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引论

概念笔记

1 局部 Lipschitz

考虑一个函数 \(y = f(x)\),其中 \(x\)\(y\) 都是向量。对于一个给定的点 \(x_0\),如果存在一个邻域 \(N(x_0, r)\)\(N(x_0, r) = \{\parallel x-x_0 \parallel < r\}\))和正常数 \(L\),使得对于任意 \(x, y \in N(x_0, r)\),有 Lipschitz 条件如下:

\[ \parallel f(x) - f(y) \parallel \le L \parallel x - y \parallel \]

其中,\(L\) 称为 Lipschitz常数,范数 \(\parallel x \parallel\) 定义为

\[ \parallel x \parallel = \sqrt{x^Tx} \]

那么就称 \(f(x)\) 在点 \(x_0\) 上是局部 Lipschitz 的。

如果 \(f(x)\) 的定义域是开的且连通的,\(f(x)\) 在定义域的任意一个点上都局部 Lipschitz,那么我们就称 \(f(x)\) 在定义域上是局部 Lipschitz 的。

对于一个集合 \(W\) ,如果其中的任意两个点 \(x, y\)\(f(x)\) 都满足 Lipschitz 条件,且 Lipschitz 常数与 \(x,y\) 的选择无关,那么 \(f(x)\)\(W\) 上就是 Lipschitz 的。

在定义域上局部 Lipschitz 的函数不一定是 Lipschitz 的,因为常数可能并非一致。但是,这个函数在定义域里的一个紧子集(有界闭集)上必定是 Lipschitz 的。

如果 \(W = \mathbb{R}^n\),那么就称这个函数是全局 Lipschitz 的。

更一般地,如果 \(f(x)\) 和它的偏导数 \(\frac{\partial f_i}{\partial x_j}\) 在某个区域(开的连通集)上都是连续的,那么有 \(f(x)\) 是局部 Lipschitz 的。更进一步,\(f(x)\) 是全局 Lipschitz 的,当且仅当该函数和它的偏导数在 \(\mathbb{R}^n\) 上连续且一致有界(每个偏导数都有界)。

1.1 局部 Lipschitz 性质的用处

局部 Lipschitz 性质可以用于保证无控制系统 \(\dot{x} = f(t,x)\) 解的存在性和唯一性:

1.1.1 引理1

如果 \(f(t,x)\) 关于 \(t\) 分段连续,并且对于所有的 \(t\in[t_0, t_1]\)\(f(t,x)\) 在初值 \(x_0\) 位置是局部 Lipschitz 的,那么存在一个正值 \(\delta > 0\),使得上述无控制系统状态方程的初值问题 \(x(t_0) = x_0\)\([t_0, t_0+\delta]\) 上存在唯一解。

1.1.2 引理2

更进一步,如果 \(f(t,x)\) 对于所有 \(t\in [t_0, t_1]\) 是全局 Lipschitz 的,那么初值问题在 \([t_0, t_1]\) 上存在唯一解。

1.1.3 引理3

引理2需要全局 Lipschitz,这个条件对于大部分非线性函数而言太强了。引理3不需要这个条件。

同样地,设 \(f(t,x)\) 关于 \(t\) 分段连续,并且对所有的 \(t \ge t_0\),在某个关于 \(x\) 的区域 \(D\)(开的连通集)上是局部 Lipschitz 的。设 \(W\)\(D\) 的一个紧子集(有界闭集),如果 \(x_0 \in W\),并且初值问题 \(\dot{x} = f(t,x), x(t_0) = x_0\) 的解在 \(t\ge t_0\) 时都在 \(W\) 内,那么这个解就是 \(t\ge t_0\) 时的唯一解。

2 自治/时不变

“自治”与“时不变”是一个意思,用来描述系统的状态演变与时间无关,也即与时间轴的零点选取无关,也即具有时间平移不变性。

3 微分同胚

微分同胚指的是一个连续可导的映射,同时存在一个连续可导的逆映射。

我们可能经常需要对状态方程里的 \(x\) 进行变量替换 \(z = T(x)\) 转换成 \(z\)

一方面,我们需要映射 \(T\) 是可逆的,并且 \(x = T^{-1}(z)\) 需要对所有的 \(z \in T(D)\)成立,其中 \(D\) 是该映射的定义域。另一方面,我们要求 \(x\)\(z\) 的导数连续,也就是说映射 \(T\)\(T^{-1}\) 都是连续可导的。

