~())(ˆ;(~)())(ˆ),(~( T sr N r n s ikrssr T ik dttgtgfttqqdttftg r .,1;,1;))(~),(~()(1 0 1 1 2 Nknidttgtgytqq T N r n s sriksrsr r       (17) С учетом Nknidfgeftft T ik i kki ,1,,1,))(),(~())),(;(())(;( 1 0   , из (17) получим систему линейных алгебраических уравнений:     N r rs n s sriksrki ftbqft r 1 1 ))(ˆ,())(ˆ,( ,,1;,1; 1 1 Nknibyq N r n s srikiksr r    из которой можно получить величины Nkniftt kiki ,1;,1));(ˆ,()(ˆ  (в том числе )(ˆ)(ˆ 1 Nii tT  , ni ,1 ), что завершает доказательство теоремы 3. Теорема 4. Для гарантированных ошибок ,,1),( 2 niT i  гарантированных оценок niTi ,1),(ˆ 2  , выполняются условия ),()()( 222 TTT iii   ni ,1 ; величины )( 2T i  и niT i ,1),( 2  , задаются выражениями: ,,1)),((max)))(ˆ(1())()(),(()( )( 2/1 ),0( T 2 12 nifLfItztBtT i f yTLiii         ,,1)),((max)))(ˆ(())()(),(()( )( 2/1 ),0( 2 12 nifLfIntztBtT i f y TL i T ii          где ),0( T 12 ))()(),(( TL ii tztBt — скалярное произведение в ),0( 12 TL , а  )(ti ),0( 12 TL , ni ,1 , — решения системы функциональных уравнений: ;,1),,0();()()(~))(;()()( 1 T 1 1 2 njTttztBtgtttq j N k n i ikjkij     величины Nknjit jki ,1;,1,));(;(  , находятся из системы алгебраических линейных уравнений: ;))(~),()(())(;())(;( 1 01 1      T ikj T srikjrs N r n s srjki dttgtztBbtqt r .,1;,1, Nknji  Доказательство. Рассмотрим сначала случай, когда fFv 2)(  . Для величин )))(;(),(( 11  vTTzi , ni ,1 , получим: .,1,))(),()(())()(),(()))(;(),(( 11 0011 nidttvtztBdttvtBtzvTTz T i TT ii   80 ISSN 0572-2691 Поскольку оператор ))(ˆ('' fI y — положительно-определенный и ограниченный, для него существует обратный. Тогда в силу обобщенного уравнения Коши– Буняковского справедливы неравенства  1 0 ))(),()(( T i T dttvtztB .,1,)))(ˆ(()()(),()())(ˆ( 2 1 2/1 ),0( TT 1 '' 12 nifIntztBtztBfI y TL iiy                             Отсюда следуют представления для niT i ,1),( 2  :        2/1 ),0( T 2 )))(ˆ(())()(),(()( 12 fIntztBtT y TL iii ,,1)),((max 2)( nifLi Gf   где .,1),,0(),()())(ˆ( 2 1 )( 1 1 '' niTttztBfIt i T yi         (18) С помощью аналогичных рассуждений получим выражения для niT i ,1),( 2  , при fFv 2)(  : .,1)),((max)))(ˆ(1())()(),(()( 212 )( 2/1 ),0( T 2 nifLfItztBtT i Gf y TL iii          Из (18) следует, что вектор-функции niTtti ,1),,0(),( 1  , удовлетворяют также системе функциональных уравнений ),()()())(ˆ( 2 1 T'' tztBtfI iiy  ),,0( 1Tt ni ,1 , или     1 0 2 1 1 ))(),()(())(;())(;( T j N k n i kijkiik dvqvttqk .,1),,0(),,0()(,))(),()(( 1120 T1 njTtTLtvdvzB T j   (19) В силу (13) выражения (19) примут вид       N k n i T ikjkiik T j k dvgtqdvq 1 1 00 2 11 ))(),(~())(;())(),()(( .,1),,0(),,0()(,))(),()(( 1120 1 njTtTLtvdvzB T j T   Тогда для вектор-функций njTttj ,1),,0(),( 1  , справедливо:     njTttztBtgtqttq j N k n i ikjkiikj ,1),,0();()()(~))(;()()( 1 T 1 1 2 Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2019, № 3 81 ;)(~))(;()()()()()( 1 1 2T2      N k n i ikjkiikjj tgtqtqtztBtqt .,1),,0( 1 njTt  (20) Поскольку ,,1;,1,;))(),(~())(;( 1 0 Nknjidgt T jikjki   для нахождения величин ))(;(  jki t ; ,,1;,1, Nknji  умножим скалярно левую и правую части (20) на )(~ tgik , ),0( 1Tt , ,,1;,1, Nknji  и проинтегрируем по- лученное выражение. Следовательно, ,,1;,1,));(;( Nknjit jki  находятся из системы алгебраических линейных уравнений: ;))(~),()(())(;())(;( 1 01 1      T ikj T srikjrs N r n s srjki dttgtztBbtqt r ,,1;,1, Nknji  что завершает доказательство теоремы 4. Следствие 1. Для компонент вектора гарантированной прогнозной оценки )(ˆ 2Tx в силу (5), (8) и монотонного возрастания функции гиперболического коси- нуса справедливы оценки .,1),())(ˆexp()(ˆ)())(ˆexp( 22222 niTchTTxTchT ii iii   (21) Следствие 2. Для гарантированной ошибки  прогнозной оценки )(ˆ 2Tx в силу монотонного возрастания функции гиперболического синуса справед- ливы неравенства .)