Lezione 4 · Canale 1 · giovedì 1 ottobre 2026

Modi naturali e cambio di coordinate

Sistemi Dinamici

L'evoluzione libera come somma di modi

Nelle componenti di xx l'evoluzione libera è un intreccio di esponenziali. Lungo gli autovettori di AA si scioglie: ogni direzione si muove da sola, con una legge esponenziale propria. Si parte dalla forma esplicita (FE), che separa l'evoluzione libera da quella forzata:

x(t)=Φ(t−t0) x0⏟xL(t)+∫t0tH(t−τ) u(τ) dτ⏟xF(t)y(t)=Ψ(t−t0) x0⏟yL(t)+∫t0tW(t−τ) u(τ) dτ⏟yF(t)\begin{aligned} x(t)&=\underbrace{\Phi(t-t_0)\,x_0}_{x_L(t)}+\underbrace{\int_{t_0}^{t}H(t-\tau)\,u(\tau)\,d\tau}_{x_F(t)}\\ y(t)&=\underbrace{\Psi(t-t_0)\,x_0}_{y_L(t)}+\underbrace{\int_{t_0}^{t}W(t-\tau)\,u(\tau)\,d\tau}_{y_F(t)} \end{aligned}

con Φ(t)=eAt\Phi(t)=e^{At}, H(t)=Φ(t)BH(t)=\Phi(t)B, Ψ(t)=CΦ(t)\Psi(t)=C\Phi(t) e W(t)=CH(t)+D δ(t)W(t)=CH(t)+D\,\delta(t).

AA ha autovalori λ1,…,λn\lambda_1,\dots,\lambda_n e autovettori u1,…,unu_1,\dots,u_n, reali e indipendenti. Le colonne di UU sono gli uiu_i; le righe di U−1U^{-1} sono i viv_i. Da U−1U=IU^{-1}U=I segue viuj=1v_iu_j=1 se i=ji=j e 00 altrimenti. Con Λ\Lambda diagonale degli autovalori:

A=UΛU−1=∑i=1nλi uiviA=U\Lambda U^{-1}=\sum_{i=1}^{n}\lambda_i\,u_iv_i

Le potenze si semplificano perché U−1U=IU^{-1}U=I si cancella fra due fattori: Ak=UΛkU−1A^k=U\Lambda^kU^{-1}. Nella serie dell'esponenziale ogni λi\lambda_i diventa eλite^{\lambda_it}:

eAt=∑k=0∞Aktkk!=UeΛtU−1=∑i=1neλit uivi\begin{aligned} e^{At}&=\sum_{k=0}^{\infty}\frac{A^kt^k}{k!}\\ &=Ue^{\Lambda t}U^{-1}\\ &=\sum_{i=1}^{n}e^{\lambda_it}\,u_iv_i \end{aligned}

Applicata a x0x_0 si ottiene l'evoluzione libera:

xL(t)=eAtx0=∑i=1nci eλit ui,ci=vix0x_L(t)=e^{At}x_0=\sum_{i=1}^{n}c_i\,e^{\lambda_it}\,u_i,\qquad c_i=v_ix_0

cic_i è uno scalare (riga per colonna). Ogni addendo è un modo naturale: la direzione uiu_i con la sua legge eλite^{\lambda_it}. A t=0t=0 i pezzi ricompongono lo stato, ∑iciui=x0\sum_i c_iu_i=x_0, perché ∑iuivi=UU−1=I\sum_i u_iv_i=UU^{-1}=I.

I modi nel piano

Con x∈R2x\in\mathbb R^2 lo stato è la somma di due vettori, uno lungo u1u_1 e uno lungo u2u_2, che cambiano solo di lunghezza. Un autovalore positivo allunga la componente esponenzialmente, uno negativo la accorcia verso zero, uno nullo la lascia a cic_i. Così si intuisce la traiettoria senza calcolarla:

  • con λ1,λ2>0\lambda_1,\lambda_2>0 lo stato si allontana lungo entrambe le direzioni;
  • con λ1=0\lambda_1=0 e λ2>0\lambda_2>0 la componente su u1u_1 resta c1c_1 e quella su u2u_2 cresce: la traiettoria è una retta parallela a u2u_2;
  • con λ1>0\lambda_1>0 e λ2<0\lambda_2<0 la componente su u1u_1 cresce e quella su u2u_2 si spegne: la traiettoria curva verso la direzione di u1u_1.

