Bán kính ổn định của hệ phương trình vi phân đại số có chậm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA TOÁN - CƠ - TIN HỌC PHẠM KIM QUÝ BÁN KÍNH ỔN ĐỊNH CỦA HỆ PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN ĐẠI SỐ CÓ CHẬM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA TOÁN - CƠ - TIN HỌC PHẠM KIM QUÝ BÁN KÍNH ỔN ĐỊNH CỦA HỆ PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN ĐẠI SỐ CÓ CHẬM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Ngành: Toán ứng dụng Mã số: 60460112 Cán hướng dẫn: PGS TSKH Vũ Hoàng Linh Hà Nội - 2015 LỜI CẢM ƠN Trước trình bày nội dung luận văn, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS TSKH Vũ Hoàng Linh, người dành nhiều thời gian, công sức để hướng dẫn tận tình bảo suốt trình thực luận văn Nhân em xin gửi lời cảm ơn đến ban lãnh đạo thầy cô giáo, anh/chị cán trường ĐHKHTN - ĐHQGHN nói chung khoa Toán - Cơ - Tin học nói riêng tạo điều kiện thuận lợi nhất, giúp đỡ em thời gian em học tập, nghiên cứu trường Tôi xin cảm ơn anh chị bạn chuyên ngành Toán ứng dụng động viên ý kiến trao đổi quý báu thân thời gian qua Cuối xin bày tỏ lòng biết ơn gia đình, người thân chỗ dựa tinh thần vật chất sống học tập Hà Nội, ngày 01 tháng 05 năm 2015 Học viên Phạm Kim Quý DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT • AC([0, ∞), Cn): Không gian hàm liên tục tuyệt đối từ [0, ∞) vào Cn • C: Tập số phức k • Cpw (I, Cn): Không gian hàm khả vi liên tục khúc cấp k từ I vào Cn • diag(σ1, σ2): Ma trận đường chéo với phần tử chéo σ1 , σ2 • K: K = R K = C • PTVP: Phương trình vi phân • PTVP ĐS: Phương trình vi phân đại số • R: Tập số thực • rank A: Hạng ma trận A Mục lục Lời cảm ơn Mở đầu Một số kiến thức chuẩn bị 1.1 Một số khái niệm ma trận 1.1.1 Ma trận Metzler, ma trận dương Nghịch đảo Drazin 1.1.2 Khai triển kì dị 1.1.3 Phổ số 10 1.2 Chuẩn véc-tơ chuẩn ma trận 12 1.3 Một số khái niệm phương trình vi phân 13 Một số kết bán kính ổn định 16 2.1 Bán kính ổn định hệ phương trình vi phân đại số 16 2.2 Bán kính ổn định phương trình vi phân thường có chậm 27 2.2.1 Bán kính ổn định PTVP thường có chậm 28 2.2.2 Hệ dương có chậm 30 Bán kính ổn định hệ phương trình vi phân đại số có chậm 33 3.1 Các khái niệm mở đầu 34 3.2 Tính ổn định mũ phương trình vi phân đại số có chậm 39 3.3 Tính ổn định mũ vững 44 Tài liệu tham khảo 58 Mở đầu Bài toán bán kính ổn định PTVP ĐS có chậm (Delay Differential Algebraic Equations) toán nghiên cứu tính ổn định, ổn định vững xây dựng công thức tính toán bán kính ổn định thực/phức cho PTVP ĐS có chậm, dạng: E x(t) ˙ = Ax(t) + Dx(t − τ ), E, A, D ∈ Cn×n, x : I → Cn , I = [0, ∞), τ > độ trễ thời gian, det E = Trong tài liệu này, tính chất P hệ gọi vững tính chất bảo toàn nhiễu tùy ý ε (đủ nhỏ) tác động lên hệ Ngoài việc quan tâm tới tính vững tính chất, người ta quan tâm tới độ vững tính chất mà đại lượng quan trọng để đánh giá khái niệm bán kính thuộc tính (được đo mê-tric tương thích) Trong khuôn khổ luận văn, tính chất P xét tính ổn định, hệ xét hệ PTVP ĐS có chậm tuyến tính hệ số hằng, chịu tác động nhiễu có cấu trúc PTVP ĐS có chậm trường hợp tổng quát PTVP ĐS (Differential Algebraic Equations) PTVP thường có chậm (Delay Ordinary Differential Equations) Trong PTVP ĐS mô hình toán học cho nhiều hệ động lực nhiều lĩnh vực ứng dụng chẳng hạn mô mạch điện, lý thuyết điều khiển, động lực chất lỏng, kĩ thuật hóa học, PTVP ĐS có chậm cần thiết để mô hình hóa tác động không tức thời (có chậm) Không giống trường hợp PTVP thường có chậm PTVP ĐS, việc nghiên