())(ˆexp()())(ˆexp( 1 221 22      n i ii n i ii TshTTshT ii (22) 4. Результаты численного эксперимента В качестве примера приведен результат построения прогнозной оценки ди- намики распространения одного вида информации в социуме. Этот процесс целе- сообразно математически моделировать в виде систем дифференциальных урав- нений. Такой подход продемонстрирован в работах [6, 10–12]. Пусть в социальной группе, которая состоит из индивидов, однинаковых по своим характеристикам усвоения информации, распространяется один вид информационных сообщений в результате межличностного общения и внеш- него влияния (СМИ). Этот процесс будем моделировать в виде одного обыкно- венного дифференциального нелинейного уравнения. Обозначим ),0(),( 2Ttta  известный параметр интенсивности межличностного общения в момент времени ),0( 2Tt ; ),0()(),,0(),( 222 TLfTttf  — неизвестный параметр внешнего влияния в момент времени ),0( 2Tt ; ),0()),(;( 2Ttftx  — та часть социальной группы, которая усвоила информационное сообщение в момент времени ),0( 2Tt , причем 0)0( 0  xx . Тогда динамика количества индивидов, усвоив- ших информационное сообщение, описывается задачей Коши: .)0(),,0()),(;())())(;(ln)(( ))(;( 0 2 xxTtftxtfftxta dt ftdx   (23) 82 ISSN 0572-2691 Пусть в точках 211 ...0 TTtt N  наблюдается функция ))(;( ftx , кото- рая является решением (23): ,,1,))(;( Nkftxy kkk  (24) при некоторых неизвестных значениях функции ),0(),( 2Tttf  и ошибках k , Nk ,1 . Поскольку рассматривается математическая модель распространения одного вида информационных сообщений, оценки (21) и (22) примут вид .,1),())(ˆexp(),())(ˆexp()(ˆ 22222 niTshTTchTTx   Результаты построения гарантированных прогнозных оценок динамики для математической модели (23) с параметрами 41 T , 52 T , ii ttt  1 , 80,1i , 150)0( x , ,05,0)( ta 1)(1 tq , ),5,0(,0)( ~  ttf и наблюдениями вида (24), для которых известно, что величины k , 81,1k , имеют нормальное распределе- ние )4;0(N , показаны на рисунке (а). Результаты построения гарантированных прогнозных оценок динамики для математической модели (23) с теми же парамет- рами и наблюдениями вида (24), для которых известно, что величины k , 81,1k , имеют нормальное распределение )9;0(N , показаны на рисунке (б) пунктирной линией — ))(,( ftx , )5;0(t , сплошной — наблюдения ),(ty )4;0(t и прогноз )5;4(),(ˆ ttx , отметками + — коридор погрешности гарантированной прогноз- ной оценки )5;4(),(ˆ ttx . )( )),(;(ˆ )),(;( ty ftx ftx   148 144 140 136 4 3 2 5 0 1 t )( )),(;(ˆ )),(;( ty ftx ftx   150 145 140 135 4 3 2 t 0 1 155 5 t a б Анализируя полученные графики, можно сделать вывод, что предложенный алгоритм дает адекватный гарантированный прогноз и в случае существенных ошибок наблюдения. Заключение Для математических моделей, заданных системами дифференциальных уравне- ний Гомперца при дискретных наблюдениях, предложены эффективные алгоритмы нахождения гарантированных и приближенных гарантированных прогнозных оши- бок векторов состояний и их ошибок. Приведены результаты численных эксперимен- тов (в которых решалась задача оценки прогноза динамики распространения одного вида информации в социуме), которые позволяют сделать выводы о практической ценности данного подхода. На основании этого можно утверждать о целесообразно- сти использования предложенных алгоритмов для особых случаев общей модели рас- пространения информации, которые, например, учитывают забывание и двухэтапное усвоение информации. Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2019, № 3 83 О.Г. Наконечний, П.