Lezione 8 · Canale 2 · martedì 13 ottobre 2026
Stabilità dei sistemi dinamici
Sistemi Dinamici
Dai modi alla stabilità
Un modo naturale converge, resta limitato o diverge secondo la parte reale del suo autovalore: negativa, nulla o positiva. La stabilità estende la distinzione a qualunque sistema, anche non lineare: una piccola perturbazione dello stato iniziale produce uno scostamento piccolo? Per i sistemi lineari conta la posizione degli autovalori.
Sollecitare un solo modo
Nell'evoluzione libera basta scegliere perché compaia il solo modo . Nell'evoluzione forzata il ruolo dello stato iniziale lo hanno le colonne di , fisse: con si ha , l'evoluzione libera da . Compare il solo modo se per qualche , cioè se appartiene all'immagine di . Per un modo pseudoperiodico basta che l'immagine contenga un vettore non nullo del piano di e . È l'eccitabilità separata.
Autovalori con parte reale nulla
Se il modo converge, se diverge, anche quando la molteplicità algebrica supera la geometrica. Se il modo è limitato se e solo se le due molteplicità coincidono. Lo mostrano tre matrici in forma di Jordan, ognuna con un solo blocco :
Hanno l'autovalore doppio , e rispettivamente, con : molteplicità algebrica , geometrica . C'è un solo autovettore e serve la catena degli autovettori generalizzati. Su un blocco di Jordan l'esponenziale ha sulla diagonale e dove il blocco ha :
Le leggi dei modi sono e , poi e , poi e . Per l'esponenziale decresce più in fretta di quanto cresca, e il modo converge. Per diverge. Per il termine diverge, come per una coppia con molteplicità geometrica minore dell'algebrica. Se le due molteplicità coincidono quel termine non c'è e il modo resta limitato.
Il termine con contro l'esponenziale
Punti di equilibrio
Per con ingresso costante , lo stato è di equilibrio se : partendo da il sistema vi resta. Gli equilibri possono essere in numero qualunque: non ne ha di reali, ha la sola origine. Il pendolo, con , e , ha e multiplo intero di : infiniti equilibri, fisicamente due posizioni, la massa in basso e in alto. Spostata di poco, quella in basso resta nei dintorni, quella in alto cade.
Stabilità semplice, asintotica, esponenziale
Si perturba lo stato iniziale rispetto a . L'equilibrio è stabile se per ogni esiste tale che
Comunque piccolo sia l'intorno di raggio , un intorno iniziale abbastanza piccolo tiene la traiettoria al suo interno. Per il pendolo in alto, con piccolo, nessun basta. Se la condizione manca anche solo per un , l'equilibrio è instabile.
È asintoticamente stabile se è stabile ed esiste tale che
Il pendolo in basso con attrito torna alla posizione di equilibrio. Senza attrito oscilla all'infinito in un intorno senza convergere: è solo stabile, di stabilità semplice. Per convergere a l'equilibrio deve essere isolato, altrimenti da un equilibrio vicino la traiettoria non lo raggiunge.
È esponenzialmente stabile se la convergenza è maggiorata da un esponenziale decrescente: esiste un tasso tale che per ogni esiste per cui implica
Stabilità semplice e asintotica
Stabilità semplice
- intorno di di raggio
- intorno di di raggio
Stabilità asintotica
- intorno di di raggio
- intorno di di raggio
Queste proprietà valgono vicino a : sono locali. Una proprietà globale vale per ogni stato iniziale: l'equilibrio è globalmente asintoticamente stabile se è stabile e comunque si parta. Perciò deve essere l'unico equilibrio.
Stabilità di un moto
Si vuole che il sistema segua un moto , ma lo stato iniziale è perturbato e il moto effettivo è , con lo stesso ingresso. Lo scostamento soddisfa
Il secondo membro si annulla per : l'origine è un equilibrio, di un sistema in generale non stazionario, perché dipende dal tempo attraverso . La stabilità del moto è la stabilità di quell'origine.
