Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,560

МОДЕЛИРОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОНТИНУАЛЬНЫХ РАЗВИВАЮЩИХСЯ СИСТЕМ

Гирлин С.К. Щербина Е.П.

Постановка проблемы: исследовать вопросы существования и единственности решения системы нелинейных интегральных уравнений, описывающих взаимодействие двух континуальных развивающихся систем и внешней среды, а также поставить некоторые оптимизационные задачи такого взаимодействия.

Актуальность поставленной проблемы. Решение поставленной проблемы позволяет математически описывать динамику взаимодействия континуальных развивающихся систем, в качестве которых могут рассматриваться многие очень сложные реальные системы (например, экономические и экологические). Кроме того, это позволяет ставить и решать различные оптимизационные задачи взаимодействия континуальных развивающихся систем.

Анализ последних исследований и публикаций. Академик В.М. Глушков для описания функционирования различных развивающихся систем (РС) предложил использовать интегральные уравнения вольтерровского типа с неизвестными функциями в нижних пределах интегралов [1]. Одна из главных особенностей интегральных моделей В.М. Глушкова заключается в том, что вся развивающаяся система, которую эти модели описывают, разбита на две подсистемы: одна из них выполняет внутреннюю функцию, заключающуюся в совершенствовании самой системы, а вторая осуществляет внешнюю (основную) функцию системы. Согласно этому все обобщенные продукты (элементы) системы подразделяются на продукты первого и второго рода: материальное, энергетическое и информационное обеспечение внутренней и внешней функций называются продуктами соответственно первого и второго рода. В качестве примеров продуктов первого и второго рода можно привести соответственно рабочие места и продукты потребления в макроэкономической системе. Если же внутренних и внешних функций в системе несколько, то имеет смысл рассматривать многопродуктовые РС. Однако для изучения некоторых систем (например, процессов в биосфере) целесообразно рассматривать континуум продуктов. Суть континуальных моделей В.М. Глушкова состоит в том, что осуществляется упорядочивание бесконечного числа номеров продуктов, выполняющих внутренние и внешние функции. Все эти номера располагаются на некотором отрезке [0, U], причем продукту с наименьшим номером на этом отрезке ставится в соответствие число 0, а продукту с наибольшим номером - число U (в дальнейшем продукт будет отождествляться с его номером u Î [0, U]). В [2] были получены достаточные условия существования единственного решения системы уравнений континуальной модели РС, в которой непосредственное воздействие внешней среды на РС не учитывалось: все продукты создавались в самой системе, извне в РС продукты не поступали. В [3] на основе идей [4] обобщены результаты [2] на тот случай, когда в РС продукты могут появляться не только в результате их создания в самой системе, но и в результате поступления в РС из внешней среды уже созданных продуктов.

В [4] была построена интегральная модель взаимодействия двухпродуктовых развивающихся систем и внешней среды, в которой транспортировка продуктов между системами могла быть мгновенной (что осложнило как саму модель, так и ее исследование). Естественно возникла идея упростить уравнения модели, учитывая отличие от нуля времени транспортировки продуктов от одной системы к другой.

Цель статьи состоит в решении поставленной выше проблемы.

Изложение основного материала. Будем считать, что в системе продукты появляются в результате как поступления извне в систему уже созданных продуктов, так и воссоздания продуктов в самой системе, и что появление некоторого нового продукта u1U зависит лишь от уже появившихся ранее продуктов u < u1 и никак на него не влияют еще не появившиеся продукты u1 < uU. Будем предполагать, что одновременно с возрастанием u (при котором происходит появление новых продуктов) происходит процесс ликвидации ненужных продуктов по закону b(t, u). В частности, начиная с некоторого момента времени ti, процесс ликвидации ненужных продуктов может прекращаться, в этом случае для tti функция b(t, u) = ui = const, где ui - наименьший из существующих в момент ti продуктов. Далее будет рассматриваться случай, когда b(t, u) = u0 = const в области . Обозначим . Рассмотрим следующую систему уравнений взаимодействия континуальных РС относительно неизвестных функций mi(t, u), ai(t, u) и ci(t, u):

 (1)

 (2)

 (3)

 (4)

(5)

  (6)

