MỤC LỤC
Mở đầu
Chương I Một số khái niệm về hệ phương trình vi phân đại số . 5
1.1 Phép chiếu - Chỉ số của cặp ma trận . 5
1.2 Hệ phương trình vi phân đại số tuyến tính với hệ số hằng 7
1.3 Phân rã hệ phương trình vi phân đại số thành hệ phương trình
vi phân thường và hệ phương trình đại số . 10
1.4 Sự ổn định (Lyapunov) của hệ phương trình vi phân đại số . 13
Chương II Bán kinh ổn định của hệ phương trình vi phân đại số
tuyến tính với ma trận hệ số hằng 15
2.1 Bán kính ổn định phức của hệ phương trình vi phân đại số 15
2.2 Liên hệ giữa bán kính ổn định thực và bán kính ổn định phức
của hệ phương trình vi phân đại số 24
Chương III Bán kính ổn định của hệ phương trình vi phân đại
số tuyến tính với nhiễu động . 34
3.1 Hệ phương trình vi phân đại số tuyến tính với hệ số biến thiên 35
3.2 Nghiệm yếu và các khái niệm ổn định . 37
3.3 Công thức bán kính ổn định . 44
3.4 Các trường hợp đặc biệt . 55
Kết luận 59
Tài liệu tham khảo . 60
61 trang |
Chia sẻ: maiphuongtl | Lượt xem: 2449 | Lượt tải: 1
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận văn Tính ổn định của Hệ phương trình vi phân đại số, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
lide được sử dụng. Ta
gọi
dK
là bán kính ổn định có cấu trúc của bộ bốn ma trận {A , B, E , F}
Nếu
K
ta gọi
d
là bán kính ổn định phức, còn nếu
K
ta gọi
d
là bán kính ổn định thực.
Tương tự như phương trình vi phân thường, ta đặt
1
G s F sA B E
và ta sẽ chứng minh rằng 1
sup
s
d G s
Trước hết, ta chứng minh 1
sup
s
d G s
www.VNMATH.com
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
18
Lấy
V
bất kỳ, khi đó xảy ra hai trường hợp :
(i) Cặp
,A B E F
là chính quy. Ta lấy tuỳ ý một giá trị
,s A B E F
, sao cho Res ≥ 0. Giả sử rằng
x
0 là một vectơ riêng
tương ứng với giá trị riêng s, tức là
sA B E F x
0.
Điều này tương đương với
1
x sA B E Fx
, từ đó ta suy ra
1
.Fx F sA B E Fx G s Fx
Vì vậy,
1
1
sup ,
s
G s G s
V
Do đó, 1
sup
s
d G s
(ii) Cặp
,A B E F
là không chính quy, khi đó
s
ta có
det sA B E F
0, tức là đa thức
det sA B E F
0,
s
, do đó với
mọi
s
luôn tồn tại vectơ
x
0 sao cho
sAx B E F x
0.
Bằng lập luận tương tự, ta chứng minh được 1
sup
s
d G s
.
Bây giờ, ta chứng minh bất đẳng thức ngược lại 1
sup
s
d G s
Với mỗi >0, ta tìm giá trị
0s
sao cho
11
0 sup
s
G s G s
www.VNMATH.com
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
19
Khi đó tồn tại
pu
:
1u
và
0 0G s u G s
. Theo một hệ quả của định
lý Hahn-Banach, tồn tại một phiếm hàm tuyến tính
*y
xác định trên
*: 1q y
và
*
0 0 0 .y G s u G s u G s
Đặt 1
*
0 .
p qG s uy
Rõ ràng,
1 1
*
0 0 0 0 0.G s u G s uy G s u G s u G s u
Vì vậy, 1
0G s
. Mặt khác, từ 1
*
0G s uy
ta có 1
0G s u
.
Kết hợp hai bất đẳng thức ta có 1
0 .G s
Hơn nữa, từ
0G s u u
ta
nhận được
0E G s u Eu
0. Đặt
1
0x s A B Eu
, khi đó
0s A B x Eu
. Vậy
0E Fx s A B x
, hay là
0s A B E F x
0. Điều
đó có nghĩa là,
0 ,s A B E F
, hoặc cặp
,A B E F
không chính quy.
Do đó, hệ
'( ) - ( )Ax t B E F x t
0 không ổn định tiệm cận hoặc không chính quy.
Nghĩa là,
.V
Mặt khác, ta có, 11
0 sup
s
d G s G s
.
Vì là bé tuý ý, nên 1
sup
s
d G s
.
Do đó, 1
sup
s
d G s
.
Để ý rằng, hàm
G s
là hàm giải tích trên nửa mặt phẳng . Do đó
theo nguyên lý cực đại,
G s
đạt cực đại tại
s
hoặc trên biên
i
.
www.VNMATH.com
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
20
Vậy, 1
sup
s i
d G s
.
Sau đây, ta sẽ thấy rằng, nếu
0s
sao cho
0 sup
s
G s G s
thì
11
0 max ,s
d G s G s
và ma trận 1
1 *
0 ,F s A B E uy
sẽ là ma trận “xấu” với
d
.
Trường hợp hàm
G s
không đạt được giá trị lớn nhất tại một điểm
hữu hạn
s
thì lập luận trên không cho phép ta tìm được ma trận “xấu” sao
cho
d
như trong bán kính ổn định của hệ phương trình vi phân thường
(ngay cả khi chúng ta lấy giới hạn khi
s
). Bây giờ, ta sẽ chỉ ra rằng, nếu
G s
không đạt được giá trị lớn nhất trên
thì không có một ma trận
nào thoả mãn điều kiện
d
và hệ
'( ) - ( )Ax t B E F x t
0 là không ổn
định tiệm cận.
Thật vậy, giả sử ngược lại, có một ma trận như thế.
Lấy
0 ,s A B E F
và
x
là vectơ riêng của nó, nghĩa là,
0s Ax B E F x
0. Lập luận như trên ta thấy
1
1
0 0sup
s
G s G s d
.
Điều này là mâu thuẫn.
Hơn nữa, giả sử
ns
sao cho
ns
và
lim sup .n
s i
G s G s
Giả sử
n
tương ứng với
ns
được xây dựng như trên, khi đó hệ
0'-Ax B E F x
= 0 là ổn định. (Để ý rằng, chúng ta luôn có thể giả sử tồn
www.VNMATH.com
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
21
tại
0lim
n
n
, vì nếu không, ta sẽ lấy một dãy con
kn
của dãy bị chặn
n
sao cho
0lim .k
k
nn
)
Vì tập hợp các ma trận sao cho cặp
,A B E F
có chỉ số 1 là mở
nên ta suy ra chỉ số của
0,A B E F
phải lớn hơn 1.
Bây giờ, ta xét một trường hợp đặc biệt, trong đó
mE F I
(nhiễu
không cấu trúc). Như đã thấy, bán kính ổn định với nhiễu không cấu trúc là
1
sup
s i
d G s
, trong đó
1
.G s sA B
Ta chứng minh rằng, nếu
, 1ind A B k
, thì ma trận hàm G(s) là
không bị chặn trên
i
. Thật vậy,
1
1 1 -1
00
W
00
r
m r
BsI
sA B T
IsU
G s
1
1 -1
1
0
W
0
r
m r
sI B
T
sU I
1
1
-1
1
0
0
W
0
r
k
i
i
sI B
T
sU
khi
s
Tính không bị chặn của
G s
kéo theo
d
= 0. Nghĩa là với những nhiễu dù
rất nhỏ, thì phương trình vi phân đại số với chỉ số lớn hơn hay bằng 2 có thể
không còn ổn định tiệm cận được nữa.
Nếu
, 1ind A B
, dễ dàng chứng minh được rằng ,
G s
là bị chặn
trên , nghĩa là
d
> 0 nhưng có thể không tồn tại một ma trận “xấu”
nào, sao cho
d
.
Ta có định lý sau đây
www.VNMATH.com
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
22
Định lý 2.1.2.
i) Bán kính ổn định phức của (2.1.1) được cho bởi công thức
1
sup
s i
d G s
, trong đó
1
.G s F sA B E
ii) Tồn tại ma trận “xấu” :
d
khi và chỉ khi
G s
đạt được giá trị
lớn nhất trên
i
.
iii) Trong trường hợp
, mE F I d
0 khi và chỉ khi
,ind A B
1.
Một câu hỏi đặt ra ở đây, khi nào thì hàm
G s
đạt được giá trị lớn
nhất tại một giá trị hữu hạn
0s
? Chú ý đầu tiên là, câu trả lời phụ thuộc vào
việc chọn chuẩn của m vì
G s
có thể đạt được giá trị lớn nhất trong chuẩn
này nhưng không đạt giá trị lớn nhất trong một chuẩn khác.
Chúng ta có thể trả lời câu hỏi bằng cách khảo sát hàm số, nhưng ta
không thực hiện ở đây.