cứu tính ổn định PTVP ĐS có chậm gặp nhiều khó khăn bao gồm phần ràng buộc đại số độ trễ thời gian, chí lý thuyết tồn nghiệm thu nhiều kết Khó khăn rõ rệt phân tích tính ổn định Hầu hết kết biết tính ổn định PTVP ĐS có chậm trường hợp quy có hệ số vài trường hợp có dạng đặc biệt Nhiều kết biết PTVP thường có chậm PTVP ĐS chuyển sang PTVP ĐS có chậm Bài báo [5] sở thực luận văn Trong tài liệu này, tác giả nghiên cứu tính ổn định hệ thông qua mối quan hệ tập phổ với tập C− với số điều kiện kèm theo Và để thu công thức tính toán bán kính ổn định PTVP ĐS có chậm, việc phân tích phức tạp với việc sử dụng hàm truyền G(λ)(transf erf unctions) Trong luận văn, tác giả đề cập đến dạng PTVP tuyến tính hệ số Luận văn gồm 56 trang, phần mở đầu, kết luận tài liệu tham khảo, luận văn gồm có ba chương: ⋄ Chương Một số kiến thức chuẩn bị Trong chương này, tóm tắt số kiến thức sử dụng luận văn, chủ yếu kiến thức mở rộng ma trận, véc-tơ chuẩn ⋄ Chương Một số kết bán kính ổn định Nội dung chương giới thiệu số kết công thức bán kính ổn định PTVP ĐS PTVP thường có chậm tuyến tính hệ số trường hợp đặc biệt phương trình vi phân đại số có chậm ⋄ Chương Bán kính ổn định hệ phương trình vi phân đại số có chậm Chương nội dung luận văn Trong đó, phân tích chứng minh kết bán kính ổn định phức PTVP ĐS có chậm tuyến tính hệ số Và kết đưa công thức tính toán bán kính ổn định Quá trình tìm hiểu, nghiên cứu vấn đề không tránh khỏi sai sót, hạn chế Do đó, em mong nhận góp ý thầy cô để luận văn hoàn chỉnh Chương Một số kiến thức chuẩn bị Trong chương này, trình bày tóm tắt số kiến thức cần dùng cho phân tích, chứng minh luận văn vài ví dụ minh họa Cụ thể số kiến thức mở rộng ma trận, chuẩn vài kiến thức PTVP 1.1 Một số khái niệm ma trận 1.1.1 Ma trận Metzler, ma trận dương Nghịch đảo Drazin Định nghĩa 1.1 Cho ma trận A = [aij ] ∈ Rn×n, ≤ i, j ≤ n Khi đó: A gọi ma trận Metzler tất phần tử, ngoại trừ phần tử đường chéo chính, không âm, tức aij ≥ 0, ∀i = j A gọi ma trận không âm (nonnegative matrix) viết A ≥ aij ≥ 0, ∀i, j = 1, 2, , n A gọi ma trận dương (positive matrix) tất phần tử A dương, tức aij > 0, ∀i, j = 1, 2, , n, kí hiệu A > Trong đại số tuyến tính, biết đến khái niệm ma trận nghịch đảo ma trận vuông khả nghịch Mở rộng khái niệm có khái niệm nghịch đảo khác, chẳng hạn: nghịch đảo nhóm, nghịch đảo Drazin, nghịch đảo suy rộng Trong phần trình bày khái niệm nghịch đảo Drazin vài kết liên quan Định nghĩa 1.2 Cho ma trận A ∈ Cn×n Khi đó: Số tự nhiên k gọi số A kí hiệu ind(A) = k k số tự nhiên nhỏ thỏa mãn rank Ak = rank Ak+1 Ma trận X ∈ Cn×n gọi nghịch đảo Drazin A X thỏa mãn đồng thời biểu thức Ak XA = Ak , XAX = X, AX = XA Trong đó, k = ind(A) Nghịch đảo Drazin ma trận A kí hiệu AD Từ định nghĩa ta có rằng, khái niệm nghịch đảo thông thường trường hợp đặc biệt nghịch đảo Drazin, tức A khả nghịch theo nghĩa thông thường AD = A−1 Ta có số kết sau nghịch đảo Drazin Định lý 1.3 Trong định lý ta xét ma trận vuông Khi ta có khẳng định sau: (a) Nghịch đảo Drazin ma trận A tồn nhất, (b) Nghịch đảo Drazin ma trận lũy linh ma trận không, (c) Nếu P ma trận chiếu, P = P , có số ind P ≤ P D = P , (d) (A∗ )D = (AD )∗ , (e) (AT )D = (AD )T Ví dụ sau ma trận nghịch đảo Drazin ma trận suy biến Ví dụ 1.1 Xét ma trận: 0 A= 0 0 Ta có rank A = 2, rank A2 = rank A3 = nên ind(A) = Vì det A = 0, nên không tồn A−1 Tuy nhiên ta kiểm tra 0 X= 0 0 0 thỏa mãn điều kiện Định nghĩa 1.2, tức AD = X 1.1.2 Khai triển kì dị Khai triển kì dị (Singular Value Decomposition) công cụ đại số