stabilità per e.d.o. (ii): il metodo diretto di lyapunov roberta pappadà 19 maggio 2006

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Stabilità per E.D.O. Stabilità per E.D.O. (II): (II): IL METODO DIRETTO DI IL METODO DIRETTO DI LYAPUNOV LYAPUNOV Roberta Pappadà 19 maggio 2006

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Page 1: Stabilità per E.D.O. (II): IL METODO DIRETTO DI LYAPUNOV Roberta Pappadà 19 maggio 2006

Stabilità per E.D.O. (II):Stabilità per E.D.O. (II):IL METODO DIRETTO DI IL METODO DIRETTO DI

LYAPUNOVLYAPUNOV

Roberta Pappadà19 maggio 2006

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IntroduzioneIntroduzione

Il metodo diretto di Lyapunov è un importante metodo per lo studio della stabilità delle soluzioni. Si consideri il sistema dinamico autonomo

Il metodo diretto di Lyapunov si basa su particolari classi di funzioni , caratterizzabili in segno, dette funzioni di Lyapunov; tali funzioni permettono di determinare la stabilità o l’instabilità della soluzione di (1). Nel seguito, senza perdere di generalità, si tratterà solo il

caso di stabilità della soluzione nulla.

nxxfx )(

)(xV

)1(

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33

Premesse (1)Premesse (1)

Si consideri il sistema dinamico autonomo

dove e .Si assume che soddisfi le seguenti condizioni: (i) è definita e continua in

dove con si indica la norma euclidea di ; (ii) in ogni punto è soddisfatta la condizione

di unicità delle soluzioni di (1) ; (iii) e quindi è una soluzione di (1) .

)(xfx )1(

),........,( 1 nxxx ))(...,),........(()( 1 xfxfxf n)(xf

)(xf

|||| x axx ||||

x0x

0)0,;( 0 ttx0)0( f

),;( 00 xttx

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44

Premesse (2)Premesse (2)

Si consideri una funzione scalare continua con derivate

parziali prime continue nell’intorno dell’origine.

Sono necessarie alcune definizioni preliminari.

Definizione:La funzione è detta definita positiva se : (i) , (ii) , per tutti i punti in .Definizione:La funzione è detta semidefinita positiva se : (i) , (ii) , per tutti i punti in .

)(xV

)(xV0)0( V0)( xV 0x

)(xV0)0( V0)( xV 0x

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Premesse (3)Premesse (3)

Definizione: derivata rispetto ad un campo vettoriale

La derivata di una funzione rispetto al campovettoriale è definita dal prodotto scalare

si calcola direttamente dalla conoscenza di e del campo vettoriale .

V )(xV)(xf

:)(xVV )()( xfxV

)()(

.......... )()(

11

xfx

xVxf

x

xVn

n

V )(xV)(xf

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66

Premesse (4)Premesse (4)

Sia , , una soluzione di (1); allora, utilizzando

la regola di derivazione di funzioni composte, se la funzione viene valutata lungo la traiettoria , si ottiene:

Segue che la derivata di lungo descrive la variazione temporale della funzione quando è calcolata lungo unasoluzione dell’equazione differenziale, ovvero .In seguito si indicherà con la derivata di .

)(txx 10 ttt )(xV

)(tx

nn

xx

xVx

x

xVVtxV

)(......

)())(( 1

1

)()(

......)()(

11

xfx

xVxf

x

xVn

n

V f)(xV

)(tx VV VV

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Teorema di stabilità asintotica di Teorema di stabilità asintotica di LyapunovLyapunov

Se esiste una funzione definita positiva, tale che

sia definita negativa, allora la soluzione del sistema è asintoticamente stabile .

Dimostrazione:

Dimostriamo che è stabile.Poiché è definita positiva per .Fissato , sia ; allora .

Poiché è continua e , possiamo scegliere t. c. se . Inoltre definita negativa implicache se e allora si ha : .

)(xVV

)(xfx 0)( tx

0)( txV 0)(min)( xVxV ax ||||0

0 )(min||||

xVmx

0m

V 0)0( V 0mxV )( 0 |||| 0x V

01 tt |||| 0x

mxVxttxVxttxV )()),;(()),;(( 0000001

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Ora supponiamo che per un certo risulti con .Ma allora si avrebbe

e si giungerebbe ad una contraddizione.Quindi se , allora la soluzione è definitaper e soddisfa .Pertanto è stabile .

Ora proviamo che è asintoticamente stabile.Fissato , si suppone che e una soluzione di (1) tali che , , .Inoltre, poiché è definita negativa e , t. c. .

01 tt ||),;(|| 001 xttx |||| 0x

mxttxVxttxV )),;((min)),;(( 001001

|||| 0x ),; ( 00 xttx

0tt ||),;(|| 001 xttx0)( tx

0)( tx0 0 , 0

),; ( 00 xttx ||),;(|| 00 xttx 0tt |||| 0xV 0||),;(|| 00 xttx

0 d 000

00 tt, 0)),; (( sup)),; ((0

dxttxVxttxVtt

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Ciò implica che

ma per sufficientemente grande il secondo membro della

disuguaglianza diventerà negativo assurdo, poiché per ipotesi è definita positiva. Quindi non esiste t. c. , e poiché

é una funzione positiva e decrescente, si ha:

da cui

Segue che la soluzione é asintoticamente stabile .

t

0 ||),; (|| 00 xttx

)),; (( 00 xttxV

, 0)),; (( lim 00

xttxVt

0||),; (||lim 00

xttxt

0)( tx

, )()()()),; (( 000000

ttdxVdtVxVxttxVt

t

V

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1010

Dal Teorema di stabilità asintotica di Lyapunov segue, come

corollario, il Teorema di stabilità di LyapunovTeorema di stabilità di Lyapunov :

Se esiste una funzione definita positiva, tale che sia semidefinita negativa, allora la soluzione di è stabile .

