130 lines
9.9 KiB
TeX
130 lines
9.9 KiB
TeX
\section{Ljapunovské funkce a stabilita}
|
|
|
|
V této kapitule se pokusíme vybudovat pokročilejší teorii, která nám umožní určit stabilitu u většího počtu možných obyčejných diferenciálních rovnic. Budeme uvažovat evoluční rovnici \eqref{eq-ode}
|
|
$$ x' = f(x, t), $$
|
|
kde $f: \Omega \times I \to \R^n$ a $\Omega\subset\R^n$ je otevřená. Bez újmy na obecnosti dále nechť $f(0, t) = 0$ pro všechna $t \in I$ a $I = [0, +\infty)$, neboli jinými slovy $0$ je stacionární řešení této rovnice. Budeme zkoumat stabilitu tohoto nulového řešení.
|
|
|
|
\begin{definition}
|
|
Funkci $\omega: \Omega \to [0, +\infty)$ nazveme \textit{pozitivně definitní}, pokud je spojitá, $\omega(0) = 0$ a $\omega(x) > 0$ pro všechna $x \in \Omega \setminus \{0\}$.
|
|
\end{definition}
|
|
|
|
Pozitivně definitní funkce jsou například $f(x, y) = x^2 + y^2$ nebo $g(x) = \sum_{i=1}^n a_i x_i^{2k_i}$ pro $k_i \in \N$ a $a_i > 0$.
|
|
|
|
\begin{definition}
|
|
Funkci $V(x, t): \Omega \times I \to [0, +\infty)$ nazveme \textit{ljapunovskou} pro \eqref{eq-ode} v $\Omega$, jestliže
|
|
\begin{enumerate}[(i)]
|
|
\item $V$ je spojitá a $V(0, t) = 0$ pro všechna $t \in I$;
|
|
\item $t \mapsto V(x(t), t)$ je nerostoucí pro každé řešení $x$ rovnice \eqref{eq-ode};
|
|
\item existuje pozitivně definitní funkce $\omega$ v $\Omega$ taková, že $V(x, t) \geq \omega(x)$ pro všechna $x \in \Omega$ a $t \in I$.
|
|
\end{enumerate}
|
|
\end{definition}
|
|
|
|
V některých případech první integrál může být kandidátem na ljapunovskou funkci, ale ne vždy to tak vyjde. Dále, je-li $V$ třídy $C^1$, je podmínka (ii) ekvivalentní nekladnosti orbitální derivace
|
|
$$ \pdv{V}{t}(x, t) + \nabla_x V(x, t)\cdot f(x, t) \leq 0 $$
|
|
pro všechna $(x, t) \in \Omega \times I$. Důkaz je analogický důkazu Věty \ref{thm-first-integral}.
|
|
|
|
\begin{theorem}[Ljapunovská funkce a stabilita]
|
|
\label{thm-ljapunov}
|
|
Nechť \eqref{eq-ode} má ljapunovskou funkci pro bod $0$, pak nulové řešení je stabilní.
|
|
\end{theorem}
|
|
|
|
\begin{proof}
|
|
Volme $\varepsilon > 0$ a chceme najít $\delta > 0$ tak, aby $|x_0| < \delta$ implikovalo $|x(t)| < \varepsilon$ v každém čase $t \geq 0$. Bez újmy na obecnosti nechť $\overline{U(0, \varepsilon)} \subset \Omega$. Dále budeme uvažovat ljapunovskou funkci $V$ a příslušnou pozitivně definitní funkci $\omega$ (takovou, že $V(x, t) \geq \omega(x)$ pro každé $x \in \Omega$).
|
|
|
|
Na sféře $S_\varepsilon := \{x \in \R^n: |x| = \varepsilon\}$ je funkce $\omega$ kladná a spojitá a $S_\varepsilon$ je kompaktní, tedy $\omega$ nabývá na $S_\varepsilon$ svého minima $\alpha > 0$ v nějakém bodě $\xi \in S_\varepsilon$.