Các ví dụ
Trong các ví dụ sau đây, để đơn giản trong tính toán, chúng ta sử dụng
chuẩn maximum của vectơ và chuẩn ma trận tương thích.
Ví dụ 2.1.3.
Tính bán kính ổn định của hệ phương trình với nhiễu cấu trúc
'( ) - ( )Ax t B E F x t
0 trong đó là nhiễu và
1 0 1
0 1 1 ,
0 0 0
A
2 1 0
1 1 0 ,
1 0 1
B
1 1 1
1 1 1 ,
0 0 0
E
1 0 0
0 1 0 .
0 0 1
F
www.VNMATH.com
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
23
Ta thấy
,ind A B
2,
1
,
3
A B
. Do đó {A,B} là ổn định tiệm cận.
Tính toán trực tiếp, ta nhận được
1
3 1 3 1 3 1
1 1 1
.
3 1 3 1 3 1
3 1 3 1 3 1
s s s
s s s
s s s
G s F sA B E
s s s
s s s
s s s
Vậy,
3 1
1
3max ,
3 1
s
s
s
G s
s
đạt được max tại
0s
= 0 và
0G
3. Vì vậy,
1
.
3
d
Chọn
1
1
1
u thì 0 0G u G3.
Giả sử
* 0 1 0y
và ta có:
1
*
1
0 0
3
1
0 0 0 .
3
1
0 0
3
G uy
Hơn nữa,
det 2sA B E F s
0 khi
s
0.
Ví dụ 2.1.4.
Xét phương trình
'( ) - ( )Ax t Bx t
0, trong đó
1 2
2 4
A
và 1 2
.
2 0
B
Rõ ràng
,ind A B
1
,A B
-1 và
1
1
1 2
1 1
2 4
s
sG s sA B
www.VNMATH.com
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
24
vì vậy,
3 1
ax ,
4 2 1
s
G s m
s
không đạt được giá trị lớn nhất
trên
.
Hơn nữa,
3
lim
2s
G s
nên ta suy ra
2
3
d
.
Chọn 2 1
1
s i
u s
rõ ràng
u
1 và
G s u G s
khi phần thực
của
s
đủ lớn. Với
* 1 0 ,y
ta có 1
*G s uy
hội tụ về
2
0
3
2
0
3
khi
s
.
Dễ thấy,
8
det ,
3
sA B s
nghĩa là
,A B
và
phương trình
'( ) - ( )Ax t B x t
0. Tức là hệ
' '
1 2 1 2
' '
1 2 1
5
2 2 0,
3
4
2 4 0,
3
x x x x
x x x
có duy nhất nghiệm
1
2
0
0
x
x
vẫn ổn định tiệm cận, nghĩa là nhiễu ta vừa
chọn không “xấu”.
2.2. Liên hệ giữa bán kính ổn định thực và bán kính ổn định phức của hệ
phƣơng trình vi phân đại số
Trong mục này, chúng ta xét một trường hợp đặc biệt, khi
d d
. Đối
với phương trình vi phân đại số, đây là một bài toán không đơn giản, vì dưới
ảnh hưởng của cặp ma trận {A,B}, nón dương
n
có thể không còn bất biến
www.VNMATH.com
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
25
đối với quỹ đạo của hệ, ngay cả khi A, B đều dương. Trong luận văn này,
chúng tôi chỉ có thể giải bài toán với những giả thiết rất chặt.
Giả sử rằng
, , .m m mA B E F I
Định nghĩa 2.2.1.
i) Ma trận
ij
m mH
được gọi là dương, ký hiệu H > 0, nếu
ij
0,
, .i j
ii) Ma trận
ij
m mH
được gọi là không âm, ký hiệu
H
0, nếu
ij
0,
, .i j
iii) Giá trị tuyệt đối của ma trận
ij ,M m
ký hiệu
M
, là ma trận
ij ,m
tức là
M
=
ij ,m
với
1 2, ,..., .mx x x x
Trong m m ta định nghĩa quan hệ thứ tự như sau.
Định nghĩa 2.2.2.
i) Ma trận M được gọi là lớn hơn hoặc bằng ma trận N, ký hiệu là
,M N
nếu
M N
0.
ii) Số
, ax Re : ,A B m A B
được gọi là hoành độ phổ của
cặp ma trận {A,B}
Chúng ta xét phương trình
'( ) - ( )Ax t Bx t
0, (2.2.1)
trong đó A, B là các ma trận hằng cấp
m m
, cặp {A,B} là chính quy. Nếu
,ind A B
1, thì
d d
0, vì ta có thể lấy nhiễu thực nhỏ tuỳ ý và “xấu”
V
, sao cho bé tuỳ ý .Vì vậy ta chỉ xét trường hợp
,ind A B
1.
Ta đưa ra các giả thiết sau
i)
A
0.
ii)
1
, 0, : 0, .n n n nt t t t A B n
(2.2.2)
www.VNMATH.com
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
26
iii) Hệ (2.2.1) ổn định tiệm cận.
Chú ý rằng, nếu
det A
0 thì các điều kiện trên đảm bảo cho (2.2.1) là hệ
dương. Để bài toán đơn giản, ta sẽ chọn một chuẩn đơn điệu trong m , tức là
nếu các vectơ x và y thoả mãn
,x y
thì
.x y
(Ví dụ
1
1
, 1
m pp
ip
i
x x p
là chuẩn đơn điệu.)
Bổ đề 2.2.3. Giả sử hệ (2.2.1) thoả mãn các điều kiện (2.2.2), khi đó với mọi
sao cho
Re ,A B
ta có
1 1
.Re ,A B x A B x
với mỗi
mx
.
Chứng minh
Lấy
,nt t i
sao cho
, .nt t A B
Theo giả thiết
,t A B
, chúng ta phải chứng minh rằng
1 1
t i A B x tA B x
mx
. Bằng tính toán đơn giản, ta có
11 11
. .n m n nt i A B t A B I t t i A t A B
Đặt
1
n nG t t A B
, ta nhận được
11
.n m n nt i A B G t I t t i AG t
=
0
.
n
n
n n n
n
G t t t i AG t
(2.2.3)
Chuỗi trên hội tụ tuyệt đối, nếu chúng ta chứng minh được rằng
1n nt t i r AG t
, ở đây
r M
là bán kính phổ của M.
www.VNMATH.com
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
27
Trước tiên, ta thấy
lim .n n
nt
t t t i t
Do đó, với
, 0t A B
chúng ta có
,n nt t t i t A B
, với
nt
đủ lớn, nghĩa là
, .n nt A B t t i
Mặt khác, nhờ giả thiết i) và ii) ta có
nAG t
là ma trận không âm, theo
định lý Perron–Frobenius ta có
n n nr AG t AG t AG t
(với
nAG t
dương). Tức là,
det 0n nr AG t I AG t
.
Nhân cả hai vế với
1 1
.n
n
G t
r AG t
ta được
1
det 0n
n
t A B
r AG t
Điều đó, chỉ xảy ra khi
1
,n
n
t A B
r AG t
. Do đó,
1
, .n
n
t A B
r AG t
Thay
,n nt A B t t i
và nhân lên ta được
1n nt t i r AG t
.
Để ý rằng nếu
nr AG t
= 0 bất đẳng thức trên vẫn đúng.
Nghĩa là
1n nt t i r AG t
luôn đúng với
nAG t
là ma trận
không âm.
Như vậy ta đã chứng minh được chuỗi (2.2.3) hội tụ tuyệt đối.
Từ (2.2.3) ta có
1
0
nn
n n n
n
t i A B x G t t t i AG t x
www.VNMATH.com
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
28
= 1
n m n nG t I t t i AG t x
= 1
n nt t t i A B x
Cho
nt
, ta nhận được
1 1
t i A B x tA B x
Bổ đề 2.2.4.
1
0, , .G t tA B t A B
Hơn nữa
G t
đơn điệu giảm
trên
, ,A B
.
Chứng minh
Giả sử
0 ,t A B
. Sử dụng bổ đề 2.2.3, ta thấy rằng
0 0 0ReG t G t G t
, do đó
0 0G t
.
Sự đơn điệu giảm của
G t
trên
, ,A B
, được suy ra từ chứng
minh trên và từ
,s t A B
ta có
0G s G t t s G s AG t
.
Vì hàm
G s
là giải tích trên
, nên
G s
chỉ có thể đạt được giá trị
lớn nhất tại
s
hoặc
s i
. Hơn nữa, với chuẩn đơn điệu được chọn như
trong Bổ đề 2.2.3,
G s
đạt được giá trị lớn nhất trên
0, )
.