где f(t, u) - скорость изменения (по u) скорости (по t) поступления извне в обе развивающиеся системы u-x продуктов первой группы, предназначенных для выполнения внутренних функций РС; zi(t, u) f(t, u) - скорость изменения (по u) скорости (по t) поступления извне в РС с номером t (PCi) u - x продуктов первой группы, предназначенных для выполнения внутренних функций PCi, - скорость изменения (по u) скорости (по t) создания в PCi u-x продуктов первой группы, предназначенных для выполнения внутренних функций PCi ( для t > t0 и u > u0); mi(t, u) - скорость изменения (по u) скорости (по t) появления в PCi u-x продуктов первой группы, предназначенных для выполнения внутренних функций PCi; yi(u; τ, v) - доля v-х продуктов mi, ν), идущих в момент τ на воссоздание в момент t продуктов ;  - скорость изменения (по u) скорости (по t) поступления извне в PCi u-x продуктов второй группы, предназначенных для выполнения внешних функций PCi, kc - коэффициент согласования размерностей продуктов первого и второго рода (продукты первого рода и внешний ресурс предполагаются одной размерности); - скорость изменения (по u) скорости (по t) создания в PCi u-x продуктов второй группы, являющихся результатом выполнения внешних функций PCi; ci(t, u) - скорость изменения (по u) скорости (по t) появления в PCi u-x продуктов второй группы, являющихся результатом выполнения внешних функций PCi; Pi(t, u) - общее количество u-x продуктов первой группы, функционирующих в PCi в момент времени t; αi(t, u; τ, ν) - показатель эффективности создания u-го продукта первой группы в момент времени t, выполняющего в PCi внутренние функции (иначе говоря, это количество u-го продукта типа , создаваемого в единицу времени, начиная с момента в t, в расчете на единицу всех продуктов типа yi(u; τ, ν) mi, ν) для ν ≤ u); βi(t, u; τ, ν) - показатель эффективности создания u-го продукта второй группы в момент времени t, выполняющего в PCi внешние функции (иначе говоря, это количество u-го продукта типа , создаваемого в единицу времени, начиная с момента в t, в расчете на единицу всех продуктов типа ( для ν ≤ u); ai(t, u) - временная граница ликвидации неэффективных технологий создания в PCi u-х продуктов первой и второй групп (иначе говоря, [ai(t, u), t] - временной промежуток, на котором создаются u-е продукты первой и второй групп для их использования в PCi в момент времени t, причем 0 ≤ ai(t, u) ≤ t); d - время транспортировки продуктов из одной системы в другую, d = const > 0; на отрезке [0, t0] известна так называемая начальная предыстория: на этом временном промежутке начальной предыстории  и - заданные функции (заданные на предыстории функции будем обозначать теми же буквами с индексом «0»); все функции по определению будем считать неотрицательными; t0 - момент начала моделирования взаимодействия (прогнозирования динамики взаимодействия) PCi,

,

, , i = 1, 2.

Теорема 1. Пусть:

1) заданные, положительные и непрерывные в своих областях определений функции, причем функция Pi отделена от нуля, т.е. ;

2) yi - заданная и кусочно-непрерывная в своей области определения функция;

3) функция Pi непрерывно дифференцируема по первому аргументу;

4) функция mi0 на начальной предыстории [0, t0] положительна, i = 1, 2. Тогда существует единственное решение mi, ci, ai системы уравнений и неравенств (1)-(6) в области G1, причем в этой области функции mi, ci, непрерывны, а функция ai непрерывно дифференцируема, i = 1, 2

Доказательство. Везде далее полагаем i = 1, 2. Разобьем область интегрирования в уравнениях (1) и (5) на две подобласти: начальную предысторию, в которой функции

 и

заданы, и область G1. Тогда эти уравнения можно переписать в виде

 (4)

(5)

где ai(t, u) ≤ t0, t Î [0, t1], момент t1 определим ниже. Обозначим

 (6)

Очевидно,

откуда получаем, что

(7)

Если функция  непрерывно дифференцируема по первому аргументу и

,

то функция ai(t, u) будет однозначной и непрерывно дифференцируемой. Эти условия выполняются, если mi,0(t, u) положительна и

, i = 1, 2

Воспользовавшись равенствами (6) и (7), уравнение (3) перепишем в виде

(8)

где

 t€ [0, t1].

Применив правило дифференцирования сложной функции, получим

где u0 ≤ ν ≤ U, t0tT, 0 ≤ aiT. Поэтому функция Ri0(xi, t, u) по первому аргументу удовлетворяет условию Липшица с константой L.

