86
.pdfChapter II. Absolute stability and Aizerman’s problem of multidimensional regulated systems
|
0k |
(1) |
,..., |
Proof. As |
= ( 0k |
(2.56) taking into account that
|
1 |
b |
|
|
(2) |
b |
|
|
|
|
|
||
|
0k |
|
j1 |
|
0k |
|
we get
(n n) |
), |
|
0k |
then |
|
... |
|
||
|
|
(n m) |
||
j 2 |
|
0k |
|
|
|
* |
z(t) = |
* |
|
0k |
0k |
|||
|
|
by multiplying the identity from the left
b |
jn m |
= 0, k = 1, n j = 1, m, |
|
|
|
A z(t), t I. |
||
|
1 |
|
From here we get identity (2.61). By the hypothesis of the lemma the inequality
(2.62) holds and rank |
B |
* |
= m. |
Consequently, vectors |
|
|
R |
, |
k = 1, n |
exist and are |
|
0k |
|||||||||
1 |
|
|
n m |
|
linearly independent. The lemma is proved.
Lemma 19. Let the conditions of the Lemmas 7, 8 be satisfied, and let, moreover, the rank of the matrix
R
==||| ,,...,, ,, ,,...,, |
||
11 |
mm 0101 |
00nn |
|||
(2.63)
of order |
(n m) (n m) |
be equal to |
(n m). |
Then equation (2.56) is equivalent to the |
|
||||
following system of equations |
|
|
y |
= c |
y |
... c |
y |
|
( |
),..., y |
m |
= c |
y ... c |
y |
|
m |
( |
m |
), |
|
1 |
11 |
1 |
1n m |
n m |
1 |
1 |
|
1m |
1 |
mn 1 |
n m |
|
|
|
y |
m 1 |
= c |
|
|
y |
|
... c |
|
|
|
|
|
|
|
|
y |
n m |
,..., y |
n m |
= c |
n m,1 |
y |
... c |
|
|
|
|
|
|
y |
n m |
, |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
m 1,1 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
m 1,n m |
|
|
|
|
|
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|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
m n,n m |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
1 |
= d |
y |
|
|
... d |
|
|
|
|
|
|
y |
n m |
,..., |
|
m |
= d |
m1 |
y |
... d |
m,m n |
y |
m n |
, |
|
|
|
|
|
|
|
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|
(2.64) |
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
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11 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
1n m |
|
|
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|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
= |
* z, |
|
|
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|
|
|
= * |
|
|
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|
|
|
|||||||||||||||||||
where y |
i |
|
i = 1, m, |
y |
m |
k |
|
z, |
k = 1, n. |
|
|
|
|
|
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||||||||||||||||||||||||||||||
|
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|
|
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
0k |
|
|
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||||||
Proof. As |
|
rank |
|
R = n m, |
|
|
then |
|
from |
|
|
|
(2.63) |
it |
|
follows |
that |
|
vectors |
|
|
i |
|
Rn m , |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
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|
|
i = 1, m, |
|
0i |
Rn m , |
|
i = 1, n |
|
form a basis in Rn m . Then |
|
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|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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* |
A z = c |
* |
z ... c |
|
* |
z c |
|
|
* |
|
z c |
|
|
|
* |
|
z, |
|
|
|
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|
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|
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||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m |
|
|
|
|
|
0n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
1 |
|
|
|
11 |
1 |
|
|
|
|
|
1m |
|
|
1m 1 01 |
|
|
|
1n m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|||||||||||||||||||||
|
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......... |
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|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
* |
A z = c |
|
* |
z ... c |
|
|
* |
z |
c |
|
|
* |
z c |
|
|
|
* |
z, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m |
|
|
m |
|
01 |
|
|
0n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
m1 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
m,m |
|
|
m,m 1 |
|
|
|
mn m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
* A z = c |
|
|
|
*z ... c |
|
* z c |
|
|
|
* z c |
|
|
|
|
|
|
* |
z, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
01 |
1 |
|
|
|
|
|
|
m 1,1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
m 1,m |
|
m |
|
|
m 1,m 1 |
|
01 |
|
m 1,n m |
|
0n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
|
|
......... |
|
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|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
* |
A z = c |
|
|
* |
z ... c |
|
* |
z |
c |
|
|
|
|
* |
z c |
|
|
|
|
|
* |
z, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m |
|
|
|
0n |
|
|
|
|
0n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
0n 1 |
|
|
|
|
|
|
m n,1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m n,m |
|
|
|
|
m n,m 1 |
|
|
|
|
m n,n m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
where c |
|
, |
|
|
i, j = 1, n m are decomposition coefficients |
* |
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
* |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
i = 1, m, |
|
|
|
|
, |
i = 1, n |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ij |
|
|
A |
|
|
A |
|
0i |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
|
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|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
Rn m , |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Rn m , |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
by bases |
i |
|
|
i = 1, m, |
|
0i |
|