Mặt khác, nhờ Bổ đề 2.2.4,
G s
đạt được giá trị lớn nhất tại
0s
,
tức là
10 ax G :Re 0 .G m B
Từ định lý Perron - Frobenius,
0, 1: 0 0 ,u u G u G
nhờ sử
dụng định lý Hahn - Banach ta suy ra tồn tại một phiếm hàm tuyến tính
*y
sao cho
* 0 0 0y G u G u G
, và
* 1y
.
www.VNMATH.com
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
29
Giả sử 1
*0G uy
, bằng con đường như trong mục 2.1, chúng ta
có thể chỉ ra rằng
V
(tức là là ma trận thực, "xấu") và
d
. Ta đã
chứng minh được định lý dưới đây.
Định lý 2.2.5. Giả sử hệ (2.2.1) thỏa mãn các giả thiết i), ii), iii) và chuẩn
đơn điệu trong m đã được chọn, khi đó bán kính ổn định phức và bán kính
ổn định thực là bằng nhau, nghĩa là
d d
.
Như đã nói ở trên, giả thiết dương của
nG t
đối với một dãy
nt
là
mạnh và rất khó kiểm chứng. Ta cần đưa ra một điều kiện đủ, để đảm bảo các
giả thiết trên.
Định nghĩa 2.2.6. Giả sử hệ (2.2.1) tồn tại nghiệm
x t
thỏa mãn điều kiện
0 0x t x
. Hệ (2.2.1) được gọi là hệ dương nếu với mỗi
0
mx
, ,..., : 0, 1,2,...,
1 2
y y y y y i m
m i
, nghiệm
0, 0.x t t
Giả sử Q là một phép chiếu bất kỳ lên Ker A.
Đặt
1 ; mQ Q A BQ B P I Q
và
1B P A BQ B
. Khi đó, hệ
(2.2.1) tương đương với hệ
' 0,
0,
Px BPx
Qx
Ta biết rằng, ở đây, khi
0Qx
thì
+ , ' + ' '.Px Qx x Px Qx x
Do đó hệ (2.2.1) tương đương với hệ
' - 0,
0,
x Bx
Qx
(2.2.4)
Để ý rằng,
1G BQ Q
do đó BP PB B, ngoài ra Q không phụ thuộc và
việc chọn phép chiếu Q và
1 1
P A BQ P A BQ
, do đó B không phụ
thuộc vào việc chọn phép chiếu Q (xem [9], [17]).
www.VNMATH.com
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
30
Định nghĩa 2.2.7. Ma trận B được gọi là ma trận P - metzler nếu các phần tử
ijb
của B là không âm, có thể trừ các phần tử
ijb
ứng với i,j sao cho
ij 0p
.
Định lý 2.2.8. Hệ (2.2.1) là dương khi và chỉ khi
ij 0P p
và B là ma
trận P - metzler.
Chứng minh
Ta thấy hệ (2.2.1) dương khi và chỉ khi hệ (2.2.4) dương. Từ hệ (2.2.4)
suy ra nghiệm tổng quát của hệ (2.2.1) là
0
t Bx t e Px
. Vậy điều kiện hệ
(2.2.1) dương, kéo theo 0P (với t = 0).
Mặt khác, với t đủ nhỏ ta có:
0
0
!
n
t B
n
tB
e P P
n
0 !
n
n
tB
P P tB o t
n
khi
0t
Suy ra, nếu
ij 0p
thì
ij 0b
. Ngược lại, nếu B là ma trận P - metzler
và chú ý rằng BP PB B, nên với mỗi sao cho 0P B , chúng ta có:
tP t B P
tBe P e P
=
.
t B P
tPe e P
=
0 !
n
t B P
n
tP
Pe P
n
=
0 !
n
t B P
n
t
Pe P
n
= . 0Bt Pte e P
www.VNMATH.com
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
31
Định lý 2.2.9. Giả sử rằng hệ (2.2.1) là dương, thêm vào đó
1
0P A BQ
và
1
0Q A BQ
.
Khi đó,
1
0, 0G t tA B t
.
Chứng minh
Chú ý rằng:
1 1
A BQ tA B tP A BQ B
=
tP Q B
=
mm
Q
P tI B
t
Q
P tI P tQ B
t
.
Vậy
1
1 1
G t A BQ tA B A BQ
=
1
1
m
Q
P tI B A BQ
t
=
1 11 1
m mtI B P A BQ t tI B Q A BQ
=
1 11
mtI B P A BQ Q A BQ
. (2.2.5)
Vì B là P - metzler nên có một giá trị
0t
sao cho
0t t
ta có
1
1 1
m m
B
tI B P I P
t t
=
0
11
!
n
n
B
P
t t n
www.VNMATH.com
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
32
=
1
11 1
!
n
n
B
P
t t t n
=
1 1
0
B
P o
t t t
, khi
t
đủ lớn.
Vậy với giả thiết
1
0P A BQ
và
1
0Q A BQ
, hệ thức (2.2.5)
nói lên rằng
00,G t t t
. Lặp lại chứng minh của Bổ đề 2.2.4. ta suy ra
00,G t t
Ngoài ra, dễ dàng đưa ra một ví dụ, trong đó một hệ dương, nhưng giải
thức
1
tA B
lại không dương. Tới lúc này, ta vẫn không biết nếu các điều
kiện hệ dương được đảm bảo thì
d d
hay là không?
Câu trả lời vẫn còn là bài toán mở.
Bây giờ, ta xét một trường hợp đặc biệt, đặc trưng cho sự khác nhau
giữa hệ phương trình vi phân thường và hệ phương trình vi phân đại số.
Định lý 2.2.10.
Nếu
max
s i
G s
không đạt được tại một giá trị hữu hạn s thì
d d
.
Chứng minh
Từ (2.2.5) chúng ta thấy:
1
,,
lim lim
t ts s
G s G t Q A BQ
ax ,
s
m G s
trong đó
Q
, B được cho như trong (2.2.4). Giả sử
nt
là một dãy trong
0,
sao cho
lim nn
t
. Với mỗi n ta chọn
m
nu
và
*
n
y
với
*
T
m
ny
sao cho
www.VNMATH.com
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
33
*1; 1,n n n n nu y G t u G t
và
*
n n n ny G t G t u
như trong mục
2.1.2. Giả sử
*
1
n nn nG t u y
. Rõ ràng
nt
là một giá trị riêng của cặp
, nA B
với vectơ riêng tương ứng
1
n n nx t A B u
. Nghĩa là
n V
.
Dễ thấy rằng 1
lim limn nn n
G t d
, tức là
d d
.
Ví dụ 2.2.11. Tính bán kính ổn định của hệ
'- 0Ax Bx
với
1 0 0
0 1 0
0 0 0
A
,
2 1 0
1 1 1
0 0 1
B
Dễ thấy,
, 1,ind A B
3 5 3 5
, ;
2 2 2 2
A B
và
1 0 0
0 1 0
0 0 0
P ,
2 1 0
1 1 0
0 0 1
B
Do vậy B là P - metzler. Hơn nữa,
1
1 0 0
0 1 0 0
0 0 1
Q A BQ ,
1
1 0 0
0 1 1 0
0 0 1
P A BQ .
Khi đó,
0G s
với mỗi
0t
và nó đạt được giá trị lớn nhất tại
0 0s
với
1 1 1
0 1 2 2
0 0 1
G và 0G 5. Từ đó 1
5
d d
,
trong đó
1
0 0
5
1
0 0
5
1
0 0
5
.
www.VNMATH.com
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
34
CHƢƠNG III
BÁN KÍNH ỔN ĐỊNH CỦA HỆ PHƢƠNG TRÌNH VI PHÂN ĐẠI SỐ
TUYẾN TÍNH VỚI NHIỄU ĐỘNG
Chương này xét bài toán tìm bán kính ổn định của hệ phương trình vi
phân đại số tuyến tính biến đổi theo thời gian có dạng
' , 0A t x t B t x t t
(3.1)
trong đó
. 0, ;loc n nA L K
,
. 0, ;loc n nB L K
,
,K R
.
Bài toán này đã được các tác giả Nguyễn Hữu Dư, Vũ Hoàng Linh đề xuất và
giải quyết trên tạp chí phương trình vi phân số 230 (năm2006) trang 579 –
599. Đây là sự phát triển của công trình [12] của Jacob.
Ta giả sử
A t
là suy biến với mọi
0t
và
.KerA
là liên tục tuyệt đối. Bên
cạnh đó ta cũng giả sử rằng (3.1) sinh ra một toán tử ổn định mũ
, 0
,
t s
t s
, nghĩa là tồn tại hai hằng số dương M và sao cho
,
n n
t s
t s Me
K
,
0t s
(3.2)
Ta xét hệ (3.1) phụ thuộc vào sự nhiễu về cấu trúc có dạng
' . .A t x t B t x t E t F x t
,
0t
(3.3)
trong đó
. 0, ; n mE L K
và
. 0, ;
q n
F L K
là những ma trận
cho trước, xác định cấu trúc nhiễu và
0, ; 0, ;p p
qmL LK K
là
toán tử nhiễu chưa biết, được giả sử là tuyến tính, có tính động và là nhân
quả.
