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ラサール不変原理の証明 📂動力学

ラサール不変原理の証明

原理

ビルドアップ

空間 XX と関数 f:XXf : X \to X に関して、以下のようなベクトル場微分方程式として与えられているとする。 x˙=f(x) \dot{x} = f(x) フロー ϕt()\phi_t \left( \cdot \right) 下のコンパクト不変集合MRn\mathcal{M} \subset \mathbb{R}^{n} と呼ぶ。

M\mathcal{M} で定義されたリャプノフ関数 V:MRV : \mathcal{M} \to \mathbb{R} があるとき、以下の2つの集合を考える。 E:={xM:V(x)=0} E := \left\{ x \in \mathcal{M} : V ' (x) = 0 \right\} これに対して次のように定義された集合 MM正不変部positively Invariant Partと呼ぶ。 M:={The union of all trajectories that start in E and remain in E for all t>0} M:=\left\{ \text{The union of all trajectories that start in E and remain in E for all } t >0 \right\}

ラサール不変原理lasalle Invariance Principle

全ての xMx \in \mathcal{M} に対して tt \to \infty のとき ϕt(x)M\phi_{t} (x) \to M である。

証明 1

戦略:主にリャプノフ関数の定義とオメガリミットセットの特性を使用する。

リャプノフ関数の定義: 空間 XX と関数 f:XXf : X \to X に関して、以下のようなベクトル場微分方程式として与えられているとする。 x˙=f(x) \dot{x} = f(x) このような自律システムのある点 x0Xx_{0} \in X が与えられたとき、x0x_{0} の近傍 N(x0)\mathcal{N} \left( x_{0} \right) で定義されたスカラー関数 VC1(N(x0),R)V \in C^{1} \left( \mathcal{N} (x_{0}) , \mathbb{R} \right) が以下の条件を満たすとき、リャプノフ関数Liapunov functionと呼ばれる。

  • (i): V(x0)=0V(x_{0}) = 0 であり、xx0x \ne x_{0} のとき V(x)>0V(x) > 0
  • (ii): xN(x0){x0}x \in \mathcal{N} \left( x_{0} \right) \setminus \left\{ x_{0} \right\}V(x)0V ' (x) \le 0

オメガリミットセットの特性: 全体空間がユークリッド空間 X=RnX = \mathbb{R}^{n} であり、フロー ϕt()\phi_{t} ( \cdot ) 下のコンパクト不変集合 M\mathcal{M} のある点 pMp \in \mathcal{M} が与えられたとする:

  • [1]: ω(p)\omega (p) \ne \emptyset
  • [2]: ω(p)\omega (p)閉集合である。
  • [3]: ω(p)\omega (p) はフローに不変である。つまり、ω(p)\omega (p) は軌道の合併である。
  • [4]: ω(p)\omega (p)連結空間である。

まず、オメガリミットセット ω(x)\omega (x)VV定数関数 V=χV = \chi になることを示そう。 xω(x)χ=V(x) \overline{x} \in \omega (x) \\ \chi = V \left( \overline{x} \right) とすると、VVフロー ϕt\phi_{t} に従って増加しない。言い換えると、titti+1t_{i} \le t \le t_{i+1} に対して V(ϕti(x))V(ϕt(x))V(ϕti+1(x)) V \left( \phi_{t_{i}} (x) \right) \ge V \left( \phi_{t} (x) \right) \ge V \left( \phi_{t_{i+1}} (x) \right) であり、リャプノフ関数 VV の連続性により、χ\chi{V(ϕt(x)):t0}\left\{ V \left( \phi_{t} (x) \right) : t \ge 0 \right\} の最小値、すなわちインフィマムになる。オメガリミットセット ω(x)\omega (x) はフローに不変であるため、ϕt(x)\phi_{t} ( \overline{x} )ϕt(x)\phi_{t}(x) のオメガリミット点になる。χ\chi は上記のように {V(ϕt(x)):t0}\left\{ V \left( \phi_{t} (x) \right) : t \ge 0 \right\} のインフィマムであったので、 V(ϕt(x))=χ V \left( \phi_{t} \left( \overline{x} \right) \right) = \chi χ\chi は定数であり、ω(x)\omega (x)V=0V’ = 0 であり、EE の定義によりω(x)E\omega (x) \subset E だ。一方で、ω(x)\omega (x) は不変集合であり、MM の定義によりω(x)M\omega (x) \subset M でもある。したがって、tt \to \infty のときϕt(x)M\phi_{t} (x) \to M である。


  1. Wiggins. (2003). Introduction to Applied Nonlinear Dynamical Systems and Chaos Second Edition(2nd Edition): p111. ↩︎