Mathématiques · Glossaire

Qu'est-ce que « stabilité (Lyapunov) » ?

Définition 19.10 Mathématiques universitaires — Licence 3 · Chapitre 19 — Équations différentielles ordinaires

Un équilibre est un point xˉ\bar x tel que F(xˉ)=0F(\bar x) = 0 (donc φt(xˉ)=xˉ\varphi_t(\bar x) = \bar x). Il est stable si pour tout ε>0\varepsilon > 0 il existe δ>0\delta > 0 tel que x0xˉ<δ\norm{x_0 - \bar x} < \delta implique que la solution existe pour tout t0t \geq 0 avec φt(x0)xˉ<ε\norm{\varphi_t(x_0) - \bar x} < \varepsilon ; asymptotiquement stable si de plus φt(x0)xˉ\varphi_t(x_0) \to \bar x pour tout x0x_0 voisin de xˉ\bar x.

Exemples

Exemple 19.9 (Le plan, classifié)

Pour x=Axx' = Ax avec AM2(R)A \in M_2(\R) inversible, le portrait de phase près de 00 est décidé par τ=trA\tau = \operatorname{tr}A et δ=detA\delta = \det A, via les valeurs propres λ±=τ±τ24δ2\lambda_\pm = \frac{\tau \pm \sqrt{\tau^2 - 4\delta}}2 :

  • δ<0\delta < 0 : valeurs propres réelles de signes opposés — un col ; deux trajectoires entrent, deux sortent, toutes les autres passent. Toujours instable.
  • δ>0\delta > 0, τ24δ\tau^2 \geq 4\delta : valeurs propres réelles de même signe (=signτ= \operatorname{sign}\tau) — un nœud, stable ssi τ<0\tau < 0 ; les trajectoires sont tangentes à la direction propre lente.
  • δ>0\delta > 0, τ2<4δ\tau^2 < 4\delta, τ0\tau \neq 0 : valeurs propres complexes conjuguées τ2±iω\frac\tau2 \pm \iu\omega — une spirale (foyer), stable ssi τ<0\tau < 0 ; les solutions sont eτt/2×\eu^{\tau t/2}\times rotations de période 2πω\frac{2\pi}\omega.
  • τ=0\tau = 0, δ>0\delta > 0 : valeurs propres purement imaginaires — un centre : orbites fermées (ellipses), stabilité sans stabilité asymptotique, exactement la frontière que le Théorème 19.12 ne peut trancher pour les systèmes non linéaires (l’équilibre bas du pendule, Problème 19.1, se situe ici).

La parabole frontière τ2=4δ\tau^2 = 4\delta porte les nœuds dégénérés (blocs de Jordan : trajectoires à une seule direction tangente). Tout se lit sur deux nombres — d’où le premier réflexe avant tout portrait de phase plan : calculer tr\operatorname{tr} et det\det ; p.ex. A=(011c)A = \bigl(\begin{smallmatrix}0 & 1\\ -1 & -c\end{smallmatrix}\bigr) (oscillateur amorti) : δ=1>0\delta = 1 > 0, τ=c\tau = -c : spirale stable pour 0<c<20 < c < 2, nœud stable pour c2c \geq 2 — sous-amortissement contre sur-amortissement, d’un coup d’œil.

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