We consider the dynamics of $n$ points on a sphere in $\mathbb{R}^d$ ($d \geq 2$) which attract each other according to a function $\varphi$ of their inner products. When $\varphi$ is linear ($\varphi(t) = t$), the points converge to a common value (i.e., synchronize) in various connectivity scenarios: this is part of classical work on Kuramoto oscillator networks. When $\varphi$ is exponential ($\varphi(t) = e^{\beta t}$), these dynamics correspond to a limit of how idealized transformers process data, as described by Geshkovski et al. (2024). Accordingly, they ask whether synchronization occurs for exponential $\varphi$. In the context of consensus for multi-agent control, Markdahl et al. (2018) show that for $d \geq 3$ (spheres), if the interaction graph is connected and $\varphi$ is increasing and convex, then the system synchronizes. What is the situation on circles ($d=2$)? First, we show that $\varphi$ being increasing and convex is no longer sufficient. Then we identify a new condition (that the Taylor coefficients of $\varphi'$ are decreasing) under which we do have synchronization on the circle. In so doing, we provide some answers to the open problems posed by Geshkovski et al. (2024).


翻译:我们研究了 $\mathbb{R}^d$($d \geq 2$)空间中球面上 $n$ 个点的动力学行为,这些点根据其内积的函数 $\varphi$ 相互吸引。当 $\varphi$ 为线性函数($\varphi(t) = t$)时,在各种连通性场景下,这些点会收敛到一个共同值(即同步):这是关于仓本振荡器网络经典研究的一部分。当 $\varphi$ 为指数函数($\varphi(t) = e^{\beta t}$)时,这些动力学对应于理想化 Transformer 处理数据的一种极限情况,如 Geshkovski 等人(2024)所述。因此,他们提出指数型 $\varphi$ 是否会导致同步的问题。在多智能体控制的一致性研究背景下,Markdahl 等人(2018)证明,对于 $d \geq 3$(球面),如果交互图是连通的且 $\varphi$ 是递增凸函数,则系统会同步。那么在圆($d=2$)上的情况如何?首先,我们证明 $\varphi$ 为递增凸函数不再充分。随后,我们确定了一个新的条件(即 $\varphi'$ 的泰勒系数递减),在此条件下圆上确实可以实现同步。通过这项工作,我们为 Geshkovski 等人(2024)提出的开放性问题提供了一些解答。

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