Dynamische Systeme und Stabilität
9. Übung

Martin Schmidt, Ross Ogilvie, Noah Schepp       28. April 2025
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26.
Stabilität aufgrund negativen Realteils
Die Aussage, dass 0 eine Senke ist, wenn alle Eigenwerte einer Matrix A ∈ ℝn×n negativen Realteil haben, gilt nur für von t unabhängige A. Wir betrachten hierzu die Differentialgleichung ẋ(t) = A(t)x(t) mit
A(t) := ( −1 + 3 2 cos⁡2(t) 1 −3 2 sin⁡(t)cos⁡(t) −1 −3 2 sin⁡(t)cos⁡(t) −1 + 3 2 sin⁡2(t) )
(a)
Berechnen Sie die Eigenwerte von A(t) und zeigen Sie, dass diese negativen Realteil haben.
(4 Punkte)
(b)
Zeigen Sie, dass eine Lösung der Differentialgleichung gegeben ist durch
x(t) = et∕2 ( −cos⁡(t) sin⁡(t) ). (3 Punkte)
(c)
Zeigen Sie, dass die Ruhelage x ≡ 0 des Systems ẋ(t) = A(t) ⋅ x(t) nicht attraktiv ist. (2 Punkte)


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27.
Stabilität inhomogener linearer Systeme
In Analogie zu Definition 2.1 definieren wir die Stabilität von Lösungen autonomer Systeme (dies ist gewissermaßen eine Verallgemeinerung von Definition 2.1 auf Nicht-Ruhelagen): Sei f : ℝn → ℝn lokal Lipschitz-stetig und betrachte das autonome System

y′ = f(y).
(27.1)

Eine auf [0,∞) definierte Lösung y von (27.1) heißt stabil, wenn es zu jedem 𝜖 > 0 ein δ > 0 gibt, so dass alle Lösungen z von (27.1) mit z(0) ∈ B(y(0),δ) für alle t ≥ 0 existieren und z(t) ∈ B(y(t),𝜖) für alle t ≥ 0 gilt.
Eine Lösung y von (27.1) heißt attraktiv, wenn es ein δ > 0 gibt, so dass alle Lösungen z von (27.1) mit z(0) ∈ B(y(0),δ) für alle t ≥ 0 existieren und lim ⁡ t→∞∥z(t) − y(t)∥ = 0.
Die Begriffe instabil und asymptotisch stabil sind wie in Def. 2.1 definiert.

Seien A ∈ ℝn×n und b ∈ ℝn. Zeigen Sie:

(a)
Ist ỹ ≡ 0 asymptotisch stabile Lösung des homogenen Systems y′(t) = A ⋅ y(t), so strebt jede Lösung des homogenen Systems (unabhängig von der Größe des Anfangswerts) gegen Null für t →∞. (3 Punkte)
(b)
Eine beliebige Lösung des inhomogenen Systems y′(t) = A ⋅ y(t) + b ist (asymptotisch) stabil genau dann, wenn ỹ ≡ 0 (asymptotisch) stabile Lösung für das homogene System y′(t) = A ⋅ y(t) ist. (6 Punkte)


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