|
|
|
|
Máme, že $\omega(x) \geq \alpha$ pro všechna $x \in S_\varepsilon$ a chceme, aby $V(x_0, t_0) < \alpha$. Pro dané $t_0$ je $V(\cdot, t_0)$ spojitá a $V(0, t_0) = 0$. Díky tomu existuje $\delta > 0, \delta < \varepsilon$ takové, že $V(x, t_0) < \alpha$ na $U(0, \delta)$.
|
|
|
|
Nechť nyní $x_0 \in U(0, \delta)$, tedy $V(x_0, t_0) < \alpha$, a tedy $V(x(t), t) \leq V(x_0, t_0) < \alpha$ pro všechna $t \geq t_0$. Pro spor předpokládejme, že existuje čas $t_1$ takový, že $|x(t_1)| \geq \varepsilon$, ale pak by díky spojitosti musel existovat čas $t_2$ takový, že $|x(t_2)| = \varepsilon$, tedy $x(t_2) \in S_\varepsilon$, ale
|
|
$V(x(t_2, t_2)) \geq \omega(x(t_2)) \geq \alpha$, což je spor s volbou vhodného $\delta$.
|
|
\end{proof}
|
|
|
|
\begin{theorem}[Ljapunovská funkce a asymptotická stabilita]
|
|
\label{thm-asymptotic-ljapunov}
|
|
Nechť rovnice \eqref{eq-ode} má v $\Omega \times I$ ljapunovskou funkci $V$. Nechť navíc existují v $\Omega$ pozitivně definitní funkce $\lambda$ a $\eta$ takové, že
|
|
\begin{enumerate}[(i)]
|
|
\item $V(x, t) \leq \lambda(x)$ pro každé $(x, t) \in \Omega \times I$,
|
|
\item $\odv*{V(x(t), t)}{t} \leq -\eta(x(t))$, kdykoli $x$ řeší \eqref{eq-ode} v $\Omega$.
|
|
\end{enumerate}
|
|
Potom $0$ je asymptoticky stabilní v $I$.
|
|
\end{theorem}
|
|
|
|
K důkazu této věty budeme potřebovat následující lemma o zachovávání konvergence při aplikaci pozitivně definitní funkce (poznamenejme si, že opačná implikace platí také díky větě o limitě složené funkce).
|
|
|
|
\begin{lemma}
|
|
Nechť $\omega$ je pozitivně definitní v $\Omega$ a $\varepsilon > 0$ je takové, že $\overline{U(0, \varepsilon)} \subset \Omega$. Buď $(x_n)_{n=1}^\infty$ posloupnost v $\overline {U(0, \varepsilon)}$ splňující $\omega(x_n) \to 0$. Potom $x_n \to 0$.
|
|
\end{lemma}
|
|
|
|
\begin{proof}
|
|
Volme $\tilde \varepsilon > 0$, $\tilde \varepsilon < \varepsilon$ libovolně. Potom $\overline{U(0, \varepsilon)} \setminus U(0, \tilde\varepsilon)$ je kompaktní, $\omega$ je spojitá, tedy zde nabývá svého minima $\omega(x_0) > 0$. Potom existuje $n_0$ takové, že pro všechna $n \geq n_0$ máme $\omega(x_n) < \omega(x_0)$, a tedy $x_n \in U(0, \tilde\varepsilon)$.
|
|
\end{proof}
|
|
|
|
\begin{proof}[Důkaz Věty \ref{thm-asymptotic-ljapunov}]
|
|
Stabilitu jsme již dokázali ve Větě \ref{thm-ljapunov}, stačí tedy dokázat, že počátek je lokální atraktor. Mějme $\varepsilon > 0$, k tomu ze stability nalezneme $\delta > 0$ takové, že pro $|x_0| < \delta$ máme $|x(t)| < \varepsilon$ v každém čase $t \geq 0$.