Thành công lớn nhất của Jacob là việc tìm ra công thức bán kính ổn định đăng
trong [12]. Trong công trình đó tác giả đã nghiên cứu về hệ hiện, đó là trường
hợp đặc biệt của (3.1) với A = I và cũng đã thành công trong việc chứng minh
bán kính ổn định bằng
www.VNMATH.com
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
35
0 0
0
0
1
0, ; , 0, ;0
sup : : ,
m q
p p
t
t t
L Lt
t
L L u t F t t s E s u s ds
K KL
(3.4)
3.1 Hệ phƣơng trình vi phân đại số tuyến tính với hệ số biến thiên
Ta xét hệ phương trình vi phân đại số tuyến tính:
' , 0A t x t B t x t q t t
(3.1.1)
trong đó A, B đã cho như trên,
0, ;loc nq L K
. Cho
N t
=
KerA t
, t.
Khi đó với những giả thiết về
.KerA
nói trên, tồn tại
Q t
liên tục tuyệt đối
trên
N t
, nghĩa là
0, ; n nQ C K
, Q là khả vi hầu khắp nơi,
2Q Q
, và
Im , 0Q t N t t
. Ta giả sử
' 0, ;loc n nQ L K
. P = I - Q, trong đó
P t
được chiếu dọc theo
N t
. Hệ (3.1.1) được viết lại như sau
'A t Px t B t x t q t
(3.1.2)
trong đó
: ' 0, ;loc n nB B AP L K
. Ta định nghĩa
G A BQ
.
Định nghĩa 3.1.1 (Xem [9, phần 1.2]) Phương trình vi phân đại số (3.1.1)
được gọi là có chỉ số 1 nếu
G t
khả nghịch với hầu hết
0,t
và
1 0, ;loc n nG L K
.
Giả sử hệ (3.1.1) có chỉ số 1. Chú ý rằng tính chất chỉ số 1 không phụ
thuộc vào phép chiếu
P Q
(xem [9], [16]). Ta xét tính thuần nhất trong
trường hợp
0q t
và xây dựng toán tử Cauchy sinh bởi (3.1.1).
Lấy: 1G A P , 1 1G B Q G BP
và nhân cả hai vế của (3.1.2) với 1PG , 1QG , ta có
1
1
' ' ,Px P PG B Px
Qx QG BPx
www.VNMATH.com
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
36
Như vậy hệ được chia làm hai phần: phần vi phân và phần đại số. Do
đó ta cần phải chỉ ra được giá trị đầu của phần vi phân. Đặt
u P x
thì phần
vi phân trở thành
1' 'u P PG B u
(3.1.3)
Phương trình này được gọi là phương trình vi phân thường (INHODE) của
(3.1.1). Nhân cả hai vế của (3.1.2) với Q ta có
' 'Qu Q Qu
Do đó INHODE (3.1.3) có các nghiệm không đổi thuộc
0Im P t
và các
nghiệm còn lại thuộc
Im ,P t t
. Giả sử
0 ,t s
là toán tử Cauchy sinh
bởi INHODE (3.1.3), nghĩa là
1
0 0
0
, ' , ,
,
d
dt
t s P PG B t s
s s I
Khi đó, toán tử Cauchy sinh bởi hệ (3.1.1) được xác định bởi
, , ,
, 0
d
dt
A t s B t s
P s s s I
và có thể cho bởi dạng
1
0, ,t s I QG B t t s P s
Bằng các lý luận ở [9, phần 1.2], [16], nghiệm duy nhất của bài toán giá trị
ban đầu (IVP) của (3.1.1) với điều kiện đầu
0 0 0 00, 0P t x t x t
(3.1.4)
được cho bởi công thức biến thiên hằng số
0
1 1
0 0 0, ,
t
t
x t t t P t x t PG q d QG q t
www.VNMATH.com
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
37
Chú ý 3.1.2 Tổng quát ta có, đẳng thức
0 0x t x
với mỗi
0
nx K
cho trước
không thể xác định như bài toán giá trị ban đầu của ODEs. Tuy nhiên, với
mỗi giá trị ban đầu liên hệ tới (3.1.1), (3.1.4) ta có
1 1
0 0 0 0 0x t I QG B t P t x QG q t
3.2 Nghiệm yếu và các khái niệm ổn định
Từ giờ ta coi các giả thiết sau là đúng
Giả thiết A1. Hệ (3.1) có chỉ số 1 và tồn tại
0, 0M
sao cho
0 , , 0
t s
t s P s Me t s
Giả thiết A2. 1PG , 1QG và 1:sQ QG B căn bản bị chặn trong 0,
Chú ý 3.2.1 Với những giả thiết trên ta có ngay một đánh giá sau
0
0
, , 1 esssup
t s
s s
t
t s I Q t t s P s Q t Me
có nghĩa là (3.2) cố định với hầu hết các giá trị
0t s
trong đó
0
: 1 esssup s
t
M Q t M
Ngoài ra, nhờ tính bất biến của nghiệm của INHODE (3.1.3), ta có
0 0, , ,P t t s P t t s P s t s P s
Ta cũng cần chú ý rằng các số hạng
1QG
,
sQ
không phụ thuộc vào phép
chiếu Q (xem [6], [16]) sau này chúng ta sẽ thấy rằng sự hạn chế tính bị chặn
của 1PG , 1QG sẽ bị yếu đi một mức độ nào đó.
Đầu tiên, khái niệm chỉ số được mở rộng cho hệ nhiễu (3.3) với toán tử
nhiễu
0, ; , 0, ;p p
q mL LK KL
được cho là nhân quả. Giả sử toán
tử tuyến tính
0, ; , 0, ;loc locp p
n nG L LK KL
www.VNMATH.com
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
38
được xác định như sau
. . , 0Gu t A BQ u t E FQ u t t
viết một cách hình thức ta có
11G E FQG G
(3.2.1)
Định nghĩa 3.2.2 Hệ phương trình vi phân đại số (3.3) có chỉ số 1 (nghĩa tổng
quát) nếu với mỗi T > 0, toán tử G giới hạn trong
0, ;p
nL T K
là khả nghịch
và toán tử nghịch đảo 1G bị chặn.
Định nghĩa 3.2.3 Ta nói rằng IVP của hệ nhiễu (3.3) với (3.1) có nghiệm yếu
nếu tồn tại
0 , ;
loc
p
nx L t K
thỏa mãn
00
0
1 1
0 0 0 ., , .
t
tt
t
x t P PG E Fx d QG E Fxt t t x t t
(3.2.2)
với
0t t
, khi đó
0
0
0
0, 0,
.
, ,t
t t
Fx
F t x t t t
Định nghĩa 3.2.4 Cho X, Y là hai không gian Banach và
: X YM
là toán tử
tuyến tính bị chặn. Ta nói rằng
M
là ổn định nếu nó khả nghịch và bị chặn,
nghĩa là
M
khả nghịch và nghịch đảo của nó bị chặn.
Bổ đề 3.2.5 Giả sử cho bộ ba toán tử tuyến tính bị chặn
: X YM
,
:Y ZP
,
: Z XN
, trong đó X, Y, Z là các không gian Banach. Khi đó
toán tử
I MPN
là khả nghịch nếu và chỉ nếu
I PNM
khả nghịch. Ngoài
ra nếu 1
P NM
thì hai toán tử
I MPN
và
I PNM
là ổn định.
Chứng minh:
Trước hết ta giả sử
I MPN
khả nghịch, bằng tính toán trực tiếp ta dễ
dàng có
www.VNMATH.com
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
39
1 1
I I IPNM PN MPN M
nghĩa là
I PNM
cũng khả nghịch. Ngoài ra nếu
1
I MPN
bị chặn thì
1
I PNM
cũng bị chặn. Để chứng minh ngược lại ta làm tương tự. Mệnh
đề thứ hai này là một hệ quả đơn giản của định lý nổi tiếng về giải tích hàm
(xem [13, pp, 231 - 232]).
Áp dụng bổ đề trên với
EM
,
P
,
1FQGN
. Ta có G là khả nghịch
nếu và chỉ nếu
1I FQG E
và
1I FQG E
là khả nghịch.