i = 1, m. From here taking into account (2.59), |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
|
|
|||
(2.61) we get a system of equations (2.64) with respect to the listed |
|
y1, , yn m . |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Similarly, by decomposing vectors |
S * Rn m |
by bases |
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
i = 1, m, |
|
0i |
|
i = 1, n |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
we get
111
Lectures on the stability of the solution of an equation with differential inclusions
|
|
|
|
= S z = d |
* |
z ... d |
* |
z d |
|
* |
z ... d |
|
* |
z, |
|||||||
|
|
1 |
|
m |
o1 |
on |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
1 |
11 1 |
1m |
1m 1 |
|
1n m |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
= S |
|
z = d |
|
* |
z ... d |
* |
z d |
|
* |
z ... d |
|
|
* |
z, |
||
|
|
m |
m |
|
m |
o1 |
|
on |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
m1 |
1 |
mm |
|
m,m 1 |
|
|
m,n m |
|
||||||||
where S |
* |
* |
|
|
|
* |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= (S1 |
, , S1 ). the lemma is proved. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
The system of equations (2.64) in the vector form is
where
y = A1,
A1 y B1,
B1 S1 ,
( ), = S1 y, ( ) |
, y(0) = y |
, | |
|
1 |
|
0 |
|
are constant matrices of |
orders |
y |
|< , t I, |
0 |
|
(n m) (n m), |
(2.65)
(n m) m,
m (n m)
respectively,
AA1 1==|| |c| cij||,||,
ij
i, j = 1, n m,
SS1
1==||||dd ||||, |
, |
ij ij |
|
i = 1, m,
j = 1, n m,
B1 =
zero
A1,
|
I |
m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
I m is a unit matrix of order |
m m, |
On,m is a matrix of order |
n m with |
|||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n,m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
* |
, |
then |
|
|
|
|
* |
z, |
z = K |
1 |
* |
1 |
y matrices |
|||||
elements. If the matrix K = R |
y = Kz = R |
|
y = (R ) |
|
|
||||||||||||||||||||
B1, |
S1 |
are equal A1 = KA1K |
1 |
|
|
* |
|
* |
) |
1 |
, |
B1 = KB1 |
* |
B1, |
S1 = S1K |
|
1 |
* |
1 |
. |
|||||
|
= R |
A1 (R |
|
= R |
|
|
= S1 (R ) |
|
Thus, differential equation (2.56) with nonlinearities (2.55) with nonsingular transfor-
mation
z = K |
1 |
* |
1 |
y |
|
y = (R ) |
|
lead to the form (2.65).
Lecture 19.
Solution properties in the general case and improper integrals in a simple critical case
Solution properties. Limitation on solutions of the system (2.56), (2.55), and also equations (2.65) is considered. Identities along the solution of the equation (2.65) and examined its asymptotic property are obtained.
Theorem 8. Let |
the matrix A1 = A1( ) be a Hurwitz matrix, |
i.e. Re j ( A1 ) < 0, |
|||
j = 1, n m and conditions of the Lemmas 7–9 are satisfied. Then following estimates |
|||||
are true: |
|
|
|
|
|
|
| z(t) | c0 , | z(t) | c1, t I, |
|
(2.66) |
||
|
| y(t) | c2 , | y(t) | c3 , t I, |
|
(2.67) |
||
|
| (t) | c4 , | (t) | c5 , t I, |
|
(2.68) |
||
where ci = const > 0, |
|
|
|
|
|
ci < , i = 0,5. Moreover, the functions z(t), |
y(t), (t), |
t I |
are uniformly continuous.
112
Chapter II. Absolute stability and Aizerman’s problem of multidimensional regulated systems
|
|
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1 |
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|
|
|
|
|
|
|
A |
|
|
|
|
Proof. As matrix |
|
A1 = KA1K |
, |
|
then from Hurwitz of the matrix |
|
we get |
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
1 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
Hurwitz of the matrix |
A |
, |
i.e. |
Re |
(A ) = Re |
j |
(A ) < |
0, |
j = 1, n. |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
j |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
Solution of the differential equation (2.56) has the form: |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
A t |
|
|
|
|
|
t |
|
A (t ) |
|
|
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||||
|
|
|
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|
0 |
|
|
|
|
1 |
|
|
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||||||||
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|
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|
|
z(t) = e 1 |
|
z |
|
|
1 |
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|
|
|
|
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||||||||||||
|
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|
e |
|
|
B |
( ( ))dx, t I. |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
0 |
|
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|
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|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
Notice, that from Hurwitz of the matrix |
|
A |
|
|
|
|
|
|
|
A t |
|| ce |
(a )t |
, |
|||||||||||||||||||||||||
|
we get evaluation || e 1 |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
c = c( ) > 0, |
t, |
|
|
t I , |
where |
|
> 0 |
|
is |
|
an |
arbitrarily |
|
small |
number, |
|
value |
|||||||||||||||||||||
a = max Re |
( A ) < 0. |
Then |
|
|
|
|
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|
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|||||||||
1 j n m |
j |
1 |
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
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A t |
|
|
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|
|
t |
|
|
|
|
(t ) |
|
|
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|
|
0 |
|
|
|
|
|
A |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
| z(t) | || e |
1 ||| |
z |
| |
|| e |
1 |
|
|
|||| |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