М. Зінько, Т.П. Зінько, Ю.М. Шевчук ГАРАНТОВАНІ ПРОГНОЗНІ ОЦІНКИ РОЗВʼЯЗКІВ СИСТЕМ ДИФЕРЕНЦІАЛЬНИХ РІВНЯНЬ З ДИНАМІКОЮ ГОМПЕРЦА ПРИ СПОСТЕРЕЖЕННЯХ У ДИСКРЕТНІ МОМЕНТИ ЧАСУ Проаналізовано модель поширення інформації в соціумі. Припускається, що в соціокомунікативному просторі поширюється n типів інформаційних повідом- лень, що відрізняються за змістом. Кількість осіб, які розповсюджують один із типів інформаційних повідомлень, є ключовими показниками динаміки моделі. Розповсюдження інформаційних повідомлень відбувається через внутрішні (міжособистісне спілкування) та зовнішні (вплив засобів масової інформації) потоки. Модель представлена у вигляді системи n нелінійних диференціальних рівнянь Гомперца. Такі моделі доцільно застосовувати для практичних задач аналізу поширення інформації в соціумі, динаміка яких швидко зростає за ча- сом, а також в силу своєї нелінійної правої частини подібні моделі претендують на адекватне представлення процесів з предметної області. Однією із практич- них важливих задач, які виникають при аналізі процесів поширення інформації в соціумі, є задача знаходження прогнозних оцінок динаміки таких процесів. Для систем диференціальних рівнянь Гомперца ця задача стає нетривіальною в силу наявності натуральних логарифмів в правих частинах цих похідних. Сфор- мульовано задачу знаходження гарантованих прогнозних оцінок векторів. І для окремого випадку цієї задачі з дискретними спостереженнями запропоновано ефективні алгоритми знаходження гарантованих та наближених гарантованих прогнозних оцінок векторів стану та похибок прогнозних гарантованих оцінок. Як приклади представлено результати знаходження гарантованих прогнозних оцінок динаміки математичної моделі розповсюдження одного виду інформації в соціумі. Результати чисельного комп’ютерного експерименту демонструють практичні можливості даного підходу. Методику можна використовувати при розробці систем підтримки прийняття рішень для аналізу процесів у соціоко- мунікативному просторі. Ключові слова: системи нелінійних диференціальних рівнянь, динаміка Гом- перца, прогнозні гарантовані оцінки, дискретні спостереження, невизначеність. A.G. Nakonechnyi, P.N. Zinko, T.P. Zinko, Yu.M. Shevchuk GUARANTEED PREDICTIVE ESTIMATION OF SOLUTIONS OF SYSTEMS OF DIFFERENTIAL EQUATIONS WITH THE GOMPERTZIAN DYNAMICS WITH OBSERVATIONS IN DISCRETE TIME MOMENTS In this paper, we introduce a mathematical model of spreading information messages. Suppose, a community is influenced by one of n sources of information. The number of information made by each of the sides is taken as key parameter promoting ac- complishment of aim. Information can be spread in the community along internal (in- terpersonal communication of the member of social community) and external infor- mation flow. The model has the form of a system of non-linear differential equations with Gompertzian dynamics and non-stationary parameters. These mathematical models can be useful for describe processes that grow rapidly over time. Systems of differential equations with Gompertzian dynamics claim to be an adequate represen- tation of processes from the subject area because they have a non-linear right part. The problem of finding predictive an estimate of the dynamics of such processes is practically an important problem of analyzing the information spreading process in 84 ISSN 0572-2691 society. This problem becomes nontrivial for the systems of differential equations with Gompertz because there are natural logarithms in the right sides of these equa- tions. We formulated the problem of finding the predictive estimation and error for the systems of differential equations with