Le componenti lungo e

Piano di stato

−2,5−2−1,5−1−0,500,511,522,5−2,5−2−1,5−1−0,500,511,522,5
  • direzione
  • direzione

Componenti nel tempo

00,20,40,60,811,21,41,61,8200,511,5
  • lungo :
  • lungo :
Ogni componente evolve da sola come . Con sulla direzione di si ha e lo stato resta su .

Le direzioni degli autovettori sono sottospazi invarianti. Se x0=αuix_0=\alpha u_i, allora cj=α vjui=0c_j=\alpha\,v_ju_i=0 per j≠ij\neq i: lo stato non esce da quella retta. In dimensione maggiore vale lo stesso per il sottospazio generato da alcuni autovettori. Ogni direzione si studia senza guardare le altre, e se un modo diverge basta scegliere x0x_0 con ci=0c_i=0 per non vederlo nell'evoluzione libera.

Uscita: modi osservabili

Per l'uscita basta applicare CC all'evoluzione dello stato:

yL(t)=Ψ(t)x0=CxL(t)=∑i=1nci eλit (Cui)y_L(t)=\Psi(t)x_0=Cx_L(t)=\sum_{i=1}^{n}c_i\,e^{\lambda_it}\,(Cu_i)

Resta una combinazione di modi naturali, ma se Cui=0Cu_i=0 il modo ii non compare: è non osservabile. Il modo esiste nello stato, l'uscita non lo vede. Con più uscite CuiCu_i è un vettore e deve annullarsi per intero.

Un modo che scompare dall'uscita

00,511,522,533,5400,511,52
  • modo 1
  • modo 2
  • uscita
Il modo 1 sparisce dall'uscita se , per la scelta di , o se , per come è fatta : solo il secondo caso è non osservabilità.

Ingresso: modi eccitabili

La risposta forzata dipende da H(t)=eAtBH(t)=e^{At}B. Con la stessa decomposizione:

H(t)=UeΛtU−1B=∑i=1neλit ui (viB)H(t)=Ue^{\Lambda t}U^{-1}B=\sum_{i=1}^{n}e^{\lambda_it}\,u_i\,(v_iB)

È ancora una combinazione di modi naturali, non necessariamente tutti: se viB=0v_iB=0 il modo ii non compare in HH e non è eccitabile con un impulso in ingresso. Qui si guarda da fuori verso dentro, mentre l'osservabilità guarda da dentro verso fuori. E viBv_iB è fissato da BB: non lo si sceglie, come invece x0x_0.

Con un solo ingresso BB è un vettore e viBv_iB è uno scalare. Con p>1p>1 ingressi:

B=(b1⋯bp),viB=(vib1⋯vibp)B=\begin{pmatrix}b_1&\cdots&b_p\end{pmatrix},\quad v_iB=\begin{pmatrix}v_ib_1&\cdots&v_ib_p\end{pmatrix}

Se la riga è tutta nulla il modo non è eccitabile. Altrimenti lo è, ma solo con impulsi sugli ingressi che corrispondono a colonne non nulle: la colonna jj di HH è la risposta all'impulso sull'ingresso jj, e il modo vi compare con coefficiente ui (vibj)u_i\,(v_ib_j), nullo se vibj=0v_ib_j=0. Per sapere se un modo è eccitabile in generale basta che la riga non sia nulla.

In uscita:

W(t)=∑i=1neλit (Cui)(viB)+D δ(t)W(t)=\sum_{i=1}^{n}e^{\lambda_it}\,(Cu_i)(v_iB)+D\,\delta(t)

Un modo compare nella risposta impulsiva in uscita solo se è sia osservabile sia eccitabile. Se manca, può mancare per due ragioni diverse: Cui=0Cu_i=0 oppure viB=0v_iB=0.

Cambio di coordinate

Lo stato x∈X⊆Rnx\in X\subseteq\mathbb R^n raccoglie grandezze fisiche (tensioni, correnti, posizioni, temperature), ma non sempre sono quelle che rendono chiara la dinamica. Lo stesso vettore si può leggere in un'altra base:

z=Tx⟺x=T−1zz=Tx\quad\Longleftrightarrow\quad x=T^{-1}z

TT è invertibile e costante, quindi la trasformazione è lineare e stazionaria. Con T(t)T(t) variabile nel tempo il sistema perderebbe la stazionarietà. Le nuove coordinate possono non avere un significato fisico: il vettore è lo stesso, cambiano le sue componenti.

