Math Problem Statement

طبق قضیه بالا 5 مثال بزنید و ثابت کنید که ناپایدار است

طبق قضیه بالا 5 مثال بزنید و ثابت کنید که ناپایدار است

Solution

از قضیه ارائه‌شده، برای یافتن ۵ مثال و نشان دادن ناپایداری سیستم در نقطه تعادل 00، باید موارد زیر را دنبال کنیم:

  1. انتخاب معادلات دینامیکی یا سیستم‌های مناسب.
  2. تعریف تابع V(t,x)V(t, x) که شرایط قضیه را برآورده کند:
    • V˙\dot{V} باید یک فرم نیمه مثبت معین باشد (l.p.d.f).
    • V(t,0)=0V(t, 0) = 0 و وجود نقاط xx نزدیک به 00 که V(t0,x)>0V(t_0, x) > 0.

سپس نشان خواهیم داد که این سیستم‌ها در نقطه 00 ناپایدار هستند.

مثال‌ها:

1. سیستم تک‌متغیره x˙=x3\dot{x} = -x^3:

  • تابع کاندید: V(x)=x2V(x) = x^2.
  • مشتق زمانی: V˙=2xx˙=2x(x3)=2x4\dot{V} = 2x \dot{x} = 2x(-x^3) = -2x^4. این نیمه مثبت است زیرا V˙0\dot{V} \leq 0 اما فقط در صفر مساوی صفر است.
  • برای x0x \to 0، V>0V > 0.

نتیجه: این نقطه ناپایدار است.


2. سیستم x˙=x3x\dot{x} = x^3 - x:

  • تابع V(x)=x2V(x) = x^2.
  • مشتق زمانی: V˙=2x(x3x)=2x42x2\dot{V} = 2x(x^3 - x) = 2x^4 - 2x^2. این دوباره یک فرم نیمه مثبت دارد.
  • شرایط قضیه برآورده شده است.

نتیجه: 00 ناپایدار است.


3. سیستم دو بعدی x˙=y,y˙=x+y3\dot{x} = y, \dot{y} = -x + y^3:

  • تابع V(x,y)=x2+y2V(x, y) = x^2 + y^2.
  • مشتق زمانی: V˙=2xx˙+2yy˙=2x(y)+2y(x+y3)=2xy2xy+2y4=2y4\dot{V} = 2x\dot{x} + 2y\dot{y} = 2x(y) + 2y(-x + y^3) = 2xy - 2xy + 2y^4 = 2y^4. این مقدار نیمه مثبت معین است.
  • شرایط قضیه برآورده شده است.

نتیجه: 00 ناپایدار است.


4. سیستم x˙=x2y2,y˙=2xy\dot{x} = x^2 - y^2, \dot{y} = 2xy:

  • تابع V(x,y)=x2+y2V(x, y) = x^2 + y^2.
  • مشتق زمانی: V˙=2x(x2y2)+2y(2xy)=2x32xy2+4xy2=2x3+2xy2\dot{V} = 2x(x^2 - y^2) + 2y(2xy) = 2x^3 - 2xy^2 + 4xy^2 = 2x^3 + 2xy^2. شرایط نیمه مثبت را برآورده می‌کند.
  • نزدیکی به 00 این شرایط را نشان می‌دهد.

نتیجه: 00 ناپایدار است.


5. سیستم x˙=x+y3,y˙=y+x2\dot{x} = x + y^3, \dot{y} = -y + x^2:

  • تابع V(x,y)=x2+y2V(x, y) = x^2 + y^2.
  • مشتق زمانی: ( \dot{V} = 2

Ask a new question for Free

By Image

Drop file here or Click Here to upload

Math Problem Analysis

Mathematical Concepts

Stability Analysis
Lyapunov Functions
Differential Equations

Formulas

V(t, x): A continuously differentiable function used to analyze stability.
\( \dot{V} \): Derivative of V, which must be a locally positive definite function (l.p.d.f).

Theorems

Instability Theorem for Equilibrium Points Using Lyapunov Functions

Suitable Grade Level

Undergraduate and Graduate Mathematics or Engineering Students