Lezione 6 · Canale 1 · martedì 6 ottobre 2026

Modi naturali e sistemi a tempo discreto

Sistemi Dinamici

Una coppia complessa si muove in un piano

Una matrice reale ha autovalori complessi solo in coppie coniugate, λ=α+iω\lambda=\alpha+\mathrm i\omega e λ∗\lambda^*, con autovettori coniugati u=ua+i ubu=u_a+\mathrm i\,u_b e u∗u^*. L'evoluzione però resta reale. Si sostituiscono allora uu e u∗u^* con i due vettori reali uau_a e ubu_b: generano un piano invariante, e il resto della base non cambia.

Come AA agisce sul piano si legge separando parte reale e parte immaginaria di Au=λuAu=\lambda u:

Aua=αua−ωubAub=ωua+αub\begin{aligned} Au_a&=\alpha u_a-\omega u_b\\ Au_b&=\omega u_a+\alpha u_b \end{aligned}

Nella base (ua ub)(u_a\ u_b) il blocco è (αω−ωα)\begin{pmatrix}\alpha&\omega\\-\omega&\alpha\end{pmatrix}, e il suo esponenziale è eαte^{\alpha t} per una rotazione di angolo ωt\omega t:

eAt∣piano=eαt(cos⁡ωtsin⁡ωt−sin⁡ωtcos⁡ωt)e^{At}\big|_{\text{piano}}=e^{\alpha t}\begin{pmatrix}\cos\omega t&\sin\omega t\\-\sin\omega t&\cos\omega t\end{pmatrix}

Ampiezza e fase del modo

Siano vav_a e vbv_b le righe di U−1U^{-1} che corrispondono a uau_a e ubu_b, e ca=vax0c_a=v_ax_0, cb=vbx0c_b=v_bx_0 le coordinate dello stato iniziale nel piano. Sono libere e indipendenti, perché dipendono solo da x0x_0:

xc(t)=eαt[(cacos⁡ωt+cbsin⁡ωt) ua+(−casin⁡ωt+cbcos⁡ωt) ub]\begin{aligned} x_c(t)=e^{\alpha t}\bigl[&(c_a\cos\omega t+c_b\sin\omega t)\,u_a\\ +&(-c_a\sin\omega t+c_b\cos\omega t)\,u_b\bigr] \end{aligned}

Per riunire seno e coseno si pone m=ca2+cb2m=\sqrt{c_a^2+c_b^2}, ca=msin⁡φc_a=m\sin\varphi, cb=mcos⁡φc_b=m\cos\varphi: è possibile perché (ca/m)2+(cb/m)2=1(c_a/m)^2+(c_b/m)^2=1. Con le formule di addizione:

xc(t)=m eαt[sin⁡(ωt+φ) ua+cos⁡(ωt+φ) ub]\begin{aligned} x_c(t)=m\,e^{\alpha t}\bigl[&\sin(\omega t+\varphi)\,u_a\\ +&\cos(\omega t+\varphi)\,u_b\bigr] \end{aligned}

I due vettori non sono autovettori: insieme formano un solo modo. Seno e coseno sono in quadratura: quando una componente è massima l'altra è nulla, e lo stato gira nel piano. Partire lungo uau_a non lo tiene su uau_a. L'inviluppo eαte^{\alpha t} decide la forma: con α<0\alpha<0 la spirale entra nell'origine, con α>0\alpha>0 esce, con α=0\alpha=0 si chiude.

Un modo pseudoperiodico

−2−1,5−1−0,500,511,52−2−1,8−1,6−1,4−1,2−1−0,8−0,6−0,4−0,200,20,40,60,811,21,41,61,82
  • stato
012345678910−2−1,5−1−0,500,511,52
  • lungo
  • lungo
  • inviluppo
Le due componenti oscillano in quadratura sotto lo stesso inviluppo. e cambiano solo il punto di partenza, e la forma della spirale.

