Análise de estabilidade de equações diferenciais lineares atrasadas

De Física Computacional
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Analisar a estabilidade local de equações diferenciais atrasadas é mais desafiador que realizar a mesma análise para equações diferenciais ordinárias. Isto ocorre devido a dimensionalidade infinita do sistema. Por exemplo considerando uma equação diferencial linear atrasada simples:

dydt=αyτ

Onde yt≡y(t−1), só há um único ponto de equilíbrio em y=0. Para equações diferenciais ordinárias do tipo:

any(n)+an−1y(n−1)+…+a1y'+a0y=0

Assumindo que as soluções vão ser da forma y(t)=Ceλt, pode-se substituir:

Ceλt(anλn+an−1λn−1+…+a1λ+a0)=0anλn+an−1λn−1+…+a1λ+a0

Então este é o polinômio característico. E sua solução nos dá a solução para a equação diferencial. Por exemplo:

y′−αy=0→λ=α

Logo y(t)=Ceαt. Esta solução pode ser conferida resolvendo diretamente esta EDO simples:

∫dyy=∫αdt→y=Ceαt

Agora supondo uma solução análoga y(t)=Ceλt para a equação com atraso:

dydt=ddt(Ceλt)=λCeλtEy(t−1)=Ceλ(t−1)=Ceλte−λ

Então a equação característica é:

y′−αyτ=0λCeλt−αCeλte−λ=0λ−αe−λ=0

Para as equações diferenciais ordinárias havia um polinômio e o teorema fundamental da álgebra permitia dizer quantas raízes esperar. Porém para as equações diferenciais atrasadas, não há teorema algum sobre a quantidade de raízes, este número poderia inclusive ser infinito. Como exemplo, pode-se considerar soluções reais e complexas separadamente conforme será visto na sequência.

Solução real

Supondo que a solução é real, pode-se plotar z1=λ e z2=αe−λ separadamente, e então e procurar por intersecções. Isto é, quando os dois termos possuem o mesmo valor para um mesmo λ, pois consequentemente então λ−αe−λ=0. Se α>0, há uma única intersecção, onde λ>0, então y=Ceλt aumenta exponencialmente ao infinito quando t→∞. Desta forma, o ponto de equilíbrio é instável.

A esquerda o gráfico gerado para um valor qualquer em que α>0, e a direita para três valores em que α<0, especificamente αc<α<0 em preto, α=αc em verde, e α<αc em azul.


Se α<0 pode haver 2 intersecções (αc<α), 1 intersecção o (αc=α) ou nenhuma intersecção (α<αc). Para identificar qual é este ponto crítico αc, basta perceber que neste ponto a reta z1 é tangente à curva z2 no ponto (λc,zc). Logo, a inclinação de ambos deve ser a mesma, m1=m2. A inclinação da reta z1 é simplesmente m1=1. Então a inclinação da curva também deve ser:m2=dz2dλ|λc=−αce−λc=1αc=−eλc


Substituindo a constante αc em z2:

zc=−eλce−λc=−1

Pode-se obter agora λc a partir da reta z1, zc=−1=λc. Dessa forma o valor crítico é então αc=−e−1. Logo, se α∈[αc0], então as raízes da equação característica são reais e negativas e a solução exponencial associada decai para 0 com o tempo. As raízes λ também são chamadas de autovalores, termo que será empregado daqui em diante.

A esquerda a solução para α=1>0 e a direita para αc≤α=−1<0, considerando como condição inicial y0=2.


Para α<αc, não há decaimento ou crescimento exponencial nos componentes da solução, para isto vamos analisar as soluções complexas. As soluções podem ser obtidas numericamente via Mathematica:

