ДИФУР ГУРЕВИЧ ЛЕКЦИИ
.pdfесть решение Y (x) = e kxC, где C постоянный ненулевой вектор. Но тогда
kY (x)k = ke( +i )xCk = je( +i )xj kCk = e xkCk ! 1 ïðè x ! 1:
Следовательно, у системы существуют неограниченные решения, что противоречит устойчивости. Таким образом, Re 0. Пусть теперь
Re 0 = 0, ò. å. 0 = i ; 6= 0. Рассмотрим семейство решений уравнения (7.12) следующего вида:
|
k 0 1 xj |
|
|
||
|
Xj |
|
|
||
Z(x) = |
=0 |
j! |
ei x(A i E)jP ( 0 |
; 1)Y0; |
(7.14) |
|
|
|
|
|
ãäå Y0 произвольный постоянный вектор.
Предположим, что (A i E)P ( 0; 1) 6= 0. Выберем Y0 так, чтобы
(A i E)P ( 0; 1)Y0 6= 0. Имеем
|
k 0 1 xj |
k 0 1 |
|
||
|
X |
Xj |
|
||
kZ(x)k = k |
|
j! |
(A i E)jP ( 0; 1)Y0k = k |
xjZjk; |
(7.15) |
|
j=0 |
=0 |
|
ãäå Zj = j1!(A i E)jP ( 0; 1)Y0; j = 0; 1; ::; k 0 1. Обозначим через j0
наибольший индекс, для которого Zj0 |
6= 0. Имеем |
|
|
j0 1 |
j0 1 |
kZ(x)k = kxj0 Zj0 + xjZjk kxj0 Zj0 k k xjZjk |
||
j0 1 |
jP |
P |
|
=0 |
j=0 |
xj0 kZj0 k |
xjkZjk ! 1 |
ïðè x ! 1; |
jP |
|
|
=0 |
|
|
т. е. существуют неограниченные решения. Получили противоречие. Достаточность. Пусть выполнены условия 1) и 2). Убедимся, что
все решения системы (7.12) являются ограниченными. Запишем общее решение системы в виде
Y (x) = Re <0 e x hE + |
x |
(A E) + : : : + |
||||
1! |
||||||
|
X |
|
|
|
|
|
+(k |
1)!(A E)k 1 P ( ; 1)Y0 + Re =0 e xP ( ; 1)Y0; (7.16) |
|||||
|
xk |
1 |
|
|
|
X |
|
|
|
|
где суммирование в первой сумме ведется по тем , для которых Re < < 0, а во второй Re = 0. Но xje x ! 0 при x ! 1, где j любое,
131
> 0 (доказать самим). Поэтому решение, представленное по формуле (7.16), является ограниченным.
Теорема 7.8. Линейная однородная система (7.12) асимптотиче- ски устойчива тогда и только тогда, когда при всех = 1; 2; ::; m спра-
ведливы неравенства Re < 0.
Доказательство. Необходимость. Предположим, что система (7.12) асимптотически устойчива, отсюда следует, что она устойчива, и поэтому Re 0. Предположим, что имеется 0 , такое что Re 0 = 0, ò. å.
0 = i . Но тогда среди решений системы имеется решение вида Y (x) = ei xY0, ãäå Y0 6= 0. Поэтому kY (x)k = kY0k =6 0. Отсюда Y (x) 9 0.
Получили противоречие.
Достаточность. Пусть все Re < 0. Из (7.13) следует, что все решения Y (x) стремятся к нулю при x ! 1. Из теоремы 7.6 получаем
требуемое.
Замечание. Из доказанных теорем 7.6 и 7.7 следует, что для решения вопроса об устойчивости системы с постоянной матрицей важно уметь определять расположение корней алгебраического многочлена, не находя их. Ответ на этот вопрос дают следующие два критерия.
7.3.Критерии Михайлова и Гурвица
Критерий Михайлова это геометрический критерий, позволяющий определить, есть ли у данного полинома корни с положительной вещественной частью.
Отметим вначале следующее. Под arg z понимается одно из значе- ний аргумента комплексного числа z. Предположим, что точка z в ком-
плексной плоскости, начиная от положения z0 6= 0, движется по некоторой непрерывной кривой C, не проходящей через начало координат. В этом случае под arg z мы понимаем однозначную и непрерывную вдоль
C ветвь многозначной функции arg z, определяемую фиксированным на- чальным значением arg z0.