B ||| ( ( )) | d |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
c | |
z |
|
| e |
(a )t |
ce |
(a )t |
|| B |
|| |
e |
(a ) |
d = c | z |
|
| e |
(a )t |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
|
1 |
* |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
where
ce(a )t
e |
(a )t |
1, |
|
||
t
B1
|| *[
I , |
a |
1
<
e (a
0, |
|
|
a |
)t
1
1
a ] = c | z0 |
> 0, |
| ( (t)) |
|
a
|
1c
* |
, |
t |
|
|
||
,
B1 ||
t
* = c0 ,
I. From here we
get limitations of solution of the system (2.56). From the equation (2.56) follows that
| z(t) | || A |
||| z(t) | || B |
||| ( (t)) | || A |
|| c || B |
|| = c , t, t I. |
|
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
Then |
| (t) | || S ||| |
z(t) | || S || c0 |
= c4 , |
| (t) | || S ||| z(t) | || S || c |
= c , t I. |
As func- |
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
5 |
|
|
||||||||||||||||
tion |
y(t) = Kz(t), |
t I , |
then | y(t) | || |
K ||| z(t) | || K || c0 = c2 , |
y(t) || |
K ||| z(t) | || |
K | c1 |
= c3 , |
||||||||||||||||||||||
t, |
t I. So, proven estimates (2.66)– (2.68). From the limitations of functions |
z(t), |
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
t I |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y(t), |
(t), |
|
t I. |
|
||||
y(t), |
|
(t), |
|
we get uniform continuity of functions |
z(t), |
|
|
|
|
|
|
|
The |
|||||||||||||||||
theorem is proved. |
|
|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
It |
should |
be noted |
that: |
1. |
From |
evaluation |
| z(t) |, |
t I , |
|
|
we |
|
have |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
z(t), |
t I , |
||||
lim | |
z(t) |=| z( ) | c | z |
0 |
| |
c || B || |
* |
= c0 , |
c c0 due |
to |
continuity |
|||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||
t |
|
|
|
|
|
a |
1 |
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
where a < 0. Consequently, lim | y(t) |=| y( ) | || K || c0 , |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
lim |
| (t) | || S || c0 . |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Lemma 10. Let the conditions of the Lemmas 7–9 be satisfied. Then along the |
||||||||||||||||||||||||||||||
solution of the system (2.65) the following identities hold |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.69) |
|||||||||||||
|
|
|
|
( (t)) = H0 y(t) A11 y(t), t I, |
|
|
|
|
|
|
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|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
113
Lectures on the stability of the solution of an equation with differential inclusions
where
|
|
|
H |
0 |
= (I |
|
|
(t) = |
|
m |
, O |
m |
H1 y(t) = A12 y(t), t I ,
(t) = S11H0 y(t) S12H1 y(t), t
S11H y(t) S12 A12 y(t), t I, |
|
|
|||||||||||
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
), |
|
H |
|
= (O |
, I |
), |
H |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= I |
|
, |
||||||
,n m |
|
1 |
|
n m |
|||||||||
|
|
|
n,m |
n |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
H1 |
|
|
|
|
I,
|
|
|
A11 |
|
A1 |
= |
|
|
|
|
|
, |
||
|
|
A12 |
|
|
|
|
|
|
(2.70)
(2.71)
(2.72)
|
|
|
|
|
c |
... |
|
|
c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
c |
|
|
|
|
... |
c |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
11 |
|
|
|
|
1n m |
|
|
|
|
|
|
|
|
m 11 |
|
|
|
m 1n m |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
A11 |
= |
|
... ... |
|
|
... |
|
|
|
, |
A12 |
|
= |
|
|
|
... |
|
|
... |
|
... |
|
, |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
c |
... |
|
|
c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
c |
|
|
|
|
... |
c |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
m1 |
|
|
|
|
mn m |
|
|
|
|
|
|
n m1 |
|
|
n mn m |
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d |
|
|
|
|
... |
d |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d |
|
... |
|
d |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
11 |
|
|
|
|
|
1m |
|
|
|
|
|
|
|
|
1m 1 |
|
|
1n m |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
S1 = (S11, S12 ), S11 |
= |
|
|
... ... |
... |
|
, S12 |
= |
|
|
... |
|
... |
|
... . |
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dm1 ... |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dmm 1 |
... |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dmm |
|
|
|
|
|
|
|
|
dmn m |
|
|||||||||||||||||
Proof. As conditions of the Lemmas 7–9 are satisfied, then we get (2.64). Notice, |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
that |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
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||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
H |
0 |
y |
= |
|
|
... |
, |
H |
|
y = |
|
|
... . |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ym |
|
|
|
|
|
|
|
yn m |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Then from (2.64) it follows that |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
( |
) = y |
c |
y ... c |
|
|
y |
n m |
,..., |
m |
( |
m |
) = y |
m |
c |
y ... c |
y |
n m |
, |
|||||||||||||||||
1 |
1 |
1 |
|
11 1 |
|
|
|
1n m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m1 |
1 |
|
|
mn m |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H |
0 |
|
y |
|
|
|
|
|
|
y S12H y, H y |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
= (S11, S12 ) y = (S11, S12 ) |
|
|
|
|
= S11H |
|
= A12 y. |
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
1 |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H1 |
|
y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Consequently, identities (2.69)–(2.72) hold. The lemma is proved.