Định lý 3.2.6 Xét IVP (3.3), (3.1.4). Nếu (3.3) có chỉ số 1 thì nó có nghiệm
yếu duy nhất
0 , ;
loc nx L t K
trong đó Px liên tục tuyệt đối với mọi
0 00,
nt x K
. Bên cạnh đó, với mỗi T > 0 bất kỳ, tồn tại một hằng số M1 sao
cho
1 0 0 0, ,P t x t M P t x t t T
Chứng minh:
Chọn
0T t
bất kỳ và xét hệ nhiễu (3.3) trên
0,t T
. Khi đó hệ được
viết lại như sau
1 1
1 1
' ' ,Px P PG B Px PG E Fx
Qx QG BPx QG E Fx
Ta đặt
: , :u Px v Qx
. Nhân phương trình đại số với F, ta có
1 1I FQG E Fv FQG Bu E Fu
Theo giả thiết phương trình có chỉ số 1 và theo bể đề 3.2.5, rõ ràng toán tử
1I FQG E
là khả nghịch và bị chặn. Ta xác định
1
1 1:u I FQG E FQG Bu E FuV
www.VNMATH.com
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
40
Ta thấy
V
là tuyến tính, bị chặn và nhân quả. Thế
Fv uV
vào phần vi
phân, khi đó INHODE trở thành
1 1' 'u P PG B u PG E F uV
Bằng các dẫn chứng [12, định đề 3.2] thì INHODE có một nghiệm yếu duy
nhất và nghiệm này được cho bởi công thức biến thiên hằng số. Bằng cách đặt
x Px Qx u v
, ta có nghiệm yếu duy nhất từ (3.3). Dễ thấy nghiệm duy
nhất được tìm bởi công thức biến thiên hắng số (3.2.2) và phần vi phân
Px
là
liên tục tuyệt đối.
Để xác định phần còn lại, ta xác định toán tử
0 0: , ; , ;p p
n nL t T L t TW K K
1 1: 'u P PG B u PG E F uW V
Dễ thấy
W
là tuyến tính, bị chặn và là nhân quả. INHODE tương đương với
phương trình tích phân
0
0
t
u
t
u t u t dW
Lấy chuẩn trong
0 , ;p
nL t T K
, ta có
0
0
0
0, ;
, ;
.
n
p
n
p
t
uL t t
t
L t t
u u d
K
K
W
0 0
1
0
p pt s
u
t t
u d dsW (bất đẳng thức Minkowski)
0 0
1
0
t s p
p
u
t t
u d dsW
www.VNMATH.com
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
41
0
0
0 , ;
.
n
p
t
L t s
t
u u ds
K
W
Theo bất đẳng thức Gronwall – Bellman ta có
0
0
0 0, ;
.
n
p
T t T
L t t
u u e u e
W W
K
với mọi
00 t T
. Lấy chuẩn vectơ cho cả hai vế của phương trình tích
phân cho
u
và áp dụng bất đẳng thức Holder, ta có:
0
1
1
0 0
t p
p
q
t
u t u t t u dW
0
1
0 , ;
.
n
p
q
L t t
u t u
K
W
1
0 0
Tqu T u e
W
W
ở đây q là một số thoả mãn 1 1
1
p q
. Bằng cách đặt
1
1 01
TqM T u e
W
W
việc chứng minh hoàn tất.
Chú ý 3.2.7 Chúng ta cần phải chú ý tới một sự thật là DAEs (3.3), với những
điều kiện yếu của hệ số, chỉ có thành phần vi phân của nghiệm là phụ thuộc
liên tục vào điều kiện ban đầu.
Nghiệm yếu duy nhất của IVP (3.3) với điều kiện đầu (3.1.4) xác định bởi
0 0 0 0 0; , ; ,x t t x x t t P t x
. Dễ thấy là với t > T ta có sự biểu diễn sau
0 0 0 0; , , ; ,x t t x t T P T x T t x
+
0
1
0 0, ; ,
t
T
t
T
t PG E Fx t x d
+
0
1
0 0; ,T t
QG E Fx t x t
www.VNMATH.com
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
42
+
1
0 0, ; ,
t
T
T
t PG E Fx t x d
+
1
0 0; , T
QG E Fx t x t
(3.2.3)
Ta xác định các toán tử sau
0
0
1 1, ,
t
t
t
u t F t t PG E u d FQG E t u tL
0
0
1, ,
t
t
t
u t F t t PG E u dL
0
1 ,t u t FQG E t u tL
0
0
1 1, ,
t
t
t
u t t PG E u d QG E t u tM
0
0
1,
t
t
t
u t P t t PG E u dM
(3.2.4)
với mọi
0 0t t
,
0, ;p
mu L K
. Toán tử đầu tiên được gọi là toán tử vào
– ra liên kết với (3.3).
Ta dễ dàng xác định các kết quả bổ trợ dưới đây:
Bổ đề 3.2.8 Giả sử các giả thiết A1-A2 đúng. Khi đó:
(a)
0 0
0 0 0
, ; , ;, , , t tt p p
qm
t tL LK KL L L L
,
0
0 0 0
, ; , ;, , tt p p
m n
t tL LK KM M L
(b)
, 0t s t sL L
(c)
0
0
0
1supt t
t t
ess FQG E tL L
Tồn tại hai hằng số
2 3, 0M M
sao cho
www.VNMATH.com
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
43
(d)
2 , ;
, 0, , ; ,m
p
m
s pL s t
u t M u t s u L s t
K
M K
(e)
0
0 0 3 0 0 0 0, ;
, , 0, .
q
pL t
nF s P t x M P t x t x
K
K
Chú ý 3.2.9 Chú ý rằng các giả thiết bị chặn của 1PG , 1QG chỉ là điều kiện
đủ cho các tính chất (a) – (c). Vì vậy, vẫn còn khả năng nới lỏng giả thiết
này.
Định nghĩa 3.2.10 Giả sử các giả thiết A1, A2 đúng. Nghiệm tầm thường của
(3.3) được gọi là
pL
ổn định toàn cục nếu tồn tại các hằng số
4 5, 0M M
thoả
mãn
0 0 4 0 0; , ,n nP t x t t x M P t xK K
0
0 0 5 0 0, ;
; ,
n n
pL t
x t x M P t x
K K
. (3.2.5)
với mọi
0 0, .
nt t x K
Với mệnh đề sau ta sẽ thấy tính
pL
ổn định toàn cục không phụ thuộc
vào việc chọn phép chiếu
P Q
.
Mệnh đề 3.2.11 Giả sử các giả thiết A1, A2 đúng. Hai mệnh đề dưới đây là
tương đương:
(a) Nghiệm tầm thường của (3.3) là
pL
ổn định toàn cục.
(b) Nghiệm tầm thường của (3.3) là ổn định ra, nghĩa là tồn tại một hằng số
6 0M
sao cho với mọi
0 00,
nt x K
, ta có
0
0 0 6 0 0, ;
; ,
n n
pL t
F x t x M P t x
K K
(3.2.6)
Chứng minh:
(a) (b) hiển nhiên.
(b) (a). Do tính ổn định mũ, đánh giá (3.2) đúng. Với mọi
0 00,
nt t x K
ta có
www.VNMATH.com
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
44
0
0
0 0 0 0 0 0 0; , , ; ,t t
Px t t x P t t t P t x F x t x tM
0
0
0
0 0 2 0
, ;
; ,
m
p
t t
t
L t t
Me P t x M F x t x
K
0 0 2 6 0 0 4 0 0M P t x M M P t x M P t x
trong đó
4 2 6:M M M M
. Ngoài ra ta cũng có
0
0 0
0
0 0 0 0 0 0 0, ;
, ;
; , , ; ,
n
p n
p
tL t t
L t
x t x t P t x F x t x
K
K
M
0
0
0
1
0 6 0 0
p
pp t tp
t
t
M e Px dt M P t xM
5 0 0 ,M P t x
trong đó
0
1
5 6: p tM M p MM
3.3. Công thức bán kính ổn định
Đầu tiên khái niệm bán kính ổn định được giới thiệu trong [11], [12], [18] đã
được mở rộng đối với hệ phương trình vi phân đại số có chứa tham số thời
gian (3.1)
Định nghĩa 3.3.1 Cho các giả thiết A1, A2 đúng. Bán kính ổn định có cấu
trúc phức (thực) của (3.1) phụ thuộc vào nhiễu tuyến tính, động của (3.3)
được xác định bởi
, ; ,d A B E FK
=
inf ,
sao cho nghiệm tầm thường của
(3.3) không
pL
ổn định toàn cục hoặc (3.3) không có chỉ số
1
Khi
K C
ta có bán kính ổn định phức của (3.1).
Khi
K R
ta có bán kính ổn định thực của (3.1).
www.VNMATH.com
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
45
Chú ý 3.3.2 Chú ý nói rằng nếu hệ nhiễu không có chỉ số 1, khi đó, vấn đề giá
trị ban đầu không thể được đặt ra. Vì vậy, khá tự nhiên khi cần có chỉ số 1 cho
hệ nhiễu (3.3).
Mệnh đề 3.3.3 Cho các giả thiết A1, A2 đúng.
Nếu
0, ; , 0, ;p p
q mL LK KL
là nhân quả và thoả mãn
0
0
11
0
0
min sup ,t
t
L L
Khi đó hệ (3.3) có chỉ số 1 và nghiệm tầm thường của nó là
pL
ổn định toàn
cục.