Лемма 7.1. Пусть z0 комплексное число, не лежащее на мнимой оси, < arg z0 , и функция '(!) = arg(i! + z0) непрерывна на полуоси 0 ! < 1. Тогда если Rez0 < 0, то '(!) монотонно убывает
è |
8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
; |
åñëè Imz0 |
0; |
|||
|
|
|
|
|||||
lim '(!) = |
|
2 |
||||||
!!1 |
> |
|
3 |
|
; |
åñëè Imz0 |
< 0; |
|
2 |
|
|||||||
åñëè æå Rez0 > 0, òî '(!) |
< |
|
|
|
|
|||
> |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
: |
|
|
|
|
|
|
|
монотонно возрастает и
lim '(!) = :
!!1 2
132
Доказательство. Пусть Rez0 > 0. Когда ! изменяется от 0 до 1, точка i! + z движется в комплексной плоскости вверх по вертикальному лучу, выходящему из точки z0. Геометрически очевидно, что '(!) моно-
тонно возрастает и lim '(!) = |
|
!!1 |
2 . Аналогично рассматривается случай |
|
Rez0 < 0. Лемма доказана.
Лемма 7.2. Предположим, что полином с вещественными коэффициентами
f(z) = a0zn + a1zn 1 + : : : + an 1z + an; a0 6= 0; n 1;
не имеет чисто мнимых корней. Тогда, для того чтобы число его корней с положительной вещественной частью (с учетом кратности) равнялось m, необходимо и достаточно, чтобы
|
!lim (!) (0) = |
|
2m); |
|
= |
|
(n |
||
2 |
||||
|
!1 |
|
|
|
где функция (!) = argf(i!) непрерывна на полуоси 0 ! < 1. |
||||
Доказательство. |
Необходимость. Пусть |
z1; z2; : : : ; zm корни |
f(z)(с учетом кратности), имеющие положительную вещественную
часть, а zm+1; : : : ; zn корни этого полинома с отрицательной вещественной частью. Как известно из алгебры,
f(z) = a0(z z1)(z z2) : : : (z zn):
Аргумент произведения комплексных чисел равен сумме аргументов сомножителей, поэтому
n
X
(!) = arg a0 + 'k(!);
k=1
ãäå 'k(!) = arg(i! zk). Можно считать, что все 'k(!) непрерывны на полуоси 0 ! < 1, причем < 'k(0) . По лемме 7.1
|
n |
lim (!) = arg z0 + |
Xk |
lim 'k(!) |
|
!!1 |
!!1 |
|
=1 |
и, следовательно, |
n |
|
|
|
Xk |
|
= 'k; |
|
=1 |
ãäå 'k = !lim!1 'k(!) 'k(0). |
133
Рассмотрим '1(!) = arg(i! + ( z1)); Rez1 > 0. Åñëè z1 веществен- íîå, òî arg( z1) = и по лемме 7.1
'1 = |
|
= |
|
: |
|
|
|||
2 |
2 |
Åñëè z1 комплексный корень, то в силу вещественности коэффициентов полинома z1 тоже корень полинома f(z), причем Rez1 > 0. Для определенности можно считать, что z2 = z1 è Imz2 = Imz1 < 0. Тогда по лемме 7.1
'1 + '2 = ( 32 arg( z1)) + (2 arg( z2)) = = + (arg( z1) + arg( z1)) =
Из этих рассуждений следует, что
m |
|
|
||
Xk |
|
|||
|
|
|
||
'k = 2 m: |
||||
=1 |
||||
|
|
|
Аналогично доказывается, что
n |
|
|
|||
k X |
|
||||
|
|
|
|
||
|
|
|
|
||
'k = 2 (n m): |
|||||
=m+1 |
|
|
|
|
|
Следовательно, |
|
|
|
|
|
= |
(n 2m): |
||||
|
|||||
2 |
Достаточность очевидна.
Определение 7.7. Полином называется полиномом Гурвица(устойчивым полиномом), если все его корни имеют отрицательные
вещественные части.