Lemma 11. Let the conditions of the lemmas be satisfied 2.2–2.3. Then for any
matrices , M , |
N1, |
N |
2 of |
orders (n m) (n m), (n m) (n m), |
(n m) n, |
|||||||
(n m) n respectively, |
|
along |
the |
solution of the equation (2.65) the |
following |
|||||||
identities hold |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y* (t)My(t) y* (t) y(t) = |
|
d |
[ y* (t) y(t)], t I ïðè M = * , |
(2.73) |
||||||||
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
dt |
|
|
|
|
|
|
[ y* (t)N |
|
y* (t)N ][H |
|
|
|
|
|||||
|
2 |
y(t) A12 y(t)] 0, t I. |
(2.74) |
|||||||||
|
|
|
|
1 |
1 |
|
|
|
|
114
Chapter II. Absolute stability and Aizerman’s problem of multidimensional regulated systems
Proof. |
Identity |
(2.73) |
directly |
follows |
from |
equality |
d |
* |
(t) y(t)) = |
dt |
( y |
|
|
|
|
|
t I when |
* |
|
|
(n m) n, |
(n |
y |
* |
* |
* |
* |
* |
* |
(t)My |
|
(t) y(t) y |
(t) y(t) = y |
(t) y |
(t) y |
(t) y(t) = y |
= M . |
As it follows from (2.70) for any matrices |
N |
, |
|
|
1 |
|
m) n |
an identity (2.74) holds. The lemma is proved. |
|
(t)
N |
2 |
|
y |
* |
(t) y |
(t), |
|
of orders
Improper integrals. Based on nonsingular transformation (2.64) and using properties of solution (2.66)–(2.68) and identity (2.69)–(2.72) we can obtain evaluations
of improper integrals along the solution of the system (2.65). |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
Theorem 94. Let the conditions of the Lemmas 7–9 be satisfied, matrix |
A |
be a |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
Hurwitz |
matrix, |
the |
function |
( ) 1. |
Then for |
any |
diagonal |
matrix |
||||||
|
1 |
= diag( |
11 |
, , |
1m |
) |
of |
order m m along the |
solution of |
the |
system (2.65) |
the |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
improper integral
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
I = |
|
* |
( (t)) (t)dt = [ y* (t) y(t) y* (t) y(t) y* (t) y(t)]dt = |
|||||||
|
||||||||||
1 |
|
1 |
|
|
|
1 |
2 |
3 |
||
|
|
|
|
|
|
|||||
|
0 |
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m |
|
( ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
i ( i ) 1i d i |
< , |
|
|
|
|
|
|
|
i=1 |
(0) |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
i |
|
|
|
(2.75)
where
|
* |
|
|
, |
|
* |
|
|
* |
|
|
|
* |
|
|
S11H |
|
|
S12 A12 H |
S11 |
A11, |
|
= A11 |
S12 A12. |
|||||
= H |
2 |
= H |
0 |
3 |
||||||||||
1 |
0 |
1 |
0 |
|
0 |
1 |
|
1 |
|
1 |
|
(2.76)
Proof. Notice, that matrix
A1 |
= KA K |
1 |
, |
|
|||
|
1 |
|
|
where K is a nonsingular matrix, then
|
|
|
|
|
j = 1, n m. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
j (A1 ) = j (A1 ), |
Consequently, matrix A1 |
is a Hurwitz matrix then, when |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
matrix |
A1 |
is a Hurwitz matrix, where |
j ( A1 ) = j ( A1 ), |
|
|
j = 1, n m eigenvalues of |
|||||||||||||||||||||||
|
A1, Re j ( A1 ) < 0, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| y( ) |<|| K || c0 < , |
|||||||||||||||
matrix |
j = 1, n m. As it follows from Theorem 8, |
||||||||||||||||||||||||||||
| y0 | || |
K ||| |
z0 |
|< . Improper integral: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|||||||||
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
I = |
|
* ( (t)) (t)dt = [H y(t) |
|
11 y(t)]* [ |
|
11H y(t) |
|
12 |
|
12 y(t)]dt = |
|||||||||||||||||||
|
A |
S |
S |
A |
|||||||||||||||||||||||||
|
1 |
|
|
1 |
|
|
0 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
0 |
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m |
i |
( ) |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
[ y* (t) 1 y(t) y* (t) 2 y(t) 3 y(t)]dt = i ( i ) 1i d i < , |
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i=1 |
(0) |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
by virtue of identities (2.69)–(2.72), where | (0) | c4 |
< , |
|
| ( ) | c4 < , |
matrices |
|||||||||||||||||||||||||
, 2 , |
|
3 |
of orders |
(n m) (n m) are denoted by relations from (2.76). The |
|||||||||||||||||||||||||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
||
theorem is proved. |
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Theorem 10. Let the conditions of the Lemmas 7–9 be satisfied, matrix |
A1 be a |
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
Hurwitz |
matrix, the |
function ( ) 1. Then |
|
for |
any |
diagonal |
matrix |
||||||||||||||||||||||
2 = diag ( 21,..., 2m ) 0 of order |
m m, |
along the solution of the equation (2.65) the |
improper integral
115
Lectures on the stability of the solution of an equation with differential inclusions
|
|
|
|
|
|
|
* |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
* |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
|
= |
[ |
( (t)) |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
( (t)) (t)]dt = |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
2 |
|
0 |
( (t)) |
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= [ y* (t) y(t) y* |
(t) |
2 |
y(t) y* (t) |
y(t)]dt 0, |
|
|
(2.77) |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
where |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
* |
|
|
1 |
H |
, |
|
|
|
|
|
|
* |
|
|
|
1 |
A11 |
|
* |
|
S11H |
|
* |
|
S12H |
, |
|
= H |
0 |
|
2 |
= 2H |
|
0 |
H |
2 |
0 |
H |
2 |
|||||||||||||||||
1 |
0 |
2 |
|
0 |
|
|
|
|
|
|
0 |
2 |
|
|
|
|
0 |
|
0 |
1 |
|
** *
3 = A11 2 0 1 A11 A11 2 S12 H1 A11 2 S11H0 .