Il modo di una coppia complessa è pseudoperiodico: sarebbe periodico senza il fattore esponenziale. Quello di un autovalore reale è aperiodico. Con n1n_1 autovalori reali e n2n_2 coppie complesse si ha n1+2n2=nn_1+2n_2=n, e nel caso diagonalizzabile:

xc(t)=∑i=1n1ci eλit ui+∑i=1n2mi eαit[sin⁡(ωit+φi) uai+cos⁡(ωit+φi) ubi]\begin{aligned} x_c(t)&=\sum_{i=1}^{n_1}c_i\,e^{\lambda_it}\,u_i\\ &+\sum_{i=1}^{n_2}m_i\,e^{\alpha_it}\bigl[\sin(\omega_it+\varphi_i)\,u_{ai}\\ &\qquad+\cos(\omega_it+\varphi_i)\,u_{bi}\bigr] \end{aligned}

Osservabilità ed eccitabilità di una coppia

Nell'uscita libera y=Cxy=Cx il modo compare attraverso CuaCu_a e CubCu_b. Un modo reale sparisce se Cui=0Cu_i=0; una coppia solo se si annullano entrambi, perché CC è reale e C(ua+i ub)=0C(u_a+\mathrm i\,u_b)=0 equivale ai due:

Cua=0,Cub=0⇒inosservabileCu_a=0,\qquad Cu_b=0\quad\Rightarrow\quad\text{inosservabile}

Dal lato dell'ingresso, H(t)=eAtBH(t)=e^{At}B contiene il fattore (vavb)B\begin{pmatrix}v_a\\v_b\end{pmatrix}B: la coppia non è eccitabile se

vaB=0,vbB=0v_aB=0,\qquad v_bB=0

W(t)=CeAtBW(t)=Ce^{At}B contiene solo i modi insieme osservabili ed eccitabili.

Esempio: massa, molla e smorzatore

Un corpo di massa MM su un binario è legato a una molla di rigidezza kmk_m e a uno smorzatore di coefficiente kAk_A. L'ingresso è la forza, u=Fu=F, l'uscita la posizione, y=py=p:

Mp¨(t)=F(t)−kAp˙−kmpM\ddot p(t)=F(t)-k_A\dot p-k_mp

La posizione non basta come stato: a parità di posizione e di forza il corpo evolve in modo diverso se è fermo o in moto. Serve anche la velocità. L'accelerazione si ricava dall'equazione, quindi non è una variabile di stato. In generale, un'equazione di ordine nn ha come stato la variabile e le sue derivate fino all'ordine n−1n-1. Con x1=px_1=p e x2=p˙x_2=\dot p:

x˙1=x2x˙2=−kmMx1−kAMx2+1MF\begin{aligned} \dot x_1&=x_2\\ \dot x_2&=-\tfrac{k_m}{M}x_1-\tfrac{k_A}{M}x_2+\tfrac1MF \end{aligned}

Il sistema è stazionario perché i parametri non dipendono dal tempo, ed è lineare perché p¨\ddot p è una combinazione lineare di pp, p˙\dot p e FF. Quindi:

A=(01−kmM−kAM),B=(01M)A=\begin{pmatrix}0&1\\-\tfrac{k_m}{M}&-\tfrac{k_A}{M}\end{pmatrix},\qquad B=\begin{pmatrix}0\\\tfrac1M\end{pmatrix} C=(10),D=0C=\begin{pmatrix}1&0\end{pmatrix},\qquad D=0

D=0D=0 perché la posizione non dipende direttamente dalla forza. Con M=1M=1, km=1k_m=1 e kAk_A da scegliere, det⁡(λI−A)=λ2+kAλ+1\det(\lambda I-A)=\lambda^2+k_A\lambda+1 e

λ1,2=−kA±kA2−42\lambda_{1,2}=\frac{-k_A\pm\sqrt{k_A^2-4}}{2}
  • kA>2k_A>2: autovalori reali, distinti e negativi. Modi aperiodici, la posizione torna a zero senza oscillare.
  • 0<kA<20<k_A<2: coppia complessa con parte reale −kA/2<0-k_A/2<0. Modo pseudoperiodico, la posizione oscilla mentre decade.
  • kA=2k_A=2: radici coincidenti, AA non diagonalizzabile; il caso si tratta a parte.

Gli autovalori dicono dunque, senza calcolare l'evoluzione, se il sistema torna all'equilibrio e se lo fa oscillando; scegliere kAk_A progetta il comportamento.

Autovalori e posizione al variare di

−4−3,5−3−2,5−2−1,5−1−0,500,51−2−1,5−1−0,500,511,52ReIm
02468101214−1−0,500,51
  • posizione
Con il corpo fermo in posizione 1 all'inizio: sotto gli autovalori sono complessi e la posizione oscilla decadendo; sopra sono reali negativi e decade senza oscillare.

