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矩阵正定性的判别方法(3/5)—矩阵定号性判定定理 定理3-3中的合同变换是指对对称矩阵的同样序号的行和列同时作同样的初等变换。 上述三种判别实对称矩阵P的定号性的方法,各有千秋。但总的说来, 基于塞尔维斯特定理的方法计算量较大,若将该方法推广到判别非负定性和非正定性,则计算量成指数性地增加。 特征值判别法需求解高阶特征方程以获得特征值,计算较复杂,计算量也较大。 合同变换法对矩阵只作初等变换,计算简单,便于应用。 矩阵正定性的判别方法(4/5)—例5-2 例3-2 试用合同变换法判别下列实对称矩阵P的定号性: 解 先对对称矩阵P作合同变换如下 矩阵正定性的判别方法(5/5)—例5-2 因此,由定理3-3知,矩阵P为正定矩阵。 李雅普诺夫稳定性定理的直观意义(1/5) 2. 李雅普诺夫稳定性定理的直观意义 从平衡态的定义可知,平衡态是使得系统静止不动(导数为零,即运动变化的趋势为零)的状态。 从能量的观点来说,静止不动即不存在运动变化所需要的能量,即变化所需的能量为零。 通过分析状态变化所反映的能量变化关系可以分析出状态的变迁或演变,可以分析出平衡态是否稳定或不稳定。 下面通过一刚体运动的能量变化来简介李雅普诺夫稳定性定理的直观意义。 李雅普诺夫稳定性定理的直观意义(2/5) 右图所示动力学系统的平衡态在一定范围内为渐近稳定的平衡态。 对该平衡态的邻域,可定义其能量(动能+势能)函数如下: 其中x为位移, x’为速度,两者且选为状态变量。 在图中所示状态,v=-x’,由牛顿第二定律可知,其运动满足如下方程: m(-x’’)=mgcos?-fmgsin? 其中f为摩擦阻尼系数。 因此,有 mx’’=-mg(cos?-fsin?) 因此,能量的变化趋势(导数)为 V’=mx’x’’+mgx’cos? =-mgx’(cos?-fsin?)+mgx’cos? =mgx’fsin? 李雅普诺夫稳定性定理的直观意义(3/5) 当?取值为[0,90?],由于v的方向与x相反,x’为负,因此上式恒小于零。 即渐近稳定的平衡态,其正定的能量函数的导数(变化趋势)为负。 对小球向上运动时亦可作同样分析。 从直观物理意义的角度,也非常易于理解。 由于物体运动所受到的摩擦力作负功,由能量守恒定律可知,物体的能量将随物体运动减少, 即其导数(变化趋势)为负。 李雅普诺夫稳定性定理的直观意义(4/5) 再如右图所示的动力学系统,其平衡态在一定范围内为不稳定的平衡态。 对该平衡态的邻域,可定义其能量(动能+势能)函数如下: 由牛顿第二定律可知,其运动满足如下方程: ma=mgcos?-fmgsin? 因此,有 mx’’=mg(cos?-fsin?) 因此,能量的变化趋势(导数)为 李雅普诺夫稳定性定理的直观意义(6/5) V’=mx’x’’-mgx’cos?=mgx’(cos?-fsin?)-mgx’cos?=-mgx’fsin? 当?取值为[0,90?],由于x’为正,因此上式恒小于零。 即不稳定的平衡态,其负定的能量函数的导数(变化趋势)为负。 李雅普诺夫第二法的基本思想就是通过定义和分析一个在平衡态邻域的关于运动状态的广义能量函数来分析平衡态的稳定性。 通过考察该能量函数随时间变化是否衰减来判定平衡态是渐近稳定,还是不稳定。 基于上述关于函数的定号性的定义和上述物理意义解释,下面阐述李雅普诺夫第二法关于 平衡态稳定、 渐近稳定、 大范围渐近稳定和 不稳定 的几个定理。 李雅普诺夫稳定性定理的直观意义(7/5) (1) 渐近稳定性定理 定理3-4 设系统的状态方程为 x’=f(x,t) 其中xe=0为其平衡态。 若存在一个有连续一阶偏导数的正定函数V(x,t),满足下述条件: 1) 若V’(x,t)为负定的,则该系统在原点处的平衡态是一致渐近稳定的; 2) 更进一步,若随着||x||→?,有V(x,t)→?,那么该系统在原点处的平衡态是大范围一致渐近稳定的。 □ 渐近稳定性定理(1/7) 对上述李雅普诺夫稳定性定理的使用有如下说明: 此定理只为判别系统一致渐近稳定的充分条件,而非必要条件。 也就是说,若找到满足上述条件的一个李雅普诺夫函数,则系统是一致渐近稳定或大范围一致渐近稳定的。 但是,如果我们一时找不到这样的李雅普诺夫函数,也并不意味着平衡态就不是渐近稳定的。 此时,我们或者 继续寻找满足条件的李雅普诺夫函数,或者 可利用后续定理的结论来判别平衡态的渐近稳定性。 渐近稳定性定理(2/7) 2) 对于渐近稳定的平衡态,满足条件的李雅普诺夫函数总是存在的,但并不唯一。 3) 对于非线性系统,虽然具体的李雅普诺夫函数可证明所讨论的系统在平衡态的邻域内是渐近稳定的,但并不意味着在其他的区域系统是或不是渐近稳定的;
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