Proof. From inclusion |
( ) |
1 |
it follows that |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
i ( i |
) |
|
|
, |
i |
|
1 |
, |
|
, |
|
1 |
, i = 1, m. |
||||
|
|
|
0i |
|
|
|
|
0i |
i |
R |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
( |
) |
|
i |
|
|
|
||||
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
i |
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.78)
Consequently, i lity holds i ( i ) 2i i
|
( |
) |
1 |
|
||||||
0i |
||||||||||
i |
|
i |
|
|
|
|
|
|||
|
1 |
|
|
2 |
( |
|||||
|
|
|
||||||||
0i |
|
2i |
i |
|||||||
|
|
|
m |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
oi |
|||||
|
|
|
|
|
[ |
1 |
||||
|
|
|
i=1 |
|
|
|
|
|
2 |
( i |
) , i = 1, m . Then for any value 2 |
||||||
i |
||||||||
i ) 0 , i = 1, m . From here it follows |
||||||||
|
|
2 |
( |
) |
( |
) |
i] 0. |
|
|
i |
|
||||||
21 |
|
i |
i |
i |
|
2i |
i |
0 |
|
that
an inequa-
(2.79)
Let the 2 = can be written as
diag ( |
21 |
,..., |
2m |
) 0, |
|
|
|
|
1 |
= diag ( |
1 |
,..., |
1 |
). |
|
o |
01 |
0m |
|||||
|
|
|
|
Then inequality (2.79)
* |
|
1 |
* |
m |
|
|
|
|
( ) 0, , R |
. |
|||
0 |
|
|||||
2 |
|
2 |
|
|
From (2.80) it follows that improper integral (v. (2.77))
(2.80)
|
|
|
* |
|
|
|
|
|
|
* |
( (t)) 2 (t) dt 0. |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|||
I |
2 = |
( (t)) |
2 0 |
( (t)) |
|||||||
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
From here taking into account identities (2.69), (2.71), we have
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 = { H |
|
|
|
|
|
|
* |
1 |
|
|
|
|
|
|
|||
I |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
0 y(t) A11 y(t) |
2 0 |
H0 y(t) A11 y(t) |
||||||||||||||||
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
* |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 S11H0 y(t) S12 H1 y(t) }dt = |
|||||||||||
H0 y(t) A11 y(t) |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(t) 3 y(t) dt 0, |
||||
|
* |
|
|
|
* |
|
|
|
|
|
* |
|||||||
= y |
(t) 1 y(t) y |
(t) 2 y(t) y |
||||||||||||||||
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
116
Chapter II. Absolute stability and Aizerman’s problem of multidimensional regulated systems
where matrices 1, 2 , 3 of orders |
(n m) (n m) |
are determined by the formula |
|
(2.78). The theorem is proved. |
|
|
|
Lemma 12. Let the conditions of the lemmas be satisfied 2.57–2.69, matrix |
A1 be |
a Hurwitz matrix, the function |
( ) |
. Then for any matrices |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
(n m) n, |
(n m) n |
respectively, improper integral |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
|
= |
[ y |
* |
(t)P y |
(t) y |
* |
|
|
|
* |
(t)P y(t)]dt = 0, |
|||
|
3 |
|
|
|
(t)P y(t) y |
|||||||||||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
3 |
||
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
where P = N |
H , |
P = H * N * N |
|
|
|
|
P = N A12. |
|||||||||
2 |
|
A12 , |
||||||||||||||
1 |
2 |
|
1 |
2 |
|
1 |
1 |
|
|
|
|
|
3 |
1 |
|
Lemma’s proof directly follows from the identity (2.74).
N |
, |
1 |
|
N |
2 |
|
of orders
(2.81)
Lecture 20.
