الرياضيات · المسرد

ما معنى استقرار (ليابونوف)؟

تعريف 19.10 الرياضيات الجامعية — السنة 3 · الفصل 19 — المعادلات التفاضلية العادية

موضع التوازن نقطةٌ xˉ\bar x تحقق F(xˉ)=0F(\bar x) = 0 (ومنه φt(xˉ)=xˉ\varphi_t(\bar x) = \bar x). ويكون مستقرًّا إذا وُجد من أجل كل ε>0\varepsilon > 0 عددٌ δ>0\delta > 0 بحيث يستلزم x0xˉ<δ\norm{x_0 - \bar x} < \delta وجود الحل من أجل كل t0t \geq 0 مع φt(x0)xˉ<ε\norm{\varphi_t(x_0) - \bar x} < \varepsilon؛ ويكون مستقرًّا مقاربًا إذا كان فوق ذلك φt(x0)xˉ\varphi_t(x_0) \to \bar x من أجل كل x0x_0 بجوار xˉ\bar x.

أمثلة

مثال 19.9 (المستوي، مصنَّفًا)

من أجل x=Axx' = Ax مع AM2(R)A \in M_2(\R) قابلة للقلب، تتحدّد صورة الطور بجوار 00 بالعددين τ=trA\tau = \operatorname{tr}A و δ=detA\delta = \det A، عبر القيمتين الذاتيتين λ±=τ±τ24δ2\lambda_\pm = \frac{\tau \pm \sqrt{\tau^2 - 4\delta}}2:

  • δ<0\delta < 0: قيمتان ذاتيتان حقيقيتان مختلفتا الإشارة — أي سرج؛ فيدخل مساران ويخرج مساران، وتمرّ البقية مرورًا. وهو غير مستقر دائمًا.
  • δ>0\delta > 0 و τ24δ\tau^2 \geq 4\delta: قيمتان ذاتيتان حقيقيتان بالإشارة نفسها (=signτ= \operatorname{sign}\tau) — أي عقدة، مستقرة إذا وفقط إذا كان τ<0\tau < 0؛ والمسارات مماسّة للاتجاه الذاتي البطيء.
  • δ>0\delta > 0 و τ2<4δ\tau^2 < 4\delta و τ0\tau \neq 0: قيمتان ذاتيتان عقديتان مرافقتان τ2±iω\frac\tau2 \pm \iu\omega — أي حلزون (بؤرة)، مستقر إذا وفقط إذا كان τ<0\tau < 0؛ والحلول دورانات eτt/2×\eu^{\tau t/2}\times بالدور 2πω\frac{2\pi}\omega.
  • τ=0\tau = 0 و δ>0\delta > 0: قيمتان ذاتيتان تخيّليتان محضتان — أي مركز: بمدارات مغلقة (قطوع ناقصة)، واستقرارٌ دون استقرار مقارب، وهو بالضبط الحدّ الفاصل الذي لا تستطيع المبرهنة 19.12 البتّ فيه من أجل الجمل غير الخطية (وهنا يجلس موضع توازن النواس السفلي، المسألة 19.1).

ويحمل القطع المكافئ الحدّي τ2=4δ\tau^2 = 4\delta العقدَ المنحلّة (أي كتل جوردان: بمسارات ذات اتجاه مماس واحد). وكل شيء يُقرأ من عددين — ولهذا يكون أول ردّ فعل قبل أي صورة طور مستوية هو حساب tr\operatorname{tr} و det\det؛ فمثلًا A=(011c)A = \bigl(\begin{smallmatrix}0 & 1\\ -1 & -c\end{smallmatrix}\bigr) (المذبذب المخمَّد): δ=1>0\delta = 1 > 0 و τ=c\tau = -c: أي حلزون مستقر من أجل 0<c<20 < c < 2، وعقدة مستقرة من أجل c2c \geq 2 — أي التخميد الناقص مقابل التخميد الزائد، في لمحة واحدة.

اقرأ في الفصل ←