Gompertzian dynamics. We the algorithms for building guaranteed predictive estimations and error and approximate guaranteed predictive estimations offered for the special case of this problem with discrete ob- servations. We consider the results of problem numerical experiments to build guar- anteed estimates for mathematical model of spreading one type of information. The analysis of these results has demonstrated the practical meaning of the obtained ap- proach. The obtained results can be useful for the development of decision support systems for analyzing processes in the socio-communicative space. Keywords: systems of differential nonlinear equations, Gompertzian dynamics, guaranteed predictive estimation, discrete observations, uncertainty. 1. Губарев В.Ф., Дарьин А.Н., Лысюченко И.А. Нелинейный оцениватель состояния по дан- ным на скользящем интервале и возможность его применения в задаче ориентации косми- ческого аппарата. «Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики». 2011. № 1. С. 118−132. 2. Gubarev V.F., Shevchenko V.N., Gummel A.V. State estimation for systems subjected to bounded uncertainty using moving horizon approach. Prep. Of the 15-th IFAC Symposium on system iden- tification, July 6−8, 2009. Saint-Malo, France, 2009. P. 910−915. 3. Бакан Г.М. Эллипсоидальные алгоритмы гарантированного оценивания и рекуррентный метод наименьших квадратов в задачах фильтрации состояний динамических систем. Про- блемы управления и информатики. 1997. № 3 С. 34−48. 4. Кунцевич В.М. Управление в условиях неопределенности: гарантированные результаты в задачах управления и идентификации. Киев: Наук. думка, 2006. 264 с. 5. Наконечний О.Г. Оцінювання параметрів в умовах невизначеності. Наукові записки Київсь- кого національного університету. 2004. 7. С. 102−111. 6. Наконечний О.Г., Зінько П.М., Шевчук Ю.М. Прогнозні оцінки в математичних моделях поширення інформації за невизначеностей. Системні дослідження та інформаційні тех- нології. 2017. № 4. С. 54−65. DOI: 10.20535/SRIT.2308-8893.2017.4.05. 7. Наконечный А.Г., Марценюк В.П. Задачи управляемости для дифференциальных уравнений динамики Гомперца. Кибернетика и системный анализ. 2004. № 2. С. 123−133. DOI: 10.1023/B:CASA.0000034451.73657.88. 8. Kalas J., Novotny J., Michalek J., Nakonechniy O. Mathematical model for cancer prevalence and can- cer mortality. Taurida Journal of Computer Science Theory and Mathematics. 2013. № 2. С. 44−54. 9. Наконечний О.Г., Зінько П.М. Задачі протиборства в системах з динамікою Гомперца. Жур- нал обчислювальної та прикладної математики. 2015. № 3 (120). С. 50−60. 10. Mikhailov A.P., Petrov A.P., Proncheva O.G., Marevtseva N.A. Mathematical modeling of information warfare in a society. Mediterranean Journal of Social Sciences. 2015. 6, № 5. P. 27−35. DOI:10.5901/mjss.2015.v6n5s2p27. 11. Наконечний О.Г., Шевчук Ю.М. Математична модель розповсюдження інформації з неста- ціонарними параметрами. Вісник Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Серія Фізико-математичні науки. 2016. № 3. С. 98−105. 12. Ивохин Е.В., Науменко Ю.А. О формализации процессов распространения информа- ции на основе гибридных моделей диффузии. Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики». 2018. № 4. С. 51−58. DOI: 10.1615/ JAutomat InfScien.v50.i7.70 Получено 29.03.2019
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-180799
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 0572-2691
language Russian
last_indexed 2025-12-07T15:24:38Z
publishDate 2019
publisher Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
record_format dspace
spelling Наконечный, А.Г.
Зинько, П.Н.
Зинько, Т.П.
Шевчук, Ю.М.
2021-10-19T15:43:37Z
2021-10-19T15:43:37Z
2019
Гарантированные прогнозные оценки решений систем дифференциальных уравнений с динамикой Гомперца при наблюдениях в дискретные моменты времени / А.Г. Наконечный, П.Н. Зинько, Т.П. Зинько, Ю.М. Шевчук // Проблемы управления и информатики. — 2019. — № 3. — С. 72-84. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
0572-2691
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/180799
517.9 : 519.87
Для математических моделей, заданных системами дифференциальных уравнений Гомперца при дискретных наблюдениях, предложены эффективные алгоритмы нахождения гарантированных и приближенных гарантированных прогнозных ошибок векторов состояний и их ошибок. Приведены результаты численных экспериментов (в которых решалась задача оценки прогноза динамики распространения одного вида информации в социуме), которые позволяют сделать выводы о практической ценности данного подхода. На основании этого можно утверждать о целесообразности использования предложенных алгоритмов для особых случаев общей модели распространения информации, которые, например, учитывают забывание и двухэтапное усвоение информации.
Проаналізовано модель поширення інформації в соціумі. Припускається, що в соціокомунікативному просторі поширюється n типів інформаційних повідомлень, що відрізняються за змістом. Кількість осіб, які розповсюджують один із типів інформаційних повідомлень, є ключовими показниками динаміки моделі. Розповсюдження інформаційних повідомлень відбувається через внутрішні (міжособистісне спілкування) та зовнішні (вплив засобів масової інформації) потоки. Модель представлена у вигляді системи n нелінійних диференціальних рівнянь Гомперца. Такі моделі доцільно застосовувати для практичних задач аналізу поширення інформації в соціумі, динаміка яких швидко зростає за часом, а також в силу своєї нелінійної правої частини подібні моделі претендують на адекватне представлення процесів з предметної області. Однією із практичних важливих задач, які виникають при аналізі процесів поширення інформації в соціумі, є задача знаходження прогнозних оцінок динаміки таких процесів. Для систем диференціальних рівнянь Гомперца ця задача стає нетривіальною в силу наявності натуральних логарифмів в правих частинах цих похідних. Сформульовано задачу знаходження гарантованих прогнозних оцінок векторів. І для окремого випадку цієї задачі з дискретними спостереженнями запропоновано ефективні алгоритми знаходження гарантованих та наближених гарантованих прогнозних оцінок векторів стану та похибок прогнозних гарантованих оцінок. Як приклади представлено результати знаходження гарантованих прогнозних оцінок динаміки математичної моделі розповсюдження одного виду інформації в соціумі. Результати чисельного комп’ютерного експерименту демонструють практичні можливості даного підходу. Методику можна використовувати при розробці систем підтримки прийняття рішень для аналізу процесів у соціокомунікативному просторі.
In this paper, we introduce a mathematical model of spreading information messages. Suppose, a community is influenced by one of n sources of information. The number of information made by each of the sides is taken as key parameter promoting accomplishment of aim. Information can be spread in the community along internal (interpersonal communication of the member of social community) and external information flow. The model has the form of a system of non-linear differential equations with Gompertzian dynamics and non-stationary parameters. These mathematical models can be useful for describe processes that grow rapidly over time. Systems of differential equations with Gompertzian dynamics claim to be an adequate representation of processes from the subject area because they have a non-linear right part. The problem of finding predictive an estimate of the dynamics of such processes is practically an important problem of analyzing the information spreading process in society. This problem becomes nontrivial for the systems of differential equations with Gompertz because there are natural logarithms in the right sides of these equations. We formulated the problem of finding the predictive estimation and error for the systems of differential equations with Gompertzian dynamics. We the algorithms for building guaranteed predictive estimations and error and approximate guaranteed predictive estimations offered for the special case of this problem with discrete observations. We consider the results of problem numerical experiments to build guaranteed estimates for mathematical model of spreading one type of information. The analysis of these results has demonstrated the practical meaning of the obtained approach. The obtained results can be useful for the development of decision support systems for analyzing processes in the socio-communicative space.
ru
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
Проблемы управления и информатики
Методы управления и оценивания в условиях неопределенности
Гарантированные прогнозные оценки решений систем дифференциальных уравнений с динамикой Гомперца при наблюдениях в дискретные моменты времени
Гарантовані прогнозні оцінки розвʼязків систем диференціальних рівнянь з динамікою Гомперца при спостереженнях у дискретні моменти часу
Guaranteed predictive estimation of solutions of systems of differential equations with the Gompertzian dynamics with observations in discrete time moments
Article
published earlier
spellingShingle Гарантированные прогнозные оценки решений систем дифференциальных уравнений с динамикой Гомперца при наблюдениях в дискретные моменты времени
Наконечный, А.Г.