Absolute stability and Iserman’s problem for multidimensional systems in a simple critical case
Absolute stability. Based on the above results on the estimation of improper integrals, and also Lemmas 2.77–2.89 we can formulate conditions of absolute stability of the equilibrium state of the system (2.53), (2.54).
We introduce the following notation
=
* |
|
|
1 |
|
A11 |
|
|
||
2 |
0 |
|||
|
|
|
|
|
|
R = P = H S11H |
|
H |
1 |
H |
|
|
N H |
, |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
* |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
* |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
1 |
|
1 |
|
|
|
0 |
1 |
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
0 |
2 |
|
|
|
0 |
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
2 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
* |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
* |
|
|
|
S11 A11 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
2 |
2 |
P = H |
|
S12 A12 H |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
0 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
* |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
* |
|
|
S11H |
|
|
|
|
|
|
* |
|
S12H |
|
|
H |
* |
N |
* |
N |
|
A12 , |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
2H |
2 |
0 |
|
A11 H |
2 |
0 |
H |
2 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
* |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
W |
= |
3 |
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3 |
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P = A11 |
S12 |
A12 |
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0 |
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3 |
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1 |
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|||
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* |
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1 |
A |
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* |
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S |
|
|
|
H |
|
|
|
|
* |
|
|
S |
|
|
|
H |
|
|
N A . |
|
|
|
|
|
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|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
A |
|
2 |
|
A |
2 |
11 |
0 |
A |
|
2 |
12 |
1 |
|
|
|
|
|
(2.82) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
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11 |
|
|
|
|
0 |
11 |
|
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11 |
|
|
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|
|
|
|
11 |
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|
|
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|
|
|
|
|
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1 |
12 |
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|
||||||||||||||||||||||
In particular when matrix |
|
|
|
|
|
|
|
* |
|
|
|
|
|
|
|
|
* |
|
|
|
|
|
|
then the matrix |
|
|
|
* |
|
1 |
* |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
N = A11 |
|
S |
|
A11 T, |
|
W = A11 |
|
A11 A12 K A12 0, |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
0 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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1 |
|
|
|
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1 |
|
12 |
|
|
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|
2 |
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|
0 |
|
2 |
|
1 |
|||||
* |
|
|
|
where |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
* |
|
|
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* |
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* |
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|
|
* |
|
|
|
S1 |
= T A12. |
|||||
0, |
|
K1 |
= K1 > 0, |
|
|
|
|
S11H |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
S |
|
|
|
|
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||||||||||||||||||||||||||||||||||
A11 A12 K A12 |
|
A11 |
|
|
A11 |
|
S12 H = A11 |
|
1 = A11 T A12 , |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
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|
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|
|
|
|
|
* |
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1 |
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2 |
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|
0 |
|
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|
|
2 |
|
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|
1 |
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|
|
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|
2 |
|
|
|
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|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
Here K1, |
|
T are matrices of orders n n, |
|
m n respectively. Then improper inte- |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
gral |
|
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|
|
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I |
4 |
= I I |
2 |
I |
3 |
|
= [ y* (t)R y(t) y* (t) y(t) y* (t)W y(t)]dt |
|
|
|
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
1 |
|
|
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|
0 |
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0 |
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|
0 |
|
|
|
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|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
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|
|
0 |
|
|
|
|
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|
m i ( ) |
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|
(2.83) |
||||||
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||
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|
|
|
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|
|
i ( i ) 1i d i |
< . |
|
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i=1 |
(0) |
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||||
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|
i |
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|
|
Theorem 11. Let the conditions of the lemmas 7–11 be satisfied, matrix A1 be a Hurwitz matrix function ( ) 1, and let, moreover, matrices R0 , 0 of orders
117
Lectures on the stability of the solution of an equation with differential inclusions
(n m) (n m),
per integral
(n m) (n m)
m i ( )
i (
i=1 i (0)
be such that: 1) |
R0 |
R0 |
0; |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
* |
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|
I |
|
|
= |
|
|
|
* |
(t)W y(t)dt |
|
||||||
|
40 |
|
y |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
||||
|
|
|
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|
|
0 |
|
|
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|
d |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
) |
|
d |
|
|
|
|
[ |
* |
(t) y(t)]dt |
||||||
i |
1i |
i |
|
|
|
y |
||||||||||
|
|
|
|
|
dt |
|
2 |
|
|
0 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2)0 = 0*.