Определение 7.8. Пусть f(z) = a0zn + a1zn 1 + : : : + an. Годографом Михайлова функции f(z) называется кривая u = f(i!) в комплексной плоскости, где неотрицательный параметр ! пробегает значения от 0 до
1.
Из леммы 7.2 вытекает справедливость следующего утверждения. Критерий Михайлова. Для того чтобы полином f(z) с веществен-
ными коэффициентами степени n, не имеющий чисто мнимых корней,
был полиномом Гурвица, необходимо и достаточно, чтобы при изменении параметра ! от 0 до 1 радиус-вектор точки f(i!), движущейся вдоль
годографа Михайлова, повернулся против часовой стрелки на угол 2 n. Замечание. При исследовании с помощью критерия Михайлова кон-
кретного полинома на устойчивость нет необходимости искать lim (!).
!!1
134
Из доказательства леммы 7.2 следует, что как только угол поворота
радиуса-вектора точки годографа против часовой стрелки превысит угол2 (n 1), можно утверждать, что корней с положительной вещественной
частью у этого полинома нет.
Пример 7.3. Покажем, пользуясь годографом Михайлова, что все
корни многочлена
f(z) = z3 + 5z2 + 9z + 5
имеют отрицательную вещественную часть. Уравнением годографа функции f(z) является уравнение
u = i!3 5!2 + 9i! + 5; 0 ! < 1;
èëè
Re u = 5!2 + 5;
Im u = !3 + 9!:
При ! = 0 получаем начальную точку годографа u1 = 5. При ! = 1 получаем точку пересечения годографа с мнимой осью u2 = 8i. Ïðè
!= 3 годограф пересекает вещественную ось в точке u3 = 40. Ïðè
!= 4 точкой годографа будет u4 = 75 28i. Годограф изображен на рис. 7.1.
Ðèñ. 7.1
Òàê êàê arg u4 > = 2 (3 1), то, согласно замечанию к критерию Михайлова, можно сделать вывод, что данный многочлен устойчив.
В заключение этого раздела приведем без доказательства принадлежащий Гурвицу критерий того, что многочлен является устойчивым.
135
Пусть p(z) = a0 + a1z + : : : + anzn, где ные числа. Составим матрицу Гурвица:
M = |
0 a3 |
|
a2 |
|
a1 |
|
|
a1 |
|
a0 |
|
0 |
|
|
Ba2:n: : |
1 |
a2:n: : |
2 |
a2:n: : |
3 |
|
B |
|
|
|
|
|
|
@ |
|
|
|
|
|
a0 > 0; an 6= 0; ak веществен-
0 |
|
: : : |
0 |
1 |
|
a |
4 |
: : : |
0 |
|
; |
a2:n:0: |
:: :: :: :a:n:C |
||||
|
|
|
|
C |
|
|
|
|
|
A |
|
ãäå as = 0 ïðè s < 0 è s > n.
Теорема Гурвица. Для того чтобы p(z) являлся устойчивым, необходимо и достаточно, чтобы все главные диагональные миноры
a1 a0
1 = a1; 2 = a3 a2 ; : : : ; n = an n 1
его матрицы Гурвица M были положительными.
Замечание. Пусть f(z) = r+qz+pz2 +z3, где r; q; p вещественные. Тогда условия теоремы Гурвица примут вид
|
|
|
|
|
|
|
|
r > 0; 1 |
= q > 0; 2 |
= |
q |
r |
> 0; 3 |
= 1 2 |
> 0; |
1 p |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ò. å. q > 0; 0 < r < pq.
7.4.Устойчивость возмущенных систем
Пусть дана линейная система следующего вида:
Y 0 = (A + B(x))Y; x 2 [a; 1); |
(7.17) |
где A постоянная матрица размерности n n, B(x) |
непрерывная |
матрица той же размерности. |
|
Рассмотрим систему |
|
Y 0 = AY: |
(7.18) |
Определение 7.8. Система (7.17) по отношению к (7.18) называется
возмущенной системой.
В данном разделе приводятся достаточные условия на B(x), при ко-
торых из устойчивости (асимптотической устойчивости) системы (7.18) следует то же свойство для возмущенной системы.
Предварительно докажем несколько вспомогательных утверждений.