Sistemi a tempo discreto

Nel tempo discreto lo stato al passo successivo è funzione di quello attuale. Un esempio: gli iscritti ai tre anni di un corso, x1(t)x_1(t), x2(t)x_2(t), x3(t)x_3(t), contati ogni anno. Con βi\beta_i la frazione di bocciati all'anno ii, I(t)I(t) gli immatricolati e L(t)L(t) i laureati:

x1(t+1)=β1x1(t)+I(t)x2(t+1)=β2x2(t)+(1−β1)x1(t)x3(t+1)=β3x3(t)+(1−β2)x2(t)−L(t)\begin{aligned} x_1(t+1)&=\beta_1x_1(t)+I(t)\\ x_2(t+1)&=\beta_2x_2(t)+(1-\beta_1)x_1(t)\\ x_3(t+1)&=\beta_3x_3(t)+(1-\beta_2)x_2(t)-L(t) \end{aligned}

I bocciati restano nell'anno, i promossi passano all'anno dopo, i laureati escono. È lineare e stazionario: con x=(x1 x2 x3)⊤x=(x_1\ x_2\ x_3)^\top e u=(I L)⊤u=(I\ L)^\top si scrive x(t+1)=Ax(t)+Bu(t)x(t+1)=Ax(t)+Bu(t), con

A=(β1001−β1β2001−β2β3)A=\begin{pmatrix}\beta_1&0&0\\1-\beta_1&\beta_2&0\\0&1-\beta_2&\beta_3\end{pmatrix} B=(10000−1)B=\begin{pmatrix}1&0\\0&0\\0&-1\end{pmatrix}

Dal passo alla soluzione

La forma esplicita ha la stessa struttura del continuo, con una somma al posto dell'integrale:

x(t)=Φ(t−t0) x(t0)+∑τ=t0t−1H(t−τ) u(τ)\begin{aligned} x(t)&=\Phi(t-t_0)\,x(t_0)\\ &\quad+\sum_{\tau=t_0}^{t-1}H(t-\tau)\,u(\tau) \end{aligned}

Un solo passo, da tt a t+1t+1, dà x(t+1)=Φ(1)x(t)+H(1)u(t)x(t+1)=\Phi(1)x(t)+H(1)u(t), quindi A=Φ(1)A=\Phi(1) e B=H(1)B=H(1). Iterando il passo da t0t_0:

x(t0+1)=Ax(t0)+Bu(t0)x(t0+2)=A2x(t0)+ABu(t0)+Bu(t0+1)\begin{aligned} x(t_0+1)&=Ax(t_0)+Bu(t_0)\\ x(t_0+2)&=A^2x(t_0)+ABu(t_0)\\ &\quad+Bu(t_0+1) \end{aligned}

Ogni ingresso è moltiplicato per AA tante volte quanti sono i passi trascorsi dopo quello in cui ha agito:

x(t)=A t−t0x(t0)+∑τ=t0t−1A t−1−τBu(τ)\begin{aligned} x(t)&=A^{\,t-t_0}x(t_0)\\ &\quad+\sum_{\tau=t_0}^{t-1}A^{\,t-1-\tau}Bu(\tau) \end{aligned}

Dunque Φ(t)=At\Phi(t)=A^t e H(t)=At−1BH(t)=A^{t-1}B per t≥1t\ge1.

Potenze di AA e modi reali

Serve AtA^t in forma chiusa. Se A=UΛU−1A=U\Lambda U^{-1}, le potenze agiscono sugli autovalori: At=UΛtU−1A^t=U\Lambda^tU^{-1}. Con uiu_i autovettori di AA e viv_i righe di U−1U^{-1}, posto ci=vix(0)c_i=v_ix(0), l'evoluzione libera è

x(t)=∑i=1nci λi t uix(t)=\sum_{i=1}^nc_i\,\lambda_i^{\,t}\,u_i

Un autovalore reale dà un modo aperiodico:

  • λ>1\lambda>1 cresce, 0<λ<10<\lambda<1 decade a zero, λ=1\lambda=1 resta costante.
  • −1<λ<0-1<\lambda<0 alterna il segno a ogni passo e decade: modo aperiodico alternante convergente.
  • λ=−1\lambda=-1 alterna senza cambiare ampiezza.
  • λ<−1\lambda<-1 alterna e diverge.

Nel continuo eλt>0e^{\lambda t}>0 non alterna mai: l'alternanza è propria del tempo discreto.

Un modo reale a tempo discreto

012345678−4−2024
Con il segno alterna; con l'ampiezza decade, con cresce.