<,
Then impro-
(2.84)
where matrices |
R |
, |
|
, |
W |
|
|
are determined by the formula (2.82), |
, |
2 |
0 are any |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
0 |
|
|
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|
|
|
|
1 |
|
|
||
diagonal matrices of orders |
|
m m, |
|
N |
, |
N |
2 |
are any matrices of orders (n m) n, |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
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|
|
|
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1 |
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||||||||
(n m) n , respectively. |
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Proof. As matrix |
|
|
|
|
|
|
|
* |
, |
|
then |
y |
* |
(t) y(t) = |
|
d |
[ |
1 |
|
* |
(t) y(t)], t |
I , |
consequen- |
|||||||||||||||||||||||||
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
y |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
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0 |
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|
|
|
|
0 |
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|
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0 |
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dt |
|
2 |
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0 |
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tly, the improper integral |
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d |
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1 |
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|
||||
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|
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y |
* |
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0 |
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* |
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0 |
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|
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|
|
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|
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|
(t) y(t) = |
|
|
|
[ |
|
|
|
y |
|
(t) y(t)]dt = |
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
0 |
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|
|
|
|
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|
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|
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|
0 |
dt |
2 |
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||||
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|||
|
= |
1 |
y |
* |
(t) y(t) | |
|
= |
1 |
|
* |
( ) y( ) |
1 |
y |
* |
(0) y(0) < , |
|
|
(2.85) |
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
0 |
|
|
y |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
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2 |
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|
0 |
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|
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2 |
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|
0 |
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|||||
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||||||
by virtue of the assessment |
||yy(( ))|| cc |
<< ,, |
|
| |
|yy(0)| | cc |
<< .. |
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22 |
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22 |
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|||
From (2.83) taking into account (2.85) we get |
|
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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0 |
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0 |
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* |
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|
|
* |
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||||
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|
|
[ y |
|
(t)R y(t) y |
|
(t)W y(t)]dt |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
0 |
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|
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|
|
m |
|
( ) |
|
|
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|||
|
|
i |
|
|
|
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1 |
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1 |
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|
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|||
|
|
|
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|
|
|
( |
) |
|
|
d |
|
|
y |
* |
( ) y( ) |
y |
* |
(0) y(0) < . |
|
(2.86) |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
i |
i |
|
|
|
11 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
0 |
|
|
|
||||||||||
|
i=1 |
(0) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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||||||||
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|
|
i |
|
|
|
|
|
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|
|
By the hypothesis of the theorem, the matrix |
R0 |
R0 0. Then the quadratic form |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
* |
|
|
|
|
y* (t)R y(t) = y* (t)[ |
1 |
(R |
|
R* )]y(t) 0, |
|
t, |
t I. Consequently, from (2.86) we |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
0 |
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|||
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|
|
|
|
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|
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|
|
|
||
get inequality |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
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|
|
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|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
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|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
40 |
= |
|
|
y* (t)W y(t)dt |
|
[ y* (t)R y |
(t) y* (t)W y(t)]dt < . |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
The theorem is proved.
Theorem 12. Let the conditions of the lemmas 7–11 be satisfied, matrices A1 ( ), A1( ), 0 be Hurwitz matrices, the function ( ) 1 and conditions 1, 2 of
118
Chapter II. Absolute stability and Aizerman’s problem of multidimensional regulated systems
Theorem 11 be satisfied, and let, moreover, matrix |
W W * > 0. Then equilibrium |
|
|
0 |
0 |
state of the system (2.53), (2.54) is absolutely stable. |
|
|
If in addition the diagonal matrix 0 = 0 2 , |
2 > 0 |
is a diagonal matrix with |
arbitrarily small elements, then Iserman’s problem has a solution in the sector [ , 0 ].
Proof. As all conditions of theorem 11 are satisfied, we get inequalities (2.84). Consequently, the improper integral
where
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
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|
|
I |
|
|
= |
|
* |
(t)W y(t)dt = |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
40 |
|
|
y |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
* |
|
|
|
0 |
|
0 |
|
|
|
|
* |
0 |
|
||
|
|
|
= |
|
y |
(t)[ |
2 |
(W W |
|
)]y(t)dt = |
|
y |
(t)T y(t)dt < , |
|||||||
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
* |
|
T |
= |
|
(W W |
* |
) > 0. |
Let the function |
V ( y) = y T y. |
Then |
||||||||||||
|
|
|
|
0 |
||||||||||||||||
0 |
|
2 |
0 |
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V ( y) > 0,
(2.87)
y,
|
|
|
|
|
|
|
y R |
n m |
, y 0, V (0) 0, |
|
|
|
|
|
V ( y(t))dt < |
|||||
|
|
|
|
0 |
|
|
t I = [0, ]. |
We show that |
lim |
y(t) = 0. |
|||
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
t |
|
|
Suppose the contrary, i.e. lim |
y(t) 0. |
|||||
|
||||||
|
|
|
|
t |
|
, |
where |
| |yy(t()t)| | cc, |
, | |yy((tt))| | cc,, t, |
|||||||
|
|
2 |
2 |
|
|
|
|
33 |
|
|
Then there exists a sequence |
t |
k |
, |
t |
k |
> 0, |
||||
|
|
|
|
t |
|
k |
|
when
k
such as
| y(t |
k |
) | > 0, |
|
|
k = 1,2,...