Итак, система уравнений (1), (3), (5) сведена к одному нелинейному интегральному уравнению относительно неизвестной mi(t, u):

(9)

u € [u0, U], t € [t0, t1].

Введем обычную норму в пространстве непрерывных функций:

С помощью метода математической индукции можно доказать, что на [t0, t1]

где , u0 ≤ τ ≤ u U, t0 ≤ τ ≤ tT.

Число n можно выбрать настолько большим, что при любых конечных значениях постоянных L, M, t0, t1, u0, U будет выполняться неравенство

Следовательно, оператор  при достаточно большом n будет сжимающим. В силу обобщенного принципа сжимающих отображений [5, с. 82] существует единственное решение уравнения (9), которое можно найти методом последовательных приближений:

(10)

Если ai(t, u) ≥ 0 то (t, u) € G1 и равенство выполняется по крайней мере для одной точки G1. Найдутся некоторые такие моменты времени  и , в общем случае разные для каждого продукта u, что

 

Если

то искомое решение в области G1 можно найти методом последовательных приближений по формуле (10). В противном случае на втором шаге за предысторию выбирается отрезок [0, t1] и аналогично предыдущему система уравнений (1), (3), (5) сводится к одному нелинейному уравнению вида (9), в котором вместо t0 нужно будет поставить t1, t € [t1, t2],

Пошаговый процесс решения на отрезке [ti, tj+1], , продолжается до тех пор, пока не выполнится неравенство tN-1 < TtN, где

 

u0uU.

Так как на каждом отрезке [ti, tj+1] выполняется неравенство

то при достаточно большом n оператор  будет сжимающим.

Функция ai(t, u) на [ti, tj+1] определяется из формул

где ai(t, u) ≤ tj, t Î [ti, tj+1].

Функция ai(t, u) на рассматриваемом отрезке будет однозначной, если уже найденное положительна на [0, tj]. А это выполняется при положительности mi(t, u), zi(t, u), xi(t, u), fi(t, u) и . Итак, при всех перечисленных условиях уравнение (9) и получающееся уравнение такого же типа имеет единственное решение в области G1 (это означает, что и система уравнений (1), (3), (5) имеет в указанной области единственное решение), которое можно найти по шагам методом последовательных приближений по схеме:

(11)

где функции  уже найдены на предыстории[0, tj] u0u U, t € [tj, tj+1], .

Очевидно, что, отыскав функции mi(t, u) и ai(t, u), функцию ci(t, u) можно найти по формуле (2) и (4).

Осталось показать, что последовательность моментов времени {tj}, , достигает T за конечное число шагов.

Из уравнения (11) получаем неравенство

(12)

 где 0 ≤ τ≤ tj, u0 ≤ ν ≤ uU,

tj ≤ τ ≤ ttj+1, u0 ≤ ν ≤ uU,

t Î [tj, tj+1], .

Обозначив

и воспользовавшись [2], из (12) получаем следующее ограничение на функцию mi(t, u):

(13)

Так как функции αi(t, u; τ, ν) и mi(t, u) непрерывны, из неравенства (13) следует ограниченность функции mi(t, u) на любом конечном отрезке:

А в этом случае из равенства (3) и условия 1) теоремы вытекает

откуда следует, что , где

 j = 0, 1, 2, ...

Следовательно момент T достижим за конечное число шагов N. Теорема доказана.

Замечание 1. С помощью введения новой переменной

,

можно доказать справедливость теоремы 1 и для случая, когда функции zi(t, u), xi(t, u), кусочно непрерывны на G1, 0 ≤ xi, zi ≤ 1

Замечание 2. Заданная функция Pi(t, u), вообще говоря, не может быть произвольной. Для существования решения рассматриваемой системы уравнений она должна быть определенным образом ограничена сверху. Оценка эта (зависящая от предыстории, функции f и способа задания функции αi) может быть получена совершенно аналогично [2].

Замечание 3. Положив в условиях теоремы 1  получим теорему, доказанную в [2].

Пусть qi(t, u) - функция дисконта продуктов второго рода, т.е. qi(t, u) > 0 и убывает с ростом t на [t0, T], u € [u0, U] (с помощью функции дисконта учитывается, что ценность для потребителя продуктов второго рода со временем падает).

Поставим следующие четыре оптимизационные задачи взаимодействия РС (аналогичные [1, с. 64-66]). В условиях теоремы 1 среди всех заданных функций

найти такие функции xi, yi, zi, λi, μi (и зависящие от них функции mi, ai, ci, i = 1, 2), для которых

1. (задача кооперативного взаимодействия).

2. u0uU, u0uU (задача противоборствующего взаимодействия).

3. u0uU (задача определения условий лидерства).

4. при условии

 ,

где , - заданные множества значений, i = 1, 2 (адаптационная и гомеостазисная задача или задача на быстродействие и на долгосрочное существование: требуется найти экстремальное значение времени достижения заданной области).

Решение, например, первой оптимизационной задачи можно интерпретировать как достижение рекорда внешней общей результирующей функции двух PCi на заданном временном (плановом) периоде [t0, T] за счет выбора наилучшего и сбалансированного распределения внешнего ресурса между двумя PCi (с помощью функций zi), за счет обмена PCi готовыми продуктами первого и второго рода (с помощью функций λi μi), а также перераспределения внутренних (с помощью функции yi) и внешних (с помощью функции xi) ресурсов системы между подсистемами Ai и Bi (в макроэкономике, например, между группой производства средств производства и группой производства предметов потребления) в каждой системе PCi с номером i = 1, 2.

Замечание 4. Взаимодействие PCi, для которого  и zi = zi(t) заданы, i = 1, 2, и не зависят от x1, y1, x2, y2, будем называть пассивным.

Как отмечается в [10, c. 475], для любой функции  справедлива формула

где

Поэтому справедливо следующее утверждение.

Теорема 2. Для пассивного взаимодействия

В общем случае при отсутствии внешних ресурсов задача максимизации выпуска продуктов второго рода на плановом промежутке времени [t0, T] с помощью наилучшего распределения только внутренних ресурсов (за счет выбора функции y) была качественно исследована для отдельно взятой двухпродуктовой РС в [1]. В некоторых частных случаях эта оптимизационная задача распределения только внутренних ресурсов (с помощью функции y) была решена аналитически: для РС с начальной предысторией (при t0 > 0 и заданных xi ≡ 0, f ≡ 0) - в [1, с. 139-155]. Более общая оптимизационная задача 1 распределения как внутренних, так и внешних ресурсов была качественно исследована в [3]. Было доказано [1,3,7-9, 11-12], что решения оптимизационных задач качественно различаются в зависимости от величины глубины времени планирования T - t0. На основе доказанных теорем был сформулирован в [11] закон оптимального развития системы - закон «разумного эгоизма» системы, который для пассивного взаимодействия множества систем можно переформулировать следующим образом: для того, чтобы социум пассивно взаимодействующих систем успешно функционировал (иначе - максимизировал общий выпуск внешней продукции) в течение длительного промежутка времени, необходимо, чтобы на начальном отрезке времени [t0, Θ0], t0 < Θ0 < T, каждая система PCi значительную часть всех имеющихся внутренних и внешних ресурсов (отличную от минимально допустимой в силу соотношений модели), а в некоторых частных случаях и все имеющиеся ресурсы, прежде всего направляла в подсистему самосовершенствования Ai на повышение своих потенциальных возможностей (увеличение своих производительностей αi и βi) и на саморазвитие (производство новых продуктов первого рода, обеспечивающих само существование системы, повышение ее потенциальных возможностей и ее развитие), и лишь в конце [Θ1, T], Θ0 < Θ1 < T, планового периода времени [t0, T] существенную долю всех ресурсов (а иногда - все имеющиеся внутренние и внешние ресурсы) направляла в подсистему Bi для производства внешнего продукта системы - продуктов второго рода (при этом в подсистему Ai поступает минимально допустимая часть всех ресурсов). Т.о., для достаточно большой величины T - t0 каждая система вначале должна быть в некотором роде эгоистичной, и лишь в конце планового периода - альтруистичной. Эгоизм здесь называется «разумным», так как предпочтение своих личных интересов каждой РС интересам социума РС в данном случае является кажущимся, потому что оно полезно для всего социума. Если же величина времени T - t0 достаточно мала, то каждая система должна направлять существенную долю всех ресурсов (а иногда - все имеющиеся внутренние и внешние ресурсы) в подсистему Bi для производства внешнего продукта системы (в этом случае в подсистему Ai поступает минимально допустимая часть всех ресурсов, т.е. в этом случае каждая система должна быть с самого начала альтруистичной). Отметим, что для макроэкономических систем достаточно большой интервал времени соответствует продолжительности жизни двух и более поколений [1, с. 281]. Нельзя не заметить некоторое сходство (случайное ли ) между законом «разумного эгоизма» и основным коммунистическим принципом: «каждому - по потребностям, от каждого - по способностям». Не является ли этот закон уточнением указанного принципа