|
|
|
|
Dále uvažujme $x_0$ takové, že $|x_0| < \delta$. Funkce $t \mapsto V(x(t), t)$ je neklesající a nezáporná, tedy existuje $\lim_{t \to +\infty} V(x(t), t) = a \geq 0$. Dále platí
|
|
$$ \int_{t_0}^t \eta(x(s)) ds \leq - \int_{t_0}^t \odv*{V(x(s), s)}{s} ds = V(x(t_0), t_0) - V(x(t), t), $$
|
|
pro $t$ jdoucí do nekonečna dostáváme $V(x(t_0), t_0) - V(x(t), t) \to V(x(t_0), t_0) - a$,
|
|
a tedy
|
|
$$\int_{t_0}^\infty \eta(x(s)) ds \leq V(x(t_0), t_0). $$
|
|
Jmenovitě tento integrál je konečný, a tedy existuje posloupnost $t_n \nearrow +\infty$ taková, že $\eta(x(t_n)) \to 0$ (pozor, $\eta(x(t))$ samotná nemusí konvergovat k nule).
|
|
Z právě dokázaného lemmatu dostáváme, že $x(t_n) \to 0$, z čehož díky spojitosti a pozitivní definitnosti funkce $\lambda$ v $0$ dostáváme $\lambda(x(t_n)) \to 0$.
|
|
|
|
Dále můžeme psát $0 \leq V(x(t_n), t_n) \leq \lambda(x(t_n)) \to 0$,
|
|
a tedy $V(x(t_n), t_n) \to 0$. Díky větě o limitě podposloupnosti dostáváme, že $V(x(t), t) \to 0 = a$ a jelikož $0 \leq \omega(x(t)) \leq V(t, x(t)) \to 0$, musí nutně platit $\omega(x(t)) \to 0$.
|
|
|
|
Jelikož posloupnost $t_n$ byla volena libovolně, máme díky předchozímu lemmatu $x(t_n) \to 0$ pro libovolnou $t_n \nearrow +\infty$, a tedy dle Heineovy věty $x(t) \to 0$, což jsme chtěli dokázat.
|
|
\end{proof}
|
|
|
|
Na závěr si uvedeme větu, která nám poskytuje několik možných charakterizací pro asymptotickou stabilitu nulového řešení.
|
|
|
|
\begin{theorem}[Ekvivalentní podmínky pro rovnici \eqref{eq-linhom-const}]
|
|
Je dána rovnice $x' = Ax$, kde $A \in \R^{n\times n}$. Následující výroky jsou ekvivalentní:
|
|
\begin{enumerate}[(i)]
|
|
\item $0$ je asymptoticky stabilní v $[0, +\infty)]$;
|
|
\item $\Re \lambda < 0$ pro všechna $\lambda \in \sigma(A)$, neboli $A$ je hurwitzovská;
|
|
\item existují $\alpha, c > 0$ taková, že $\|e^{tA}\| \leq ce^{-\alpha t}$ pro všechna $t \geq 0$;
|
|
\item existuje symetrická pozitivně definitní matice $B \in \R^{n \times n}$ taková, že
|
|
$$ A^T B + BA = -I. $$
|
|
\end{enumerate}
|
|
\end{theorem}
|
|
|
|
\begin{proof}
|
|
Ekvivalence mezi body (i), (ii) a (iii) byla již dokázána ve Větách \ref{thm-stable-hurwitz}, \ref{thm-stable-fundamental} (iv) a větách o tvaru maticové exponenciály.
|
|
|
|
Dokážeme, že z (iii) plyne (iv). Definujeme $B := \int_0^{\infty} e^{tA^T} e^{tA} dt$. Platí $e^{tA^T} = (e^{tA})^T, (A^T)^k = (A^k)^T$, proto
|
|
$$e^{tA^T} = \sum_{k=1}^\infty \frac{1}{k!} (A^T)^k = \left(\sum_{k=1}^\infty \frac{1}{k!}A^k\right)^T. $$
|
|
Dále pro $\alpha > 0$ z vlastnosti (iii) můžeme psát $\|e^{tA^T}\| = \|e^{tA}\| \leq ce^{-t\alpha}$,
|
|
proto
|
|
$$ \| e^{tA^T} e^{tA} \| \leq ce^{-\alpha t} \cdot ce^{-\alpha t} = c^2 e^{-2\alpha t}, $$
|
|
tedy integrál v definici matice $B$ je dobře definovaný.