We choose
t |
k 1 |
t |
k |
|
1 |
> |
|
|
|
|
| y(t) | c |
, |
3 |
|
k = 1,2,... As
0, |
k = |
|||
t I , |
|
|||
t |
|
|
|
1 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
k |
|
2 |
|
|
|
|
1,2,...
then
> t |
k 1 |
, |
|
|
As |
y(t), |
t I |
continuously differentiable, |
| |
y(t) | c |
, |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|||||||||||||||
| y(t) y(t |
|
) | c |
|
| t t |
|
|, |
t, |
t [t |
|
|
|
1 |
, t |
|
|
|
1 |
], |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
3 |
|
k |
|
|
|
|
k |
|
2 |
|
k |
|
2 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
tk |
|
|
1 |
< tk 1, |
V ( y) > 0, |
y R |
n m |
then |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V ( y(t))dt |
|
V ( y(t))dt, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
0 |
|
|
|
|
|
|
k =1 |
t |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
where | y(t) |=|
t [t |
|
|
|
1 |
, t |
|
|
|
|
|
|||||
|
k |
|
2 |
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
So, | y(t) | 0 ,
nuous on the
y(t |
|
) y(t) y(t |
|
|
) | | y(t |
|
) | | y(t) y(t |
|
) | c |
1 |
= |
|
> 0, t, |
|||||||||||||
|
|
|
k |
|
|
k |
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
k |
3 |
2 |
|
0 |
|
|
|
|
|
|
1 |
]. |
We can always choose the value 1 > 0 so that the value |
|
|
> 0. |
||||||||||||||||||||
|
0 |
|||||||||||||||||||||||||
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| y(t) | c , |
t [t |
|
|
|
1 |
, t |
|
|
|
1 |
]. |
|
|
|
|
* |
|
is conti- |
||||||||
k |
|
k |
|
As function V ( y) = y T y |
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
2 |
|
|
|
2 |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
compact set |
0 | y | c2 , |
then |
there is |
|
a number |
m > 0 |
|
such as |
119
Lectures on the stability of the solution of an equation with differential inclusions
|
min |
V ( y) = m. |
|
|y| c |
|
0 |
2 |
|
Then the value of the integral
t |
|
1 |
|
||
k |
2 |
|
|
||
|
V ( y(t))dt 1m, |
|
t |
|
1 |
|
||
k |
2 |
|
|
k = 1,2,...
Con-
sequently,
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
V ( y(t))dt = |
|
y |
* |
(t)W y(t)dt |
|
|
|
V ( y(t))dt |
lim |
k |
m = . |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
||||||
|
0 |
|
0 |
|
|
|
|
k =1 |
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
t |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
This contradicts the condition (2.87). Consequently, |
lim y(t) = 0. As z(t) |
= K |
1 |
y(t), |
|||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
t I , |
К is a nonsingular matrix, then lim z(t) = 0. |
, |
1. |
from here taking into |
|||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
account that matrices |
A ( ), |
A ( ), |
|
0 |
are Hurwitz matrices, lim z(t,0, z |
0 |
, ) = 0, |
||||||||||||||||
|
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
according to definition 4 we get that the equilibrium state of the system (2.53), (2.54) is absolutely stable. The theorem is proved.
|
From the theorems 11, 12 it follows that in cases when matrices A ( ), |
A ( ), |
|||
|
|
|
|
1 |
1 |
0 |
are Hurwitz matrices, |
( ) 1 |
and the following conditions are satisfied: |
||
1) |
* |
0; 2) 0 = 0 ; 3) W0 |
W0 > 0 |
the equilibrium state of the multidimensio- |
|
R0 R0 |
|||||
|
|
* |
* |
|
|
nal system (2.53), (2.54) in a simple critical case is absolutely stable.
Remark 2. As follows from the proof of the theorem 12, the equilibrium state of
the system (2.53), (2.54) |
is absolutely stable and in case, when matrix T0 0, if |
* |
does not contain whole trajectories. In this case, the integral |
surface V ( y) = y T0 y = 0 |
curves "stitch" surface |
V ( y) = 0. Notice, that the surface V ( y) = 0 does not contain |
|||||||||||||||||
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
whole trajectories, if y* (t)T y(t) |
0, t [0, ). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
It should be noted that as a result of nonsingular transformation the identity (2.70) |
||||||||||||||||||
is obtained. This identity is used for defining an |
improper |
integral |
I |
3 |
. |
Improper |
||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||
integral I3 depends on arbitrary matrices N1 |
, |
N2 |
of orders |
(n m) n, |
|
|
(n m) n , |
|||||||||||
respectively. Matrices |
R , |
à |
0 |
, |
W |
depend on matrices |
N , |
N |
2 |
. As follows from the |
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0 |
|
|
0 |
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|
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1 |
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condition of theorems 11, 12 matrices 1, 2 |
0, |
N1, |
N2 |
ensure the fulfillment of |
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* |
0 |
|
|
* |
|
* |
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consequently, matrices |
N1, |
|
N2 allow |
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conditions R0 R0 0, |
= 0 , |
W0 W0 > 0, |
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us to significantly expand the area of absolute stability of the system parameters in space. In the method of A. I. Lurie and the method of V. M. Popov an improper
integral |
I |
3 |
, |
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is absent, consequently, we have no matrices N1, N2 . The presence of |
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matrices |
N |
, |
N |
2 |
allowed to solve the Iserman’s problem. |
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1 |
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Iserman’s problem. The question arises: is it possible to distinguish a class of multidimensional regulated systems, by selecting a feedback matrix S1 , for which
Iserman’s problem has a solution? For this class of multidimensional regulated systems, the obtained results are necessary and sufficient conditions of absolute stability.
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