Dynamische Systeme und Stabilität
12. Übung

Martin Schmidt, Ross Ogilvie, Noah Schepp       19. Mai 2025
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34.
Die Lorenz-Gleichungen.
Seien σ,r und b positive Konstanten. Die Lorenz-Gleichungen lauten ẋ = σ(y − x), ẏ = 𝑟𝑥 − y − 𝑥𝑧, ż = 𝑥𝑦 − 𝑏𝑧.

mit gesuchter Funktion t↦(x(t),y(t),z(t)) ∈ ℝ3.

Zeigen Sie: Für 0 < r < 1 ist der Nullpunkt obigen Systems eine asymptotisch stabile Ruhelage und für r > 1 ist der Nullpunkt eine instabile Ruhelage. (4 Punkte)

Desmos in 3D!

35.
Das Mathematische Pendel: Episode V – Das Pendel schlaukelt zurück.
Wir haben schon das Pendel mit Reibung gesehen:
𝑑𝑦 𝑑𝑡 = F(y) = ( y2 −y2 − gsin⁡(y1) ) = ( 0 1 0 −1 ) ( y1 y2 ) + ( 0 −gsin⁡(y1) ).
(a)
Definieren Sie eine Ljapunovfunktion. (1 Punkt)
(b)
Zeigen Sie, dass die Energie E(y) = 1 2y22 − gcos⁡(y1) eine Ljapunovfunktion ist. (2 Punkte)
(c)
Seien y0 = ( 0 0 ), das eine Ruhelage ist, und U die zusammenhängende Umgebung von y0 mit E < 0. Zeigen Sie, dass U ⊂ (−2g,2g) × (−π∕2,π∕2). (2 Punkte)
(d)
Benutzen Sie Satz 2.31 um zu zeigen, dass ( 0 0 ) eine stabile Ruhelage ist. (3 Punkte)


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36.
Ein Kriterium für Instabilität nach Lyapunov
Sei D ⊆ ℝn offen mit 0 ∈ D und f : D → ℝn lokal Lipschitz-stetig mit f(0) = 0. Wir betrachten das autonome System

ẏ(t) = f(y(t)).
(36.1)

Sei L : D → ℝ eine stetig differenzierbare Lyapunov-Funktion zum System (36.1). Beweisen Sie folgendes Kriterium für Instabilität: Falls L zusätzlich

L(0) = 0, ∇ ⁡L(0) ⋅ f(0) = 0 und∇ ⁡L(y) ⋅ f(y) < 0für alley ∈ D ∖{0} (36.2)

erfüllt und es in jeder Umgebung von 0 ∈ D einen Punkt gibt, in dem L einen negativen Wert annimmt, dann ist die Ruhelage y∗≡ 0 von (36.1) instabil. (5 Punkte)

[Tipp: Nehmen Sie an, y∗ wäre stabil und führen Sie einen Widerspruchsbeweis: Zeigen Sie dazu, dass für geeignete Anfangswerte y(0) = y0 die positiven Halborbits der zugehörigen Lösung t↦y(t) in einer in D kompakten Menge enthalten sind, und L(y(t)) →−∞ für t →∞ gilt.]

37.
Stabilitätsuntersuchung nach Lyapunov
Gegeben sei das autonome System ẋ = −y + x3 ẏ = x + y3

mit gesuchter Lösungsfunktion t↦(x(t),y(t)) ∈ ℝ2. Zeigen Sie durch Konstruktion einer geeigneten Lyapunov-Funktion, dass der Nullpunkt (0,0) ∈ ℝ2 eine instabile Ruhelage obigen Systems ist. (3 Punkte)