Chứng minh:
Từ giả thiết, ta có
1
1
1
0
0
esssup
t
FQG E tL
Dựa vào bổ đề 3.2.5 và định nghĩa 3.2.2, dễ thấy hệ (3.3) có chỉ số 1. Do vậy
nó có nghiệm yếu duy nhất
0 0 0 0; , 0,
nx t t x t x K
.
Ta sẽ chứng minh tính ổn định ra. Cho
0T t
bất kỳ. Nhờ các chứng
minh ở định lý 3.2.6, tồn tại
7 0M
sao cho
00
0 0 7 0 0, ;, ;
; ,
qq
pp L t TL t T
FPx t x Fu M P t x
KK
.
và cũng bằng các dẫn chứng khi chứng minh định lý 3.2.6, ta có
0 0; ,FQx t t x Fv t u tV
.
Vì vậy
0
0 0 7 0 0, ;
; ,
q
pL t T
FQx t x M P t x
K
V
.
Đặt
8 71M M V
, ta nhận được
0
0 0 8 0 0, ;
; ,
q
pL t T
Fx t x M P t x
K
(3.3.1)
www.VNMATH.com
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
46
Cố định
0T t
sao cho
1TL
. Do những giả thiết trên , nên tồn tại
T. Từ (3.2.3) ta có
0
0 0 0 0; , , ; , T T tF t x t t x F t t T P T x T t x Fx tL
+
T T
Fx tL
,
t T
.
Vì vậy
0 0 , ;
; ,
q
pL T
Fx t x
K
0
0 0 , ;
, ;
, ; ,
q
p q
p
T T tL T
L T
F T P T x T t x Fx
K
K
L
+
, ; qp
T T
L T
Fx
K
L
0
0
3 0 0
, ;
; ,
q
p
T T t
L t T
M P T x T t x Fx
K
L
, ; qp
T T L T
Fx
K
L
hay tương đương với
0 0 , ;
1 ; ,
q
p
T L T
Fx t x
K
L
0
0
3 1 0 0
, ; qp
T T t
L t T
M M P t x Fx
K
L
Kéo theo
1
0 0 3 1 8 0 0, ;
; , 1
q
p
T TL T
Fx t x M M M P t x
K
L L
(3.3.2)
Từ (3.3.1) và (3.3.2) và đặt
1
6 8 3 1 8: 1 T TM M M M ML L
,
ta có
0
0 0 6 0 0, ;
; ,
q
pL t
Fx t x M P t x
K
.
Chứng minh xong.
www.VNMATH.com
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
47
Chú ý 3.3.4 Nếu
A t I
, thì hệ (3.1) là hệ phương trình vi phân thường.
Khi đó mệnh đề (3.3.3) được rút ra (xem [12], Định lý 4.3). Đồng thời, nhờ
bất đẳng thức Gronwall – Bellman và đánh giá ở định lý 3.2.6, chúng ta có
cách chứng minh ngắn gọn hơn nhiều so với việc dùng quy nạp trong [12].
Vậy, theo mệnh đề (3.3.3) bất đẳng thức
0
0
11
0
0
, ; , min sup ,t
t
d A B E FK L L
là đúng.
Tiếp theo, chúng ta chứng minh bất đẳng thức ngược lại.
Định nghĩa 3.3.5
Ta nói rằng toán tử nhân quả
0, ; , 0, ;m qp pL LQ K KL
có bộ
nhớ hữu hạn nếu tồn tại một hàm
: 0, 0,
sao cho
t t
và
0
t
I tQ
,
0t
. Hàm được gọi là hàm có bộ nhớ hữu hạn liên
quan tới
Q
.
Khi
0 00L L L
, thì bổ đề sau đơn giản chỉ là kết quả của [12, bổ đề 4.6].
Bổ đề 3.3.6
Tồn tại một dãy các toán tử nhân quả
0, ; , 0, ;m qn p pL LQ K KL
với
bộ nhớ hữu hạn sao cho
0lim 0n
n
L Q
Bổ đề 3.3.7 [12, bổ đề 4.7] Giả sử
1 0, ;
q
pf L K
,
2 0, ;
m
pf L K
với
1 1 2supp ,f T T
,
2 3 4supp ,f T T
với
1 2 3 40 T T T T
. Khi đó tồn tại
toán tử nhân quả
0, ; , 0, ;q mp pL LP K KL
thoả mãn
(a)
1 2 ,f fP
www.VNMATH.com
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
48
(b)
3 4supp ,f T TP
0, ; qpf L K
,
(c) nếu
0, ; qpf L K
với
1 2supp ,f T T
thì
0fP
,
(d)
2 1f fP
.
Bổ đề 3.3.8 [12, bổ đề 4.8] Giả sử
0, ; , 0, ;m qp pL LQ K KL
là
nhân quả và có bộ nhớ hữu hạn. Cho
1
0
sup t
t
SQ
. Khi đó tồn tại một toán
tử
0, ; , 0, ;q mp pL LP K KL
, các hàm
, 0, ;loc mpf g L K
và một số tự
nhiên
0N
sao cho
(a)
P
,
P
là nhân quả và
P
có bộ nhớ hữu hạn.
(b)
0, ; \ 0, ;loc m mp pf L LK K
và
0, ; \ 0, ;loc q qpf LQ K
,
(c)
0supp 0,g N
và
0supp 0,g NQ
,
(d)
0y tP
00,t N
,
0, ; mpy L K
,
(e)
I f gPQ
.
Bổ đề 3.3.9 Cho giả thiết A1 đúng,
0, ; , 0, ;q mp pL LK KL
là
nhân quả, t > 0 và
0 0, ;
n
px L K
. Khi đó hàm
0: ; ,u P t x t x
,
0,t
, thoả mãn
0, ; npu L t K
.
Chứng minh.
Theo chứng minh của Định lý 3.2.6,
0; ,P t x t x
thoả mãn
INHODE.
Từ [12, bổ đề 4.9] ta có
0: ; , 0, ;
n
pu P t x t x L K
www.VNMATH.com
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
49
Mệnh đề 3.3.10
Nếu
0
0
11
0
0
sup t
t
L L
thì với mọi ,
0
0
11
0
0
sup t
t
L L
, luôn tồn
tại một toán tử nhân quả
0, ; , 0, ;L q mp pL LK K
với sao
cho nghiệm tầm thường của (3.3) là không
pL
ổn định toàn cục.
Chứng minh.
Chứng minh tương tự như [12, Định lí 4.10], đầu tiên ta chọn một số
sao cho
1
0
0
sup t
t
SL
.
Theo bổ đề 3.3.6, tồn tại một dãy
0, ; , 0, ;m qn p pn L LQ K KL
, khi
đó mỗi
nQ
là một nhân quả và có bộ nhớ hữu hạn, sao cho
0lim 0.n
n
L Q
Do đó, tồn tại một số
1N
sao cho
1
0
sup n s
s
SQ
và
0
1
nQ L
với mọi
1n N
. Theo bổ đề 3.3.8 luôn tồn tại các toán tử
0, ; , 0, ;L q mn p pL LK K
, và các hàm
, 0, ;loc mn n pf g L K
và
các số tự nhiên
0,nN
,
1n N
sao cho các tính chất (a) - (e) của bổ đề 3.3.8 là
đúng. Khi đó
1
0 0
0
0, ; , 0, ;L
k q m
n n n n p p
k
I L LQ L Q L K K
với
1n N
. Hơn nữa, còn tồn tại
1N N
sao cho
1
0: 0, ; , 0, ;
q m
N N N p pI L LQ L K KL
(3.3.3)
thoả mãn . Dễ thấy là nhân quả và có bộ nhớ hữu hạn. Hơn nữa
0u t
với
0,0, Nt N
và
0, ; mpu L K
.
www.VNMATH.com
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
50
Ta đặt
0: N N N Ny I fQ L Q
.
Ta thấy
0, ; \ 0, ;loc q qN N p pf L LQ K K
và
0N NI Q L
là khả
nghịch trong
0, ; qpL KL
ta có
0, ; \ 0, ;loc q qp py L LK K
và từ
tính chất (e) của Bổ đề 3.3.8 ta mở rộng
0 N N N N N NI y I f gL Q Q Q
.
Đặt
0,0,
:
NN
f y
và
0, ,
:
NN
y y
với
00 0,N
t N N
ta có
0 N Ny t y t y t g tL Q
0 00N N
y t y tL L
0 0N N
f t y tL L
.
Đặt
0 0
:y N Nx t f t y tM M
,
0t N
(3.3.4)
Rõ ràng
0 0
0, ; \ 0, ;loc q qy N N p pF x f y y L LL L K K
.
Giả thiết
0, ; q nF L K
dẫn tới
0, ; \ 0, ;loc n ny p px L LK K
.
