Matemáticas · Glosario

¿Qué es estabilidad (Lyapunov)?

Definición 19.10 Matemáticas universitarias — Grado 3 · Capítulo 19 — Ecuaciones diferenciales ordinarias

Un equilibrio es un punto xˉ\bar x con F(xˉ)=0F(\bar x) = 0 (de modo que φt(xˉ)=xˉ\varphi_t(\bar x) = \bar x). Es estable si para todo ε>0\varepsilon > 0 existe δ>0\delta > 0 tal que x0xˉ<δ\norm{x_0 - \bar x} < \delta implica que la solución existe para todo t0t \geq 0 con φt(x0)xˉ<ε\norm{\varphi_t(x_0) - \bar x} < \varepsilon; asintóticamente estable si además φt(x0)xˉ\varphi_t(x_0) \to \bar x para todo x0x_0 próximo a xˉ\bar x.

Ejemplos

Ejemplo 19.9 (El plano, clasificado)

Para x=Axx' = Ax con AM2(R)A \in M_2(\R) invertible, el retrato de fases cerca de 00 lo deciden τ=trA\tau = \operatorname{tr}A y δ=detA\delta = \det A, a través de los valores propios λ±=τ±τ24δ2\lambda_\pm = \frac{\tau \pm \sqrt{\tau^2 - 4\delta}}2:

  • δ<0\delta < 0: valores propios reales de signos opuestos — un punto de silla; dos trayectorias entran, dos salen y todas las demás pasan de largo. Siempre inestable.
  • δ>0\delta > 0, τ24δ\tau^2 \geq 4\delta: valores propios reales del mismo signo (=signτ= \operatorname{sign}\tau) — un nodo, estable si y solo si τ<0\tau < 0; las trayectorias son tangentes a la dirección propia lenta.
  • δ>0\delta > 0, τ2<4δ\tau^2 < 4\delta, τ0\tau \neq 0: valores propios complejos conjugados τ2±iω\frac\tau2 \pm \iu\omega — una espiral (foco), estable si y solo si τ<0\tau < 0; las soluciones son rotaciones eτt/2×\eu^{\tau t/2}\times de periodo 2πω\frac{2\pi}\omega.
  • τ=0\tau = 0, δ>0\delta > 0: valores propios imaginarios puros — un centro: órbitas cerradas (elipses), estabilidad sin estabilidad asintótica, exactamente el caso frontera que el Teorema 19.12 no puede decidir para sistemas no lineales (el equilibrio inferior del péndulo, el Problema 19.1, se sitúa aquí).

La parábola frontera τ2=4δ\tau^2 = 4\delta alberga los nodos degenerados (bloques de Jordan: trayectorias con una única dirección tangente). Todo se lee en dos números — por eso el primer reflejo ante cualquier retrato de fases plano es calcular tr\operatorname{tr} y det\det; por ejemplo, A=(011c)A = \bigl(\begin{smallmatrix}0 & 1\\ -1 & -c\end{smallmatrix}\bigr) (oscilador amortiguado): δ=1>0\delta = 1 > 0, τ=c\tau = -c: espiral estable para 0<c<20 < c < 2, nodo estable para c2c \geq 2 — subamortiguamiento frente a sobreamortiguamiento, de un vistazo.

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