
Stabilita
Definice 3.1. (Persidskij [1903-1970]). Nechť je řešení systému Autonomní systémy a kvalitativní teorie (1) definované na intervalu
Řešení
se nazývá stejnoměrně stabilní, jestliže ke každému
existuje
tak, že pro každé
všechna řešení
systému Autonomní systémy a kvalitativní teorie (1) splňující podmínku
existují pro všechna
a splňují pro ně nerovnost
Není-li řešení systému Autonomní systémy a kvalitativní teorie (1) stejnoměrně stabilní, nazývá se nestabilní.
Definice 3.2. (Ljapunov [1857-1918]). Nechť je řešení systému Autonomní systémy a kvalitativní teorie (1) definované na intervalu
Řešení
se nazývá stejnoměrně asymptoticky stabilní, je-li stejnoměrně stabilní a existuje
tak, že pro každé
a všechna řešení
systému Autonomní systémy a kvalitativní teorie (1) splňující podmínku
platí
Ze struktury prostoru řešení lineárního homogenního systému s konstantními koeficienty (sr. ref{rSLRk}) plynou následující tři věty.
Věta 3.3. Buď konstantní matice. Jestliže všechny kořeny její charakteristické rovnice
(vlastní čísla matice
) mají nekladnou reálnou část a ty s nulovou reálnou částí jsou jednoduché, pak řešení
lineárního autonomního systému
|
(11) |
je stejnoměrně stabilní.
Věta 3.4. Jestliže alespoň jedno vlastní číslo matice má kladnou reálnou část, pak řešení
lineárního autonomního systému Autonomní systémy a kvalitativní teorie (11) je nestabilní.
Věta 3.5. Řešení lineárního autonomního systému Autonomní systémy a kvalitativní teorie (11) je stejnoměrně asymptoticky stabilní právě tehdy, když každé vlastní číslo matice
má zápornou reálnou část.
Uvažujme nyní perturbovaný lineární systém s konstantními koeficienty
|
(12) |
Věta 3.6. Buď fundamentální matice řešení systému Autonomní systémy a kvalitativní teorie (11). Jestliže existují konstanty
a
takové, že
|
(13) |
a pro
pak řešení
systému Autonomní systémy a kvalitativní teorie (12) je stejnoměrně asymptoticky stabilní.
Důkaz. J. Kalas, M. Ráb: Obyčejné diferenciální rovnice. MU, Brno 2001, str. 130-131.
Poznámka 3.7. Podmínka Autonomní systémy a kvalitativní teorie (13) zaručí stejnoměrnou asymptotickou stabilitu nulového řešení systému Autonomní systémy a kvalitativní teorie (11). Věta říká, že je-li perturbace v jistém smyslu dostatečně malá, zůstává zachována stejnoměrná asymptotická stabilita nulového řešení rovnice Autonomní systémy a kvalitativní teorie (12).
Z hlediska aplikací je důležité vyšetřování stejnoměrné asymptotické stability konstantních řešení (stacionárních bodů) rovnice Autonomní systémy a kvalitativní teorie (1).
Je-li funkce dvakrát spojitě diferencovatelná a
pak podle Taylorovy věty pro funkce více proměnných platí
kde a
je příslušný Taylorův zbytek. Vyšetřování stejnoměrné asymptotické stability konstantních řešení rovnice Autonomní systémy a kvalitativní teorie (1) lze transformací
převést na vyšetřování stejnoměrné asymptotické stability nulového řešení rovnice
kde a tu vyšetřit podle věty Autonomní systémy a kvalitativní teorie 3.6.
Věta 3.8. Buď stacionární bod systému Autonomní systémy a kvalitativní teorie (1) a nechť zobrazení
je spojitě diferencovatelné.
Mají-li všechna vlastní čísla variační matice záporné reálné části, pak konstantní řešení
systému Autonomní systémy a kvalitativní teorie (1) je stejnoměrně asymptoticky stabilní.
Pokud existuje vlastní číslo variační matice s kladnou reálnou částí, pak je konstantní řešení
systému Autonomní systémy a kvalitativní teorie (1) nestabilní.
Důkaz. J. Kalas, M. Ráb: Obyčejné diferenciální rovnice. MU, Brno 2001, str. 137-138.
První tvrzení věty Autonomní systémy a kvalitativní teorie 3.8 říká, že stok je asymptoticky stabilní, sr. def. Autonomní systémy a kvalitativní teorie 1.5.