tuyến tính mạnh hữu dụng, sử dụng nhiều toán liên quan đến ma trận mà áp dụng phương pháp khử Gauss hay phân tích LU cho kết với sai số lớn Phân tích SVD dựa định lý sau, xem [6] Định lý 1.4 Cho A ∈ Cm×n Khi tồn ma trận trực giao U ∈ Cm×m, V ∈ Cn×n ma trận đường chéo D := diag(σ1, , σr ) σi, ≤ i ≤ r, bậc hai dương (kể bội) giá trị riêng ma trận A∗ A thỏa mãn D A = U 0 V ∗ D Ta thường ký hiệu Σ := 0 ∈ Rm×n khai triển A = U ΣV ∗ gọi khai triển kỳ dị ma trận A Các véc-tơ cột ma trận U gọi véc-tơ kỳ dị trái, véc-tơ cột ma trận V gọi véc-tơ kỳ dị phải, σi gọi giá trị kỳ dị ma trận A Để tìm khai triển kì dị ma trận A ta tìm véc-tơ riêng ma trận A∗ A AA∗ Cụ thể véc-tơ riêng đơn vị A∗ A véc-tơ cột V , véc-tơ riêng đơn vị AA∗ véc-tơ cột U , giá trị kỳ dị A bậc hai giá trị riêng Tài liệu tham khảo [1] Ascher U.M., Petzold L.R (1998): Computer methods for Ordinary Differential equations and differential-algebraic equations, SIAM [2] Byers R., Nichols N.K (1993): "On the stability radius of a generalized state-space system", Linear Algebra and its Applications, Vol 188–189, 113–134 [3] Nguyễn Hữu Dư, Vũ Hoàng Linh (2005): "Implicit-system approach to the robust stability for a class of singularly perturbed linear systems", Systems and Control Letters, Vol 54, 33–41 [4] Nguyễn Hữu Dư, Vũ Hoàng Linh, Mehrmann V (2013), "Robust Stability of Differential-Algebraic Equations", Surveys in DifferentialAlgebraic Equations I, 63-95, Springer [5] Nguyễn Hữu Dư, Vũ Hoàng Linh, Mehrmann V., Đỗ Đức Thuận (2013): "Stability and robust stability of linear time-invariant delay differential-algebraic equations", SIAM Journal on Matrix Analysis and Applications, Vol 34, 1-32 [6] Golub G.H., Van Loan C.F (1996): Matrix Computations, 3rd edn The Johns Hopkins University Press, Baltimore P [7] Ha P., Mehrmann (2012): "Analysis and reformulation of linear delay differential-algebraic equations", Electronic Journal of Linear Algebra, Vol 23, 703-730 [8] Hale J.K (1977): Theory of functional-differential equations, SpringerVelag, Newyork-Heidelberg-Berlin 58 [9] Kunkel and V Mehrmann (2006): Differential-algebraic equations Analysis and numerical solution, EMS Publishing House, Z¨ urich, Switzerland [10] Vũ Hoàng Linh, Đỗ Đức Thuận (2015), "Spectrum-Based Robust Stability Analysis of Linear Delay Differential-Algebraic Equations", Numerical Algebra, Matrix Theory, Differential-Algebraic Equations and Control Theory, Springer International Publishing Switzerland, 533557 [11] Michiels W (2011): Spectrum-based stability analysis and stabilisation of systems described by delay differential algebraic equations, IET Control theory Appl [12] Qiu L., Bernhardsson B., Rantzer A., Davison E.J., Young P.M., Doyle J.C (1995): "A formula for computation of the real stability radius", Automatica, Vol 31, 879–890 [13] Nguyễn Khoa Sơn, Đỗ Đức Thuận (2011): "On the radius of surjectivity for rectan-gular matrices and its application to measuring stabilizability of linear systems under structured perturbations", Journal of Nonlinear and Convex Analysis, Vol 12 , 441–453 59 [...]... differential algebraic equations, IET Control theory Appl 5 [12] Qiu L., Bernhardsson B., Rantzer A., Davison E.J., Young P.M., Doyle J.C (1995): "A formula for computation of the real stability radius", Automatica, Vol 31, 879–890 [13] Nguyễn Khoa Sơn, Đỗ Đức Thuận (2011): "On the radius of surjectivity for rectan-gular matrices and its application to measuring stabilizability of linear systems under