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线性系统稳定性

/stability of linear systems/
最后更新 2024-06-14
浏览 213
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常系数和变系数线性系统的稳定性。

英文名称
stability of linear systems
所属学科
力学

对于常系数线性系统(即自治线性系统、时不变线性系统或定常线性系统),可通过其系数矩阵的特征值来判定其零解的稳定性,主要结果如下:

定理1  若常系数线性系统的系数矩阵的所有特征值的实部都是负的,则该线性系统的零解是渐近稳定的;若系数矩阵的所有特征值都具有非正实部,且其具有零实部的特征值仅对应单重初等因子(即单重特征值),则其零解是稳定的;若系数矩阵有正实部特征值,或者所有特征值都具有非正实部,且有对应于多重初等因子的零实部特征值(即多重特征值),则零解是不稳定的。

定理1既是充分条件,也是必要条件,其中系数矩阵的特征值实部的符号可以利用劳思‒赫尔维茨判据进行判定。

变系数线性系统(即非自治线性系统、时变线性系统,或非定常线性系统)的稳定性问题比较复杂,无法通过其系数矩阵的特征值实部的符号去判定稳定性。其中,周期线性系统是一类重要的变系数线性系统。当线性系统的系数为周期函数时,可以根据周期线性系统的弗劳开特理论,通过李雅普诺夫变换将其转化为常系数线性系统。李雅普诺夫变换不会改变系统的渐近性质,从而周期线性系统的稳定性可通过该常系数线性系统去确定,但是此时需要利用其系数矩阵的特征乘数的模(而不是特征值实部的符号)来判定其零平衡点的稳定性。值得指出,可化为常系数线性系统的变系数线性系统不止周期线性系统,这类线性系统称为可约系统,都可以用类似方法去研究其稳定性。

变系数线性系统一般不能利用系数矩阵的特征值来判定稳定性,但下述定理给出一个较为实用的判别法。

定理2 考虑时变线性系统,其中为常数矩阵。若的所有特征值都具有非正实部,且实部为0的特征值互不相同,且有界,则该时变线性系统的零解是稳定的;若的所有特征值都具有负实部,且,则其零解是渐近稳定的;若当时,连续,,且至少有一个特征值具有正实部,且在零解的每个邻域内均有解使得,则其零解不稳定。

  • 马知恩,周义仓.常微分方程定性与稳定性方法.北京:科学出版社,2009.

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