Definizione: funzione di Lyapunov

Una funzione che soddisfa le ipotesi del Teorema di stabilità di Lyapunov è detta funzione di Lyapunov peril sistema corrispondente .

)(xVV

0)( tx )(xfx

)(xV

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1111

Consideriamo il caso . Le curve , con costante piccola e positiva, costituiscono una famiglia di curve chiuse concentriche che includono l’origine.

Le ipotesi del Teorema di stabilità di Lyapunov implicanoche, per curve chiuse sufficientemente piccole, il campo

vettoriale definito dal sistema

non è mai diretto verso l’esterno.

Interpretazione geometricaInterpretazione geometricadei Teoremi di stabilità di dei Teoremi di stabilità di

Lyapunov (1) Lyapunov (1)

cyxV ),(

2n

c

),( , ),( yxQyyxPx

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Le ipotesi del Teorema di stabilità asintotica di

Lyapunov implicano che il campo vettoriale definito dal sistema è

diretto verso l’interno. Ciò è facilmente intuibile tenendo presente che si

suppone definita positiva e

definita negativa, e che, come già visto, risulta:

Interpretazione geometricaInterpretazione geometricadei Teoremi di stabilità di dei Teoremi di stabilità di

Lyapunov (2)Lyapunov (2)

))(())((

)())(())((

txftxV

txtxVtxVdt

dV

V V

cV

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Esempi (1)Esempi (1) Data l’equazione del secondo ordine con differenziabile, e , consideriamo il sistema corrispondente:

Le ipotesi assicurano che (0,0) è l’unico punto fisso. L’ energia totale del sistema è data da:

energia cinetica energia potenziale

0)( xqxq 0)0( q 0)( xxq

yx

)(xqy

x

dssqy

yxV0

2

)( 2

),(

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Esempi (2)Esempi (2)

La funzione è differenziabile; La funzione è definita positiva. Infatti:

; per ;

.

Pertanto è una funzione di Lyapunov e il punto fisso è stabile.

Per il sistema

consideriamo la funzione .

V

0),( yxV0)0,0( V0)( xxq )0,0(),( yx

V

0))(()( xqyyxqyVxVV yx V )0,0(

3xyx 3yxy

22),( yxyxV

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Esempi (3)Esempi (3)

è definita positiva; è definita negativa. Infatti:

Pertanto il punto fisso è asintoticamente stabile.

VV

yVxVV yx

)(2 44 yx

)0,0(

)(2)(2 33 yxyxyx

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Teorema di instabilità di LyapunovTeorema di instabilità di Lyapunov

Se esiste una funzione tale che sia definita positiva ed in ogni intorno dell’origine esista un punto per cui vale , allora la soluzione del sistema è instabile .

Dimostrazione: Sia , sufficientemente piccolo , tale che la palla sia contenuta in . Sia ed è finito in

quanto è continua. Scelto tale che , per le ipotesi esiste un

punto

tale che e .

V V 0x

0)( 0 xV 0)( tx)(xfx

0R} |||| | {)( RxxRS

)(max||||

xVMRx

MV

0r Rr 0

0x rx |||| 0 0 0)( 0 xV

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Lungo la traiettoria è positiva e quindi è una funzione crescente e .Segue che non può avvicinarsi all’origine.Inoltre, poiché è definita positiva, si ha :

e quindi

ovvero perMa per sufficientemente grande, il secondo membrodella disuguaglianza diviene più grande di e quindi si allontana dalla palla . Segue che la soluzione è instabile.

:C , , ),;( 000 ttxttxx 'V, , )),;(( 000 ttxttxV

0 )),;(( 00 xttxVC

'V

0)),; ((inf 000

mxttxVtt

, )()()()),; (( 000000

ttmxVdtVxVxttxVt

t

)()()),; (( 0000 ttmxVxttxV .0tt t

M)(RS

C

0)( tx

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EsempioEsempio

Per il sistema

consideriamo la funzione . è continua con derivate parziali prime continue; e ha valori positivi in ogni intorno

dell’origine;

e per e sufficientemente piccoli il segno di è determinato dal primo termine tra parentesi. Inoltre e quindi è definita positiva in un intorno dell’origine. Pertanto il punto fisso è instabile.

23 yxx

32 xyy 22),( yxyxV

V0)0,0( V V

yVxVV yx )2)(2()3(2 32 xyyyxx )22()46( 3222 yxxyyx

|| x || y 'V

0)0,0( V 'V)0,0(

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ConclusioniConclusioni

I teoremi di stabilità ed instabilità di Lyapunov non forniscono alcuna informazione circa la costruzione di una funzione di Lyapunov di un sistema. Ciò costituisce la principale difficoltà nell’applicazione del criterio.

I teoremi forniscono condizioni sufficienti di stabilità. Tali condizioni non sono necessarie.

Le condizioni di stabilità sono locali. In alcuni casi l’intorno dell’origine considerato potrebbe essere anche molto piccolo.

Analogamente a quanto fatto per il sistema dinamico autonomo , il metodo diretto di Lyapunov può essere applicato allo studio della stabilità delle soluzioni del sistema non autonomo , dove e .

)(xfx

),( xtfx ))(),....,(()( 1 txtxtxx n )),(),......,,((),( 1 xtfxtfxtf n