Лемма 7.3. При любых x и t справедливо тождество
eAx(eAt) 1 = eA(x t):
136
Доказательство. Достаточно доказать, что при произвольном фиксированном t левая и правая части в этом равенстве являются решениями задачи Коши T 0 = AT; T (t) = E и, следовательно, совпадают.
Отметим, что при x = 0 доказанное равенство имеет вид (eAt) 1 =
= e At.
Лемма 7.4. Система (7.17) эквивалентна интегральному уравне-
íèþ |
|
x |
|
|
Y (x) = eA(x a)Y (a) + Za |
eA(x t)B(t)Y (t)dt: |
(7.19) |
||
Доказательство. Пусть вектор-функция ~ |
|
|||
|
|
|
Y (x) есть решение систе- |
|
мы (7.17), и следовательно, |
|
|
|
|
~ 0 |
~ |
|
~ |
(7.20) |
Y |
(x) AY (x) + B(x)Y (x): |
|
||
Введем в рассмотрение вектор-функцию ~ |
|
|||
|
|
|
Z(x) следующим образом: |
|
|
~ |
Ax |
~ |
(7.21) |
|
Y (x) e |
Z(x); |
ò. å. ~ Ax ~
Z(x) = e Y (x). Последнее представление вытекает из формулы (eAx) 1 = e Ax. Из (7.21) имеем
|
|
Y~ 0(x) = AeAxZ~(x) + eAxZ~0(x): |
(7.22) |
|||||||
Подставляя (7.21) и (7.22) в (7.20), получим: |
|
|||||||||
Ae |
Ax ~ |
Ax ~0 |
(x) |
Ae |
Ax ~ |
|
Ax ~ |
|||
Z(x) + e Z |
Z(x) + B(x)e |
Z(x): |
||||||||
Отсюда |
|
~0 |
|
|
Ax |
|
|
|
Ax ~ |
|
|
|
(x) e |
B(x)e |
|
||||||
|
|
Z |
|
Z(x): |
|
|||||
Интегрируя это тождество, получим: |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
Z~(x) Z~(a) + Za |
e AtB(t)eAtZ~(t)dt: |
|||||||
Умножая это тождество на eAx, будем иметь: |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
eAxZ~(x) eA(x a)eAaZ~(a) + Za |
eA(x t)B(t)eAtZ~(t)dt: |
137
Из (7.21) следует, что
x |
|
|
Y~ (x) eA(x a)Y~ (a) + Za |
eA(x t)B(t)Y~ (t)dt; |
(7.23) |
òî åñòü ~
Y (x) есть решение интегрального уравнения (7.19).
Обратно, пусть ~
Y (x) решение уравнения (7.19). Тогда имеет место тождество (7.23). Дифференцируя это тождество, получим:
x
Z
~ 0 |
(x) Ae |
A(x a) ~ |
Y |
Y (a) + |
A(x t) |
~ |
~ |
Ae |
B(t)Y (t)dt + B(x)Y (x) |
a |
|
|
x |
|
|
A(eA(x a)Y~ (a) + Za |
eA(x t)B(t)Y~ (t)dt) + B(x)Y~ (x) |
|
|
~ |
~ |
|
AY (x) + B(x)Y (x): |
Следовательно, функция ~
Y (x) является решением системы (7.17).
