Lezione 5 · Canale 2 · venerdì 2 ottobre 2026
Evoluzione libera e modi naturali
Sistemi Dinamici
Riassunto
La soluzione della risposta libera dipende dalla diagonalizzabilità della matrice , determinata dal confronto tra molteplicità algebrica e geometrica dei suoi autovalori. Per una coppia di autovalori complessi coniugati, una rappresentazione reale a blocchi descrive il moto pseudoperiodico nel piano individuato da due vettori reali. La traiettoria si scompone in modi naturali: il segno della parte reale determina se ciascun contributo diverge, decade o rimane limitato. La costante di tempo caratterizza la rapidità di decadimento di un modo reale, mentre pulsazione naturale e smorzamento descrivono i modi pseudoperiodici. Un esercizio su un sistema del terzo ordine illustra il calcolo dello schema di simulazione, degli autovalori, degli autovettori e della traiettoria libera.
Concetti chiave
- Polinomio caratteristico — il polinomio , le cui radici sono gli autovalori di .
- Molteplicità algebrica — il numero di volte in cui un autovalore compare come radice del polinomio caratteristico.
- Molteplicità geometrica — la dimensione dell'autospazio associato a un autovalore, uguale a .
- Forma di Jordan — forma a blocchi usata quando la molteplicità algebrica e geometrica non coincidono; contiene blocchi diagonali e blocchi con elementi sopradiagonali.
- Autovettori destri e sinistri — i vettori usati rispettivamente come colonne del cambiamento di coordinate e come righe della sua inversa.
- Modo naturale — contributo alla risposta libera associato a un autovalore; per un autovalore reale varia secondo un esponenziale, mentre una coppia complessa genera un modo pseudoperiodico.
- Costante di tempo — parametro per un autovalore reale negativo; il modo si riduce a del valore iniziale dopo il tempo .
- Pulsazione naturale — modulo dell'autovalore complesso , indicato con .
- Smorzamento — parametro che descrive l'attenuazione delle oscillazioni.
Sviluppo
Diagonalizzabilità e molteplicità
La risposta libera dipende dalla struttura di . Un autovalore è caratterizzato da due molteplicità: la molteplicità algebrica (numero di radici coincidenti nel polinomio caratteristico) e la molteplicità geometrica (dimensione dello spazio degli autovettori). Se per ogni autovalore le due molteplicità coincidono, è diagonalizzabile e la matrice di transizione è facilmente calcolabile. Se non coincidono, la matrice assume forma di Jordan con blocchi sopradiagonali, e il calcolo dell'esponenziale è più complesso.
Coppie complesse coniugate e blocchi reali
Per una matrice reale con autovalori complessi, gli autovalori coniugati si presentano sempre a coppie. Una coppia può essere trasformata in un blocco reale :
Il vantaggio della rappresentazione reale è che il calcolo dell'esponenziale diventa esplicito e si esprime in termini di seno, coseno e un fattore esponenziale, senza passare per i numeri complessi. L'esponenziale del blocco reale è:
Modo pseudoperiodico nel piano reale
Una coppia complessa produce un moto che si svolge in un piano bidimensionale individuato dai vettori reali e , derivati dalle parti reale e immaginaria degli autovettori complessi. Il movimento combina una rotazione, descritta da seno e coseno, con un inviluppo esponenziale .
Se , la spirale converge verso l'origine; se , la traiettoria è un'ellisse; se , la spirale diverge. La velocità di rotazione è determinata da , e la rapidità della convergenza o divergenza da .
In uno spazio tridimensionale con e sul piano e un autovettore reale lungo l'asse , i modi si sommano: se l'autovalore reale è positivo e la parte reale della coppia complessa è negativa, la componente sul piano si estingue mentre quella lungo cresce, e la traiettoria si allontana lungo l'asse . Se invece , la proiezione sul piano è un'ellisse e il moto si sviluppa su un cilindro mentre la componente lungo cresce.
Estensione a dimensioni superiori
Per una matrice diagonalizzabile con autovalori reali e coppie complesse coniugate, vale . La matrice trasformata è diagonale a blocchi: blocchi per autovalori reali e blocchi per coppie complesse. Elevare la matrice alla potenza corrisponde a elevare ciascun blocco alla potenza.
Scomposizione della risposta libera in modi naturali
Lo stato iniziale può essere espresso nella base degli autovettori (reali o complessi). Ogni autovalore reale contribuisce con un termine lungo il suo autovettore, mentre ogni coppia complessa contribuisce con un termine pseudoperiodico nel suo piano. La risposta libera è la sovrapposizione di questi contributi modali.
Crescita, convergenza e limitatezza
Il segno della parte reale di un autovalore determina il comportamento lungo il tempo:
- Se o , il modo diverge.
- Se o , il modo rimane limitato (costante nel caso reale, oscillante nel caso complesso).
- Se o , il modo converge a zero.
Quando le molteplicità non coincidono, compaiono termini polinomiali come , , etc. Per l'esponenziale domina e i termini decadono comunque; per i termini polinomiali possono crescere indefinitamente.
Costante di tempo
Per un autovalore reale negativo , si riscrive come dove è la costante di tempo. Al tempo , il modo si è ridotto a del valore iniziale. Una costante di tempo piccola corrisponde a un decadimento rapido; una costante di tempo grande a un decadimento lento.
Pulsazione naturale e smorzamento
Per una coppia complessa , si introducono la pulsazione naturale (il modulo dell'autovalore) e lo smorzamento (il rapporto tra e il modulo).
- Con si ha e le radici sono immaginarie pure; il moto è oscillatorio non attenuato.
- Con le radici sono complesse coniugate a parte reale negativa; il moto è oscillatorio smorzato, con oscillazioni che si attenuano.
- Con si ha e il caso degenera in radici reali coincidenti (forma di Jordan se la molteplicità geometrica è minore di quella algebrica).
- Con le radici sono reali e distinte, ambedue negative; non ci sono oscillazioni.
- Con (equivalentemente ) il modo è amplificato; per le radici sono complesse coniugate a parte reale positiva e le oscillazioni crescono.
Per e smorzamenti , e si osservano in tutti i casi oscillazioni, ma aumentando lo smorzamento la loro ampiezza si riduce più rapidamente.
Esercizio: sistema del terzo ordine
Si consideri il sistema
cioè , , e .
Lo schema di simulazione si costruisce con tre integratori, uno per ciascuno stato, collegando le uscite secondo le equazioni; i guadagni e i nodi di somma realizzano i termini delle matrici , e . Due fili che si incrociano senza collegarsi si disegnano con un piccolo arco, per distinguere l'incrocio da un nodo.
Gli autovalori sono un autovalore reale e una coppia complessa : il sistema ha un modo aperiodico e uno pseudoperiodico. Gli autovettori destri sono per e, per la coppia, e , parte reale e immaginaria dell'autovettore complesso associato a .
Per ottenere la traiettoria libera da uno stato iniziale si forma la matrice con questi autovettori come colonne, se ne calcola l'inversa e se ne usano le righe come vettori sinistri , e . I coefficienti sono , e , da cui si calcolano modulo e fase e del contributo della coppia; la traiettoria è la sovrapposizione del modo aperiodico lungo e del modo pseudoperiodico nel piano di e .
Convergenza di un'iterazione
Verificare che una radice sia un punto fisso di un'iterazione non dimostra che l'iterazione converga partendo da un altro valore: occorre controllare il comportamento fuori dalla radice. Per esempio, l'iterazione , con , ha come punto fisso e converge vicino alla radice soltanto se , cioè ; con diverge. Il metodo delle tangenti dà invece .
Formule e dimostrazioni
Risposta libera del sistema lineare
è la matrice del sistema e lo stato iniziale.
Polinomio caratteristico e molteplicità geometrica
La quantità è la molteplicità geometrica, pari alla dimensione dell'autospazio. La diagonalizzazione richiede che per ogni autovalore la molteplicità geometrica uguagli quella algebrica.
Blocco reale associato a una coppia complessa
e sono rispettivamente la parte reale e quella immaginaria della coppia di autovalori .
Esponenziale nella base originale
sono i vettori destri reali associati alla coppia e le righe della matrice inversa del cambiamento di coordinate.
Forma del contributo complesso con fase
Il contributo della coppia si scrive come:
Scomposizione della risposta libera in modi naturali
Il primo termine somma i contributi degli autovalori reali; il secondo somma quelli delle coppie complesse coniugate.
Conteggio degli autovalori
Ogni autovalore reale contribuisce una radice; ogni coppia complessa coniugata contribuisce due radici.
Termini associati a blocchi di Jordan
Quando la molteplicità geometrica è minore di quella algebrica, appaiono fattori polinomiali moltiplicati per l'esponenziale. Per il decadimento esponenziale domina; per i fattori polinomiali possono crescere; per il crescimento è comunque divergente.
Costante di tempo
è il tempo caratteristico di decadimento: al tempo , il modo si è ridotto a del valore iniziale.
Pulsazione naturale e smorzamento
è il modulo dell'autovalore complesso; è il rapporto tra e tale modulo. Per , lo smorzamento è positivo; per , è negativo.
Relazioni nei casi particolari
Per (oscillazione pura): , .
Per (radici reali coincidenti): , .
Per (radici complesse a parte reale positiva): , il modo è amplificato.
Per (radici reali distinte): le radici sono , entrambe negative se .