Замечание 5. Особый интерес для задач взаимодействия представляет случай активного взаимодействия, когда доля скорости поступлення внешнего ресурса zi в каждую из РС зависит от некоторого качества управлений . Если

M = (m1, c1, m2, c2), Z = (z1, z2),

то в силу того, что Z удовлетворяет условию Липшица по M равномерно по t на [t0, T], можно показать, что доказанная теорема 1 справедлива и в этом случае (Zi можно находить методом простой итерации).

Выводы. Предложены интегральные модели активного и пассивного взаимодействия развивающихся систем, доказана теорема существования и единственности решения системы нелинейных интегральных уравнений вольтерровского типа, описывающих взаимодействие континуальных развивающихся систем с заданной начальной предысторией, поставлены некоторые задачи оптимального активного и пассивного взаимодействия континуальных развивающихся систем и внешней среды. Полученные результаты могут быть использованы при моделировании оптимального функционирования многих реальных развивающихся систем (экономических, экологических, биологических и. т.д.). Для дальнейших исследований особенно интересен случай активного взаимодействия систем.

Список литературы

  1. Глушков В.М., Иванов В.В., Яненко В.М. Моделирование развивающихся систем. - М.: Наука, 1983. - 352 с.
  2. Иванов В.В., Вугинштейн А.Э. О континуальных моделях развивающихся систем // Дифференц. уравнения. - 1985. - Т. ХХІ, № 3. - С. 473-484.
  3. Гирлин С.К., Богданова О.С. Исследование уравнений модели открытой континуальной развивающейся системы // Методологічні та методичні основи активізації навчально-пізнавальної діяльності студентів у процесі вивчення математичних дисциплін: Матеріали Всеукраїнської науково-практичної конференції (Ялта, 23-24 листопада 2009 р.). - Зб. статей. - Ялта: РВВ КГУ, 2009. - Вып. 3. - С. 167-177.
  4. Гирлин С.К., Иванов В.В. Моделирование взаимодействия развивающихся систем // Докл. АН УССР. Сер. А. - 1986. - № 1. - С. 58-60.
  5. Колмогоров А.Н., Фомин С.В. Элементы теории функций и функционального анализа. - М.: Наука, 1976. - 544 с.
  6. Гирлин С.К. Моделирование возникающих развивающихся систем // Докл. АН УССР. Сер. А. - 1987. - № 10. - С. 65-67.
  7. Гирлин С.К., Зайцева Е.С. Оптимальное управление развитием экономической системы // Сталий розвиток підприємств сфери послуг: Матеріали Всеукраїнської науково-практичної конференції (Ялта, 28-29 листопада 2008 р.). - Ялта: РВНЗ КГУ, 2008. - С. 162-165.
  8. Гирлин С.К. Лекции по интегральным уравнениям. - Ялта: РИО КГУ, 2012. - 177 с.
  9. Гирлин С.К., Билюнас А.В. Модель и законы оптимального развития систем // Успехи современного естествознания. - 2011. - № 7. - С. 254-259.
  10. Иванов В.В. Методы вычислений на ЭВМ: Справочное пос. - Киев: Наук. думка, 1986. 584 с.
  11. Яценко Ю.П. Интегральные модели систем с управляемой памятью. - К.: Наук. думка, 1991. - 220 с.
  12. Victor V. Ivanov. Model development and optimization. - Dordrecht / Boston. - London: Kluwer Academic Publishers, 1999. - 249p.
  13. Viktor V. Ivanov and Natalya V. Ivanova. Mathematical Models of the Cell and Cell Associated Objects. - Amsterdam: Elsevier, 2006. - 333 p.

Библиографическая ссылка

Гирлин С.К., Щербина Е.П. МОДЕЛИРОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОНТИНУАЛЬНЫХ РАЗВИВАЮЩИХСЯ СИСТЕМ // Успехи современного естествознания. – 2012. – № 4. – С. 32-37;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=29850 (дата обращения: 17.12.2018).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252