Зинько, П.Н.
Зинько, Т.П.
Шевчук, Ю.М.
Методы управления и оценивания в условиях неопределенности
title Гарантированные прогнозные оценки решений систем дифференциальных уравнений с динамикой Гомперца при наблюдениях в дискретные моменты времени
title_alt Гарантовані прогнозні оцінки розвʼязків систем диференціальних рівнянь з динамікою Гомперца при спостереженнях у дискретні моменти часу
Guaranteed predictive estimation of solutions of systems of differential equations with the Gompertzian dynamics with observations in discrete time moments
title_full Гарантированные прогнозные оценки решений систем дифференциальных уравнений с динамикой Гомперца при наблюдениях в дискретные моменты времени
title_fullStr Гарантированные прогнозные оценки решений систем дифференциальных уравнений с динамикой Гомперца при наблюдениях в дискретные моменты времени
title_full_unstemmed Гарантированные прогнозные оценки решений систем дифференциальных уравнений с динамикой Гомперца при наблюдениях в дискретные моменты времени
title_short Гарантированные прогнозные оценки решений систем дифференциальных уравнений с динамикой Гомперца при наблюдениях в дискретные моменты времени
title_sort гарантированные прогнозные оценки решений систем дифференциальных уравнений с динамикой гомперца при наблюдениях в дискретные моменты времени
topic Методы управления и оценивания в условиях неопределенности
topic_facet Методы управления и оценивания в условиях неопределенности
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/180799
work_keys_str_mv AT nakonečnyiag garantirovannyeprognoznyeocenkirešeniisistemdifferencialʹnyhuravneniisdinamikoigompercaprinablûdeniâhvdiskretnyemomentyvremeni
AT zinʹkopn garantirovannyeprognoznyeocenkirešeniisistemdifferencialʹnyhuravneniisdinamikoigompercaprinablûdeniâhvdiskretnyemomentyvremeni
AT zinʹkotp garantirovannyeprognoznyeocenkirešeniisistemdifferencialʹnyhuravneniisdinamikoigompercaprinablûdeniâhvdiskretnyemomentyvremeni
AT ševčukûm garantirovannyeprognoznyeocenkirešeniisistemdifferencialʹnyhuravneniisdinamikoigompercaprinablûdeniâhvdiskretnyemomentyvremeni
AT nakonečnyiag garantovaníprognozníocínkirozvʼâzkívsistemdiferencíalʹnihrívnânʹzdinamíkoûgompercaprisposterežennâhudiskretnímomentičasu
AT zinʹkopn garantovaníprognozníocínkirozvʼâzkívsistemdiferencíalʹnihrívnânʹzdinamíkoûgompercaprisposterežennâhudiskretnímomentičasu
AT zinʹkotp garantovaníprognozníocínkirozvʼâzkívsistemdiferencíalʹnihrívnânʹzdinamíkoûgompercaprisposterežennâhudiskretnímomentičasu
AT ševčukûm garantovaníprognozníocínkirozvʼâzkívsistemdiferencíalʹnihrívnânʹzdinamíkoûgompercaprisposterežennâhudiskretnímomentičasu
AT nakonečnyiag guaranteedpredictiveestimationofsolutionsofsystemsofdifferentialequationswiththegompertziandynamicswithobservationsindiscretetimemoments
AT zinʹkopn guaranteedpredictiveestimationofsolutionsofsystemsofdifferentialequationswiththegompertziandynamicswithobservationsindiscretetimemoments
AT zinʹkotp guaranteedpredictiveestimationofsolutionsofsystemsofdifferentialequationswiththegompertziandynamicswithobservationsindiscretetimemoments
AT ševčukûm guaranteedpredictiveestimationofsolutionsofsystemsofdifferentialequationswiththegompertziandynamicswithobservationsindiscretetimemoments