Coppia complessa nel discreto

Per una coppia coniugata si usa la forma polare λ=ρ eiθ\lambda=\rho\,e^{\mathrm i\theta}: la potenza di α+iω\alpha+\mathrm i\omega in forma cartesiana darebbe potenze di binomio, mentre la forma polare separa il modulo dalla fase. Nella base reale (ua ub)(u_a\ u_b) il blocco è ρ\rho per una rotazione di angolo θ\theta; tt rotazioni successive fanno una rotazione di θt\theta t:

At∣piano=ρ t(cos⁡θtsin⁡θt−sin⁡θtcos⁡θt)A^t\big|_{\text{piano}}=\rho^{\,t}\begin{pmatrix}\cos\theta t&\sin\theta t\\-\sin\theta t&\cos\theta t\end{pmatrix}

Il modo ha la forma del caso continuo, con ρt\rho^t al posto di eαte^{\alpha t} e θt\theta t al posto di ωt\omega t:

x(t)=m ρ t[sin⁡(θt+φ) ua+cos⁡(θt+φ) ub]\begin{aligned} x(t)=m\,\rho^{\,t}\bigl[&\sin(\theta t+\varphi)\,u_a\\ +&\cos(\theta t+\varphi)\,u_b\bigr] \end{aligned}

Con ρ>1\rho>1 l'ampiezza cresce, con 0<ρ<10<\rho<1 decade, con ρ=1\rho=1 resta costante. Non è alternante come un modo reale negativo, perché ρ>0\rho>0: l'oscillazione viene dalla fase.

Un modo pseudoperiodico a tempo discreto

−2−1,5−1−0,500,511,52−2−1,8−1,6−1,4−1,2−1−0,8−0,6−0,4−0,200,20,40,60,811,21,41,61,82
024681012−2−1,5−1−0,500,511,52
  • lungo
  • lungo
  • inviluppo
Per gli stati si avvicinano all'origine, per se ne allontanano; a ogni passo ruotano di .

La geometria non cambia fra continuo e discreto: osservabilità ed eccitabilità di una coppia restano Cua=Cub=0Cu_a=Cu_b=0 e vaB=vbB=0v_aB=v_bB=0. Cambia solo la legge temporale, esponenziale nel continuo e potenza nel discreto.

Formulario

Coppia complessa

Aua=αua−ωubAub=ωua+αub\begin{aligned} Au_a&=\alpha u_a-\omega u_b\\ Au_b&=\omega u_a+\alpha u_b \end{aligned}

Blocco sul piano

eαt(cos⁡ωtsin⁡ωt−sin⁡ωtcos⁡ωt)e^{\alpha t}\begin{pmatrix}\cos\omega t&\sin\omega t\\-\sin\omega t&\cos\omega t\end{pmatrix}

Ampiezza e fase

m=ca2+cb2ca=msin⁡φcb=mcos⁡φ\begin{aligned} m&=\sqrt{c_a^2+c_b^2}\\ c_a&=m\sin\varphi\\ c_b&=m\cos\varphi \end{aligned}

Modo pseudoperiodico

xc(t)=m eαt[sin⁡(ωt+φ)ua+cos⁡(ωt+φ)ub]\begin{aligned} x_c(t)&=m\,e^{\alpha t}\bigl[\sin(\omega t+\varphi)u_a\\ &\quad+\cos(\omega t+\varphi)u_b\bigr] \end{aligned}

Conteggio dei modi

n1+2n2=nn_1+2n_2=n

Inosservabile, non eccitabile

Cua=Cub=0Cu_a=Cu_b=0 vaB=vbB=0v_aB=v_bB=0

Massa, molla, smorzatore

Mp¨=F−kAp˙−kmpM\ddot p=F-k_A\dot p-k_mp

Polinomio caratteristico, M=km=1M=k_m=1

λ2+kAλ+1=0\lambda^2+k_A\lambda+1=0

Sistema a tempo discreto

x(t+1)=Ax(t)+Bu(t)x(t+1)=Ax(t)+Bu(t)

Forma esplicita

x(t)=A t−t0x(t0)+∑τ=t0t−1A t−1−τBu(τ)\begin{aligned} x(t)&=A^{\,t-t_0}x(t_0)\\ &+\sum_{\tau=t_0}^{t-1}A^{\,t-1-\tau}Bu(\tau) \end{aligned} Φ(t)=At,H(t)=At−1B\Phi(t)=A^t,\quad H(t)=A^{t-1}B

Modi reali

x(t)=∑iciλi tuix(t)=\sum_ic_i\lambda_i^{\,t}u_i

Coppia complessa, λ=ρeiθ\lambda=\rho e^{\mathrm i\theta}

x(t)=mρt[sin⁡(θt+φ)ua+cos⁡(θt+φ)ub]\begin{aligned} x(t)&=m\rho^t\bigl[\sin(\theta t+\varphi)u_a\\ &\quad+\cos(\theta t+\varphi)u_b\bigr] \end{aligned}