Si deriva zz e si sostituisce x=T−1zx=T^{-1}z:

z˙=Tx˙=TAx+TBu=TAT−1⏟A~z+TB⏟B~uy=CT−1⏟C~z+D⏟D~u\begin{aligned} \dot z&=T\dot x=TAx+TBu\\ &=\underbrace{TAT^{-1}}_{\tilde A}z+\underbrace{TB}_{\tilde B}u\\ y&=\underbrace{CT^{-1}}_{\tilde C}z+\underbrace{D}_{\tilde D}u \end{aligned}

D~=D\tilde D=D perché il collegamento diretto fra ingresso e uscita non passa dallo stato. Invertendo, A=T−1A~TA=T^{-1}\tilde AT.

Confrontando A=T−1A~TA=T^{-1}\tilde AT con A=UΛU−1A=U\Lambda U^{-1} si sceglie T−1=UT^{-1}=U e A~=Λ\tilde A=\Lambda, cioè

z=U−1x⟺x=Uz=(u1⋯un)zz=U^{-1}x\quad\Longleftrightarrow\quad x=Uz=\begin{pmatrix}u_1&\cdots&u_n\end{pmatrix}z

Le colonne di UU sono i vettori della nuova base scritti nelle vecchie coordinate: con zz che ha un solo 11 nella posizione ii si ottiene x=uix=u_i. L'ordine delle colonne fissa l'ordine delle nuove coordinate e dei modi. Con questa scelta

A~=U−1AU=Λ\tilde A=U^{-1}AU=\Lambda

La dinamica diventa diagonale: ogni ziz_i evolve da sola con λi\lambda_i. Tutto questo vale con autovalori λi\lambda_i reali.

Lo stesso stato in due basi

−3−2,5−2−1,5−1−0,500,511,522,53−3−2,5−2−1,5−1−0,500,511,522,53
  • direzione
  • direzione
Cambiare base non sposta : cambiano le sue coordinate, cioè quanto di e di sommare per ottenerlo.

Formulario

Matrici della forma esplicita

Φ(t)=eAtH(t)=Φ(t)BΨ(t)=CΦ(t)W(t)=CH(t)+Dδ(t)\begin{aligned} \Phi(t)&=e^{At}\\ H(t)&=\Phi(t)B\\ \Psi(t)&=C\Phi(t)\\ W(t)&=CH(t)+D\delta(t) \end{aligned}

Autovettori, viuj=δijv_iu_j=\delta_{ij}

U=(u1⋯un)U=\begin{pmatrix}u_1&\cdots&u_n\end{pmatrix} U−1=(v1⋮vn)U^{-1}=\begin{pmatrix}v_1\\\vdots\\v_n\end{pmatrix}

Decomposizione spettrale

A=UΛU−1=∑iλiuivi\begin{aligned} A&=U\Lambda U^{-1}\\ &=\sum_i\lambda_iu_iv_i \end{aligned}

Esponenziale

eAt=UeΛtU−1=∑ieλituivi\begin{aligned} e^{At}&=Ue^{\Lambda t}U^{-1}\\ &=\sum_ie^{\lambda_it}u_iv_i \end{aligned}

Evoluzione libera, ci=vix0c_i=v_ix_0

xL(t)=∑icieλituix_L(t)=\sum_ic_ie^{\lambda_it}u_i

Uscita libera

yL(t)=∑icieλit(Cui)y_L(t)=\sum_ic_ie^{\lambda_it}(Cu_i)

Risposta impulsiva dello stato

H(t)=∑ieλitui(viB)H(t)=\sum_ie^{\lambda_it}u_i(v_iB)

Risposta impulsiva in uscita

W(t)=∑ieλit(Cui)(viB)+Dδ(t)\begin{aligned} W(t)&=\sum_ie^{\lambda_it}(Cu_i)(v_iB)\\ &\quad+D\delta(t) \end{aligned}

Modo ii non osservabile / non eccitabile

Cui=0viB=0Cu_i=0\qquad v_iB=0

Cambio di coordinate

z=Tx,x=T−1zz=Tx,\quad x=T^{-1}z A~=TAT−1B~=TBC~=CT−1D~=D\begin{aligned} \tilde A&=TAT^{-1}\\ \tilde B&=TB\\ \tilde C&=CT^{-1}\\ \tilde D&=D \end{aligned}

Base degli autovettori, T=U−1T=U^{-1}

A~=U−1AU=Λ\tilde A=U^{-1}AU=\Lambda