Ngoài ra ta cũng thấy
yx
là một nghiệm yếu (duy nhất) của hệ
1 1 1
1 1 1
' 'y y y
y y y
Px P PG B Px PG E Fx PG E f
Qx QG BPx QG E Fx QG E f
(3.3.5)
với điều kiện đầu
0 0 0yP N x N
. Nhờ giả thiết
1
0L
thì hệ các
phương trình vi phân đại số có chỉ số 1 và toán tử
1I FQG E
là khả
nghịch với nghịch đảo bị chặn. Vì vậy
www.VNMATH.com
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
51
1
1 1 1 1
y y yFQx I FQG E FQG BPx FQG E FPx FQG E f
Thế vào phương trình trên ta có
1 1' 'y y yPx P PG B Px PG E FPx
1
1 1 1 1
y yPG E I FQG E FQG BPx FQG E FPx h
, (3.3.6)
trong đó
1
1 1 1 1h t PG E I FQG E FQG E f t PG E f t
,
0t N
(3.3.7)
Từ đó cũng như 1
1 1
0
k
k
I FQG E FQG E
là các toán tử nhớ
hữu hạn và
f
là tựa compact, dễ thấy
h
cũng là tựa compact. Bằng một số
làm rõ ta có
0
; , .
t
y
N
Px t P t x t h d
Thật vậy, cho
zx
xác định bởi
0
1 1 1
; , .
t
z
N
z z z
Px t P t x t h d
Qx QG BPx QG E Fx QG E f
(3.3.8)
Rõ ràng là
zx
xác định và
0 , ;
loc n
z px L N K
. Ngoài ra, với
0t N
ta có thể
kiểm tra lại bằng tính toán
0
; ,
t
N
P t x t h d
www.VNMATH.com
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
52
0
1, , , ,
t t
N
P t t h P t t PG E F x h d d
0 0
1, , , ,
t t t
N N
P t t h d P t t PG E F x h d d
0 0 0
1, , , ,
t t
N N N
P t t h d P t t PG E F x h d d
0
,
t
N
P t t h d
0 0
1, , ,
t
N N
P t t PG E F P x h d d
0 0
1, , ,
t
N N
P t t PG E F Q x h d d
0 0 0
1
, , ,
t t t
z
N N N
P t t h d P t t PG E F d P t tx
1
1 1 1 1
z zPG E I FQG E FQG Bx FQG E F x d
Như vậy
zPx
cũng là một nghiệm yếu của (3.3.6). Vì tính duy nhất của
nghiệm, đẳng thức
y zPx Px
đúng. Theo định nghĩa ta có
y zx x
.
Bây giờ, ta giả sử nghiệm tầm thường của (3.3) là
pL
ổn định toàn cục.
Điều này chứng tỏ
0, ; ny pPx L K
. Cuối cùng ta sử dụng các đánh giá
sau
www.VNMATH.com
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
53
0
0 0
1
, ;
; ,
q
p
p pt
y L N
N N
Px P t x t h d dt
K
0 0
1
; ,
p pt
N N
P t x t h d dt
0
1
; ,
p
p
N
P t x t h dt d
(theo bđt Minkowski)
0
4
N
M h d
(vì
h
là tựa compact).
Kết quả là, cả
yFPx
và
yFQx
đều thuộc vào
0, ; qpL K
, mâu thuẫn
với
0, ; \ 0, ;loc q qy p pFx L LK K
. Vì vậy nghiệm tầm thường của (3.3)
không
pL
ổn định toàn cục. Chứng minh xong.
Mệnh đề 3.3.11 Với
0
bé tuỳ ý luôn tồn tại T > 0 và toán tử nhân quả
0, ; , 0, ;q mp pL T L TK KL
sao cho
1
0L
và toán tử
1I FQG E
là không ổn định.
Chứng minh.
Để chứng minh mệnh đề trên, đầu tiên ta chọn T > 0 sao cho
1 1
1
1 1
0
0 0
esssup esssup /3 /3
t T t
FQG E FQG E L
(3.3.9)
sau đó ta xây dựng dãy đơn điệu ngặt
0
0,n nT T
sao cho
1
1
1
1
0
,
esssup 2 /3
n nt T T
FQG E L
www.VNMATH.com
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
54
với n = 0, 1, … Theo định nghĩa của cận trên đúng, luôn tồn tại một tập
0,X T
dương đo được sao cho
11
1
0 2 /3 ,FQG E t t XL
.
Cho
0X
là độ đo của X và cho
inf t,t Xa
,
sup t,t Xb
. Rõ
ràng là
0 a b T
. Đặt
0T a
. Với n = 0, 1, … chọn
1nT T
sao cho độ
đo của
1,n nT T X
bằng
1/ 2nX
. Dễ thấy dãy
0n n
T
thoả mãn các
điều kiện trên.
Và ta cũng dễ thấy luôn tồn tại một dãy của
0, ; mn pf L T K
, với
1supp , ,n n nf T T
f
và
11
1
0nFQG Ef L
. Thay đổi điều kiện
của bổ đề 3.3.7 yếu một chút, luôn tồn tại toán tử nhân quả
0, ; , 0, ;q mn p pL T L TK KL
, n = 0, 1, … sao cho
1
1,n n nFQG f f
1
0 ,n L
1 2supp Δ , , 0, ; ,
q
n n n ph T T h L T K
nếu
0, ; qph L T K
với
1supp ,n nh T T
thì
0nh
.
Ta đặt
0
: ,n
n
f f
0
: n
n
h h
với
0, ; qph L T K
và
0:g f
. Dễ thấy rằng
0, ; , 0, ;q mp pL T L TK KL
là nhân quả,
1
0L
và
1
0I FQG E f f g
.
www.VNMATH.com
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
55
Xuất phát từ
0, ; mpf L T K
,
0, ; mpg L T K
mà toán tử
1I FQG E
có
nghịch đảo không bị chặn trong
0, ; , 0, ;m mp pL T L TK KL
.
Từ mệnh đề 3.3.3 – 3.3.11 ta sẽ xây dựng công thức cho bán kính ổn định.
Định lý 3.3.12 Cho các giả thiết A1, A2 đúng. Khi đó
0
0
11
0
0
, ; , min sup ,t
t
d A B E FK L L
Hệ quả 3.3.13 Cho A, B, E, F là thực và các giả thiết A1, A2 đúng. Khi đó
, ; , , ; ,d A B E F d A B E FC R
.
Chú ý 3.3.14 Ta chú ý rằng tính đơn điệu của
tL
được coi như một hàm của
t (xem bổ đề 3.2.8 (b)), ta có
0 0
0
0
1 1
0
sup limt t
tt
L L
.
So sánh với (3.4), ta thấy số hạng đặc biệt
1
0L
là độ đo duy trì tính
vững của chỉ số 1. Đó cũng chính là sự khác biệt giữa DAEs và ODEs.
3.4. Các trƣờng hợp đặc biệt
3.4.1 Các hệ nửa hiển
Hệ (3.1) được gọi là nửa hiển, nghĩa là
1
0
0 0
nI
A
, 11 12
21 22
B t B t
B t
B t B t
(3.4.1)
trong đó
1n
I
là ma trận đơn vị,
ij 1 i,j 2B
là các ma trận con có số chiều
tương ứng. Giả thiết chỉ số 1 có nghĩa rằng
22B t
là khả nghịch hầu khắp nơi
trong
0,
. Trong nhiều ứng dụng, hệ các DAEs xuất hiện dưới dạng nửa
hiển. Cho tập hợp
2
0, nQ diag I
và dễ dàng có
www.VNMATH.com
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
56
1 12
220
nI B
G
B
,
1
22 21
0 0
sQ
B B I
Ngoài ra, ta có
1
22 21
,
,
,
t s
t s
B B t s
trong đó
,t s
là toán tử sinh bởi sự khai triển phương trình vi phân thường
1
11 12 22 21' ,y B B B B y
(3.4.2)
nó được coi là ổn định mũ. Giả thiết A2 tương đương với các giả thiết về tính
bị chặn thực sự của
1
22B
,
1
22 21B B
và
1
12 22B B
. Ta xây dựng hai ma trận E,F được
viết lại dưới dạng suy biến như sau
1
2
E
E
E
,
1 2 F F F
trong đó các ma trận con có số chiều tương ứng. Bằng một vài tính toán với
ma trận ta có
0t
u tL
0
1 1 1
1 2 22 21 1 12 22 2 2 22 2 ,
t
t
F F B B t E B B E u d F B E u t
,
0
1
2 22 2( )t u t F B E u tL
,
0t t
(3.4.3)
Theo định lý 3.3.12, ta có
0
0
1
1
1
2 22 2
0
, ; , min lim , esssupt
t t
d A B E F F B E tK L
.
3.4.2 Hệ chính quy ẩn và hệ thuần đại số
Trước hết, ta xem xét hệ (3.1) với số hạng đầu A không suy biến hầu
khắp nơi. Và ta giả sử 1A là bị chặn hầu khắp nơi trong
0,
. Nhân cả hai
www.VNMATH.com
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
57
vế của hệ (3.1) với 1A ta được hệ hiển hoàn toàn đã được nghiên cứu trong
[12]. Áp dụng định lý 3.3.12 với việc chọn
, 0P I Q
là tầm thường và
duy nhất, công thức bán kính ổn định có được ở đây giống như trong [12].
