On the outer synchronization of complex dynamical networks

Complex network models have become a major tool in the modeling and analysis of many physical, biological and social phenomena. A complex network exhibits behaviors which emerge as a consequence of interactions between its constituent elements, that is, remarkably, not the same as individual components. One particular topic that has attracted the researchers' attention is the analysis of how synchronization occurs in this class of models, with the expectation of gaining new insights of the interactions taking place in real-world complex systems. Most of the work in the literature so far has been focused on the synchronization of a collection of interconnected nodes (forming one single network), where each node is a dynamical system governed by a set of nonlinear differential equations, possibly displaying chaotic dynamics. In this thesis, we study an extended version of this problem. In particular, we consider a setup consisting of two complex networks which are coupled unidirectionally, in such a way that a set of signals from the master network are injected into the response network, and then investigate how synchronization is attained. Our analysis is fairly general. We impose few conditions on the network structure and do not assume that the nodes in a single network are synchronized. This work can be divided into two main parts; outer synchronization in fractional-order networks, and outer synchronization in ordinary networks. In both cases the system parameters are perturbed by bounded, time varying and unknown perturbations. The synchronizer feedback matrix is possibly perturbed with the same type of perturbations as well. In both cases, of fractional-order and ordinary networks, we build up several theorems that ensure the attainment of synchronization in various scenarios, including, e.g., cases in which the coupling matrix of the networks is non-diffusive (hence we can avoid this assumption, which is almost invariably made in the literature). In all the cases of interest, we show that the scheme for coupling the networks is very simple, as it reduces to the computation of a single gain matrix whose dimension is independent of the number of network nodes. The structure of the designed synchronizer is also very simple, making it convenient for real-world applications. Although all of the proposed schemes are assessed analytically, numerical results (obtained by computer simulations) are also provided to illustrate the proposed methods. ---------------------------------------Las redes complejas se han convertido en una herramienta fundamental en el análisis de muchos sistemas físicos, biológicos y sociales. Una red compleja presenta comportamientos que "emergen" como consecuencia de las interacciones entre sus elementos constituyentes pero que no se observan de forma individual en estos elementos. Un aspecto en concreto que ha atrapado la atención de muchos investigadores es el análisis de cómo se producen fenómenos de sincronización en esta clase de modelos, con la esperanza de alcanzar una mayor comprensión de las interacciones que tienen lugar en sistemas complejos del mundo real. La mayor parte del trabajo publicado hasta ahora ha estado centrado en la sincronización de una colección de nodos interconectados (que forman una única red con entidad propia), donde cada nodo es un sistema dinámico gobernado por un conjunto de ecuaciones diferenciales no lineales, posiblemente caóticas. En esta tesis estudiamos una versión extendida de este problema. En concreto, consideramos un sistema formado por dos redes complejas acopladas unidireccionalmente, de manera que un conjunto de señales de la red principal se inyectan en la red secundaria, e investigamos cómo se alcanza un estado de sincronización. Este fenómeno se conoce como "sincronización externa". Nuestro análisis es muy general. Se imponen pocas condiciones a las estructura de las redes y no es necesario suponer que los nodos de cada red estén sincronizados entre sí previamente. Esta memoria se puede dividir en dos bloques: la sincronización externa de redes descritas por ecuaciones diferenciales de orden fraccionario y la sincronización externa de redes ordinarias (descritas por ecuaciones diferenciales de orden entero). En ambos casos, se admite que los parámetros del sistema puedan estar sujetos a perturbaciones desconocidas, posiblemente variables con el tiempo, pero acotadas. La matriz de realimentación del esquema de sincronización puede sufrir el mismo tipo de perturbación. En ambos casos, con ecuaciones de orden fraccionario o entero, construimos varios teoremas que aseguran que se alcance la sincronización en escenarios diversos, incluyendo, por ejemplo, casos en los que la matriz de acoplamiento de las redes es no difusiva (por lo tanto, podemos evitar esta hipótesis, que es ubicua en la literatura). En todos los casos de interés, mostramos que el esquema necesario para interconectar las redes es muy simple, puesto que se reduce al cálculo de una única matriz de ganancia cuya dimensión es independiente de la dimensión total (número de nodos) de las redes. La estructura del sincronizados es también muy sencilla, lo que la hace potencialmente adecuada para aplicaciones del mundo real. Aunque todos los esquemas que se proponen se analizan de manera rigurosa, también se muestran resultados numéricos (obtenidos mediante simulación) para ilustrar los métodos propuestos.Programa de Doctorado en Multimedia y Comunicaciones por la Universidad Carlos III de Madrid y la Universidad Rey Juan CarlosPresidente: Ángel María Bravo Santos.- Secretario: David Luengo García.- Vocal: Irene Sendiña Nada