|
|
|
|
Ukážeme, že $B$ je symetrická a pozitivně definitní. Platí
|
|
\begin{align*}
|
|
B^T &= \left( \int_0^\infty e^{tA^T} e^{tA} dt \right)^T = \int_0^\infty (e^{tA^T}e^{tA})^T dt = \\
|
|
&= \int_0^\infty (e^{tA})^T (e^{tA^T})^T dt = \int_0^\infty e^{tA^T}e^{tA} dt = B.
|
|
\end{align*}
|
|
Dále $B$ splňuje
|
|
\begin{align*}
|
|
\inner*{Bx, x} &= \inner*{\int_0^\infty e^{tA^T}e^{tA} dt x, x} = \int_0^\infty \inner*{e^{tA^T}e^{tA}x, x} dt \\
|
|
&= \int_0^\infty \inner*{e^{tA}x, e^{tA}x} dt = \int_0^\infty \|e^{tA}x\|^2 dt > 0,
|
|
\end{align*}
|
|
kde kladnost tohoto výrazu plyne z toho, že $\|e^{tA}x\|$ je nenulové pro $x \neq 0$.
|
|
|
|
Zbývá dokázat, že $B$ splňuje rovnost $A^T B + BA = -I$. Skutečně, můžeme psát
|
|
\begin{align*}
|
|
A^T B &= A^T \int_0^\infty e^{tA^T}e^{tA}dt = \int_0^\infty \odv*{e^{tA^T}}{t}e^{tA} dt \overset{\text{per partes}}=\left[ e^{tA^T} e^{tA} \right]^\infty_0 \\ &- \int_0^\infty e^{tA^T} \odv*{e^{tA}}{t} dt = 0 - I - \int_0^\infty e^{tA^T}e^{tA}dt A = -I - BA.
|
|
\end{align*}
|
|
|
|
Pro důkaz implikace (iv) $\implies$ (i), ukážeme, že $V(x, t) := \inner*{Bx, x}$ je ljapunovská funkce splňující podmínku z Věty \ref{thm-asymptotic-ljapunov}. Jelikož chceme, aby platilo $\omega(x) \leq V(x, t) \leq \lambda(x)$, stačí volit $\lambda(x) = \omega(x) = \inner*{Bx, x}$. Nalezneme vhodnou funkci $\eta$ tak, aby $\odv*{V(x(t), t)}{t} \leq -\eta(x)$. Díky vlastnostem skalárního součinu platí
|
|
\begin{align*}
|
|
\odv*{\inner*{Bx(t), x(t)}}{t} &= \inner*{Bx'(t), x(t)} + \inner*{Bx(t), x'(t)} = \\
|
|
&= \inner*{BAx(t), x(t)} + \inner*{Bx(t), Ax(t)} = \\
|
|
&= \inner*{(BA + A^TB)x(t), x(t)} = -\|x(t)\|^2.
|
|
\end{align*}
|
|
Stačí tedy volit $\eta(x) = \|x\|^2$, a tedy dle výše zmíněné Věty \ref{thm-asymptotic-ljapunov} je naše úloha asymptoticky stabilní.
|
|
\end{proof}
|
|
|
|
Poslední rovnosti se běžně říká \textit{Ljapunovova rovnice}. Dále z bodu (iv) plyne, že $V(x) = x\cdot Bx$ je ljapunovskou funkcí rovnice $x' = Ax$, pomocí níž můžeme sepsat alternativní důkaz věty o linearizované stabilitě (Věta \ref{thm-linearized-stability}).
|
|
|
|
\hfill \textit{konec 11. přednášky (9.5.2025)}
|