Лемма 7.5. Для любого " > 0 существует константа C = C("), такая что при всех x 0 справедлива оценка
|
keAxk C(")e( +")x; |
(7.24) |
ãäå = max Re ; |
все собственные значения матрицы A. |
|
1 m |
|
|
Доказательство. Из представления |
! |
|
m |
k 1 xj |
XX
eAx = e x |
|
|
(A E)j P ( ; 1) |
|
j! |
||
=1 |
j=0 |
следует
m |
k |
|
1 xj |
!b e xP (x); |
|
||
keAxk |
eRe x |
|
|
a j |
(7.25) |
||
|
|
j! |
|||||
=1 |
=0 |
|
|
|
|
||
X |
Xj |
|
|
|
|
ãäå a j ; b некоторые неотрицательные константы, P (x) многочлен
степени не выше max (k 1). Но при любом " > 0
1 m
lim P (x) = 0:
x!+1 e"x
Отсюда следует, что существует x0 0 такое, что при x x0
P (x) "e"x:
138
А так как P (x) непрерывная функция на [0; x0], то она ограничена на этом отрезке, и, следовательно, существует константа M("), для которой справедливо неравенство
P (x) M(") M(")e"x; x 2 [0; x0]:
Но тогда очевидно, что неравенство (7.24) выполняется при
C(") = maxf"; M(")g:
Лемма 7.6. Предположим, что : 1) функция f(x) непрерывна и неотрицательна при x 2 [a; 1); 2) f(x) ! 0 при x ! 1. Тогда
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
lim |
Ra |
f(t)dt |
= 0: |
(7.26) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
x a |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
x!1 |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ra |
|
|
||
Доказательство. Утверждение леммы очевидно, если |
f(t)dt < |
|
. |
|||||||||||
|
x |
x!1 Ra |
f(t)dt = |
1 |
, то, применяя правило Лопиталя, получим |
|||||||||
Åñëè æå lim |
|
|
||||||||||||
lim |
Ra |
f(t)dt |
= lim f(x) = 0: |
|
|
|
|
|
|
|||||
x a |
|
|
|
|
|
|
||||||||
x!1 |
|
x!1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Следующие две теоремы показывают, что при "малом"возмущении матрицы A из устойчивости (асимптотической устойчивости) системы
(7.18) следует устойчивость (асимптотическая устойчивость) возмущен-
ной системы. |
|
1 |
|
|
|
|
|
||
Теорема 7.9. Предположим, что |
|
kB(t)kdt < 1, тогда если си- |
||
стема (7.18) устойчива, то и системаRa |
(7.17) устойчива. |
|
||
Доказательство. В силу теоремы 7.5 достаточно убедиться, что все |
||||
решения системы (7.17) ограничены на |
~ |
|
||
[a; 1). Пусть Y (x) решение |
||||
(7.17). Из леммы 7.4 следует, что имеет место тождество |
|
|||
|
x |
|
|
|
Y~ (x) eA(x a)Y~ (a) + Z |
eA(x t)B(t)Y~ (t)dt: |
(7.27) |
||
|
a |
|
|
|
Отсюда |
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
kY~ (x)k keA(x a)Y~ (a)k + k Za |
eA(x t)B(t)Y~ (t)dtk |
|
139
x |
keA(x t)kkB(t)kkY~ (t)kdt: (7.28) |
keA(x a)kkY~ (a)k + Z |
|
a |
|
Так как система (7.18) устойчива, то все ее решения ограничены, а сле- довательно, матрициант eAx является ограниченной матрицей. Поэтому
из (7.28) имеем
x |
CkB(t)kkY~ (t)kdt; |
kY~ (x)k CkY~ (a)k + Z |
|
a |
|
где C некоторая константа. Применим неравенство Беллмана:
x |
1 |
|
kY~ (x)k CkY~ (a)k exp Za |
CkB(t)kdt CkY~ (a)k exp(C Za |
kB(t)kdt): |
Теорема 7.10. Предположим, что B(x) ! 0 при x ! 1, тогда
если система (7.18) асимптотически устойчива, то и система (7.17) асимптотически устойчива.
Доказательство. В силу теоремы 7.8 все собственные значения матрицы A имеют отрицательные действительные части, и, следовательно,
= max Re < 0. Выберем положительное " настолько малым, чтобы |
|
1 m |
|
выполнялось неравенство |
|
+ 2" < 0: |
(7.29) |
Теперь убедимся, что |
|
. Пусть |
~ |
x ! 1 |
Y (x) |
леммы 7.5 получим
все решения системы (7.17) стремятся к нулю прирешение (7.17), тогда из неравенства (7.28) и
x |
C(")e( +")(x t)kB(t)kkY~ (t)kdt: |
|||
kY~ (x)k C(")e( +")(x a)kY~ (a)k + Z |
||||
a |
|
|
|
|
Разделим обе части неравенства на e( +")x: |
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
e ( +")xkY~ (x)k C(")e ( +")akY~ (a)k + Za |
C(")e ( +")tkY~ (t)kkB(t)kdt: |
|||
Из неравенства Беллмана следует, что |
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
e ( +")xkY~ (x)k C(")e ( +")akY~ (a)k exp(C(") Za |
kB(t)kdt): |
(7.30) |
140