Trường hợp A = 0, khi đó hệ (3.1) thật sự trở thành một hệ thuần đại số.
0 , 0B t x t t
.
Ta đặt
, 0Q I P
. Điều này tương đương với
B
là khả nghịch hầu khắp
nơi trong
0,
và nghịch đảo của nó là thực sự bị chặn. Dễ thấy hệ thuần
nhất có nghiệm tầm thường duy nhất. Hệ đại số ổn định đối với tất cả các hàm
0, ; npq L K
. Hệ không thuần nhất
B t x t q t
có nghiệm duy nhất
0, ; npx L K
và hệ này phụ thuộc vào tính liên tục của vế phải (Theo
chuẩn của
pL
). Theo ý nghĩa của các kết quả trong mục 3.3, mỗi toán tử nhiễu
với
1
1
1
0
0
esssup ,
t
FB E tL
(3.4.4)
hệ nhiễu còn lại là ổn định và (3.4.4) cho cận tốt nhất, nghĩa là với mỗi
0
luôn tồn tại nhân quả với
1
0L
làm mất tính ổn định của hệ đại
số.
3.4.3 Hệ bất biến theo thời gian
Ta giả sử tất cả các ma trận A, B, E,F đều bất biến theo thời gian. Dễ
thấy giả thiết A2 là không cần thiết. Bằng phép biến đổi của Fourier –
Plancherel như trong [11], phát biểu sau, mà thực chất là sự mở rộng của định
lý 2.1 trong [11] đối với hệ phương trình vi phân đại số có chỉ số 1, có thể
được chứng minh.
Mệnh đề 3.4.3.1 Cho A, B, E,F là bất biến theo thời gian, hệ (3.1) có chỉ số 1
và ổn định mũ. Nếu chọn p = 2 (xét tính ổn định của L2) thì
www.VNMATH.com
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
58
0
1
0 supt
i
F A B E
R
L L
.
Hàm
1
F A B E
được gọi là hàm truyền nhân tạo liên kết tới (3.1).
Ta chú ý rằng sự ổn định mũ của hệ bất biến theo thời gian (3.1) có nghĩa
chính xác là tất cả các giá trị riêng của cặp ma trận (A, B) có phần thực âm.
Như vậy hàm truyền được xác định trên trục ảo
iR
của mặt phẳng phức. Kết
quả là, định lý 3.3.12 có thể được viết lại như sau
Định lý 3.4.3.2 Cho A, B, E, F là bất biến theo thời gian, hệ (3.1) có chỉ số 1
và ổn định mũ. Nếu chọn p = 2 thì
11 1
0, ; , sup
i
d A B E F F A B EC
R
L
Chứng minh.
Ta cần chỉ ra
0 0L L
. Theo bổ đề 3.2.8 (c), ta dễ dàng xác định
được giới hạn
1 1lim F A B E FQG E
bằng cách biến đổi cặp ma trận hệ số (A, B) theo chuẩn Weierstrass –
Kronecker (xem [5], [9]) hoặc theo hệ nửa hiển (3.4.1) và làm rõ ra ta có:
1 1
0sup
i
F A B E FQG E
R
L
.
Từ định lý 3.4.3.2, việc tính bán kính ổn định đối với các hệ bất biến theo thời
gian đã được giải quyết một cách tối ưu và có thể giải bằng số, ví dụ xem [4],
[18]. Cuối cùng chúng tôi lưu ý là các đẳng thức trong định lý 3.4.3.2 mang
nghĩa chính xác là bán kính ổn định phức đối với sự nhiễu động được nghiên
cứu ở đây trùng với bán kính ổn định phức đối với sự nhiễu tĩnh (nghĩa là
là một ma trận bất biến theo thời gian) được xét trong [6], [7], [18]. Vì vậy
định lý 3.4.3.2 đã tổng quát được các kết quả trước đây của hệ tuyến tính
ODEs trong [10].
www.VNMATH.com
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
59
KẾT LUẬN
Bản luận văn này được trình bày trên cơ sở luận án [2] và bài báo [8] về
bán kính ổn định của hệ phương trình vi phân đại số tuyến tính với nhiễu
động và đã thu được một số kết quả như sau: Đưa ra được công thức cho bài
toán tìm bán kính ổn định phức của các hệ phương trình vi phân đại số tuyến
tính hệ số hằng, chỉ ra được rằng bán kính ổn định phức và bán kính ổn định
thực của hệ phương trình vi phân đại số là bằng nhau. Một định nghĩa về xây
dựng bán kính ổn định cho phương trình vi phân đại số tuyến tính có hệ số
phụ thuộc tham số thời gian được đưa ra. Ở mục cuối cùng, một vài trường
hợp đặc biệt cũng được xem xét, phân tích.
Những kết quả thu được còn khiêm tốn, các điều kiện đưa ra còn tương
đối ngặt song đây là những kết quả bước đầu mà chúng tôi thu được mang ý
nghĩa nhất định. Những kết quả đó đã mở ra một số vấn đề để có thể tiếp tục
nghiên cứu:
1. Bán kính ổn định thực của hệ phương trình vi phân đại số.
2. Nếu các điều kiện hệ dương được đảm bảo thì
d d R
hay là không.
3. Nới lỏng giả thiết A1, A2.
www.VNMATH.com
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
60
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt.
[1] Lê Thị Lan (2000), Một số tính chất của hệ phương trình vi phân tuyến
tính đại số 1, chỉ số 2, Luận văn thạc sĩ Toán học, Đại học Sư phạm Hà Nội,
Hà Nội.
[2] Đào Thị Liên (2004), Về sự ổn định của hệ phương trình vi phân và hệ
phương trình vi phân đại số, Luận án Tiến sĩ Toán học, Đại học Sư phạm Hà
Nội, Hà Nội.
[3] Phạm Văn Việt (2005), Về sự ổn định của nghiệm của một số phương
trình vi phân đại số, Luận án Tiến sĩ Toán học, Đại học Sư phạm Hà Nội, Hà
Nội.
Tiếng Anh.
[4] Bracke M. (2000), On stability radii of parametrized linear diffirential –
algebraic systems, PhD thesis, University of Kaiserslautern.
[5] Brenan K.E., Campbell S.L., Petzold L.R. (1996), Numerical Solution of
Initial Value Problems in Diffirential - Algebraic Equations, SIAM,
Philadelphia, PA.
[6] Nguyễn Hữu Dư (1999), “Stability radii for diffirential - algebraic
equations”, Vietnam J. Math. (27), 379-382.
[7] Nguyễn Hữu Dư, Vũ Hoàng Linh (2006), “Robust stability of implicit
linear systems containing a small parameter in ther leading tern”, IMA J.
math. Control Inform, (23), 67-84.
[8] Nguyễn Hữu Dư, Vũ Hoàng Linh (2006) , “Stability radii for linear time-
varying diffirential - algebraic equations with respect to dynamic
perturbations”, Journal of Differential Equations, (230), 579-599.
[9] Griepentrog E., März R. (1986), Diffirential - Algebraic Equations and
Their Numerical Treatment, Teubner - Texte Math., Teubner, Leipzig.
www.VNMATH.com
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
61
[10] Hinrichsen D., Pritchard A.J. (1992), “Destabilization by output
feedback, Differential Integral Equations” 5 (2), 357-386.
[11] Hinrichsen D., Pritchard A.J. (1986), “Stability radius for structured
perturbations and the algebraic Riccati equation”, Systems Control Lett. (8),
105-113.
[12] Jacob B. (1998), “A formula for the stability radius of time-varying
systems”, J. Diffirential Equations. (142), 167-187.
[13] Kolmogorov A.N., Fomin S.V. (1970), Introductory Real Analysis,
revised English ed., Dover, New York.
[14] Lamour R., März R., Mattheij R.M.M. (1992), On the stability behavious
of systems obtained by index - reduction, Fachbereich Mathematic, O - 1086
Berlin, PF1297, BRD, Berlin.
[15] März R. (1991), On quasilinear index 2 diffirential algebraic equations,
Fachbereich Mathematic, O - 1086 Berlin, PF1297, BRD, Berlin.
[16] März R. (1992), Numerical methods for diffirential - algebraic
equations, in: Acta Numer., Cambridge Univ. Press, Cambridge, pp. 141-198.
[17] März R. (1997), Extra-ordinary Diffirential Equation. Attempts to an
analysis of Algebraic System, Preprint N0 97-8, Humboldt Universitatzu
Berlin.
[18] Qiu L., Davision E.J. (1992), “The stability robustness of generalized
eigenvalues”, IEEE trans Automat Control, (37), 886-891.
www.VNMATH.com
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- LV-HE-PT-VI-PHAN-DAI-SO.pdf