如果存在一个邻域 \(N(x_0,r)\) 使得映射 \(T(x)\) 在其上是一个微分同胚,那么就称该映射在 \(x_0\) 处局部微分同胚。

如果某映射在 \(\mathbb{R}^n\) 上是一个微分同胚,并且值域也是 \(\mathbb{R}^n\),那么就称该映射是全局的微分同胚。

3.1 引理1

对于一个连续可导映射,它的 Jacobi 矩阵如果在某处可逆,那么这个映射就在该处是局部微分同胚;若矩阵在 \(\mathbb{R}^n\) 上可逆并且(\(\lim_{\parallel x \parallel \to \infty} \parallel T(x) \parallel = \infty\)),那么这个连续可导映射就是全局微分同胚。

4 本质非线性现象

有限逃逸时间:系统状态在有限时间内趋于无穷大,比如 \(x = \frac{1}{t-1}\)

多重孤立平衡点:对于一个线性系统 \(\dot{x} = Ax\),满足 \(Ax = 0\) 的平衡点不可能是孤立的。假设 \(x_1, x_2\) 分别是两个平衡点,那么 \(ax_1 + (1-a) x_2\) 上的所有点肯定都是平衡点。但是非线性系统就可以用多重孤立平衡点,比如 \(\dot{x} = \sin(x)\),就有孤立平衡点 \(x = k\pi, k = 0,\pm1, \pm2...\)

4.1 极限环

线性系统的振荡是由于一对纯虚数特征值,这个振荡不稳定,稍有干扰系统的特征值就会偏移,并且振荡幅值与初始条件有关。

举个例子:

考虑线性系统

\[\dot{x} = Ax = \begin{bmatrix}0 & 1\\ -1 & 0\end{bmatrix}x, x(t_0) = x_0 = \begin{bmatrix}3\\ 7\end{bmatrix}\]

先把 \(A\) 对角化,得到:

\[\begin{aligned} T^{-1}AT &= \begin{bmatrix}\frac{1}{2} & -\frac{i}{2}\\ \frac{1}{2} & \frac{i}{2}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}0 & 1\\ -1 & 0\end{bmatrix} \begin{bmatrix}1 & 1\\ i & -i\end{bmatrix}\\ &= \begin{bmatrix}i & 0\\ 0 & -i\end{bmatrix} \end{aligned}\]

可以解得该线性系统初值问题的解为:

\[\begin{aligned}x &= e^{A(t-t_0)}x_0\\ &= Te^{T^{-1}AT(t-t_0)}T^{-1}x_0\\ &= \begin{bmatrix}1 & 1\\ i & -i\end{bmatrix} \begin{bmatrix}e^{i(t-t_0)} & 0\\ 0 & e^{-i(t-t_0)}\end{bmatrix} \begin{bmatrix}\frac{1}{2} & -\frac{i}{2}\\ \frac{1}{2} & \frac{i}{2}\end{bmatrix}x_0\\ &= \begin{bmatrix}\cos(t-t_0) & \sin(t-t_0)\\ -\sin(t-t_0) & \cos(t-t_0)\end{bmatrix}x_0 \end{aligned}\]

可以发现,线性系统特征值是一对纯虚数(\(i, -i\)),系统是振荡的,并且振幅与初值条件 \(x_0\) 相关。

但是非线性系统可以产生固定幅值和频率的稳定振荡,与初值无关。现实世界中,稳定的振荡只能出现在非线性系统里。

线性系统状态变量解耦

考虑线性时不变系统 \(\dot{x} = Ax\),且 矩阵 \(A\) 可逆且特征值互异。

这时候可以把矩阵 \(A\) 进行对角化,有

\[M^{-1}AM = J\]

这里的 \(M\)\(A\) 的特征向量组成的矩阵,\(J\) 是由 \(A\) 的特征值组成的对角阵。

我们把这个对角化的式子代回系统,有

\[\begin{aligned} M^{-1}\dot{x} &= M^{-1}Ax \\ &= JM^{-1}x \end{aligned}\]

由于 \(M^{-1}\) 是时不变的,所以可以做变量替换 \(z = M^{-1}x\) 得到

\[\dot{z} = Jz\]

这样,我们就实现了对变量的解耦。

根据解耦后的系统方程,我们可以解得

\[z_1 = z_{10}e^{\lambda_1t}, z_2 = z_{20}e^{\lambda_2t}\]

消去 \(t\) 后我们就得到了两个状态变量的关系:

\[z_2 = (\frac{z_1}{z_{10}})^{\lambda_2/\lambda_1}z_{20}\]

以上方法仅适用于特征值均为实数的情况,若特征值是一对共轭复数

参考资料

《非线性控制》 [美] Hassan K. Khalil 著,韩正之、王划、王少华、刘磊坡、谢七月 译,机械工业出版社