Sistemi lineari
Per gli equilibri risolvono . Se l'unico è l'origine. Se è autovalore le soluzioni formano un sottospazio, per esempio tutto l'asse se la prima colonna di è nulla: vicino a ogni equilibrio ce ne sono infiniti altri e nessuno è isolato.
Lo scostamento evolve con la matrice di transizione, . Con una norma di matrice indotta, la norma di un prodotto è al più il prodotto delle norme:
Se per ogni basta . Viceversa la definizione dà , cioè . Quindi l'equilibrio è stabile se e solo se è limitata: una proprietà del sistema, non di , detta stabilità interna. Gli elementi di sono combinazioni delle leggi dei modi, e la condizione riguarda gli autovalori :
- stabilità: per ogni e, per gli autovalori con , molteplicità algebrica e geometrica uguali.
- stabilità asintotica: per ogni .
Con i blocchi di Jordan non contano, perché l'esponenziale prevale sul polinomio. Allora l'origine è l'unico equilibrio e la convergenza è esponenziale. È anche globale: il cambio di scala , con , dà ancora , quindi la convergenza vale da un intorno qualunque.
Un autovalore nullo dà equilibri non isolati ed esclude la stabilità asintotica. Una coppia con lascia l'origine unico equilibrio, se non è autovalore, ma il suo modo non si estingue: al più stabilità semplice.
Per i moti conta ancora solo : con e si ha .
Il discrimine è l'asse immaginario. Un solo autovalore nel semipiano destro rende il sistema instabile, e lo stesso fa un autovalore sull'asse con molteplicità geometrica minore dell'algebrica. Alcuni casi:
Nella quarta compare il termine , nell'ultima basta un modo divergente.
Regola dei segni e criterio di Routh
Per il polinomio di secondo grado a coefficienti reali non nulli, le radici con parte reale positiva sono tante quante le variazioni di segno fra , , (regola di Cartesio). Con e positivi non ce ne sono: tutte le radici hanno parte reale negativa. Con e le variazioni sono due, e due le radici a parte reale positiva. Per gradi alti il criterio di Routh generalizza la regola e dice in quale semipiano si trovano le radici, senza calcolarle.
Massa-molla-smorzatore
Un carrello di massa con molla e smorzatore , mosso da una forza , obbedisce a . Con (posizione) e (velocità):
Il polinomio caratteristico è
Con , , positivi non ci sono variazioni di segno: il sistema è asintoticamente stabile, perché l'attrito dissipa energia e il carrello torna all'equilibrio. Se le radici sono complesse coniugate e il ritorno oscilla, se sono reali e non oscilla. Con le radici sono e il carrello oscilla per sempre: stabilità semplice.
Risposta libera al variare dello smorzamento
Autovalori (, )
Risposta libera da ,
Esercizio: evoluzione libera
Il sistema
è un massa-molla-smorzatore con , , . Si cerca l'evoluzione libera da . Il polinomio ha coefficienti positivi e radici : , , una spirale convergente.
Il piano del modo è generato da e , che si ricavano da
Sono quattro equazioni, due indipendenti: si sceglie e , e si verifica che e . Con di determinante , le righe di sono i vettori sinistri:
Le coordinate di sono e , quindi
e l'evoluzione libera è
L'uscita è la prima componente, che è per e per :
È una sinusoide con inviluppo esponenziale decrescente.
Evoluzione libera da
Piano di stato
Uscita
- inviluppo
Formulario
Equilibrio
Stabilità (definizione)
Asintotica, oltre alla stabilità
Esponenziale, con
Stabilità di un moto
Sistema lineare
Stabilità se e, con , molteplicità algebrica e geometrica uguali
Stabilità asintotica se
Blocco di Jordan
Massa-molla-smorzatore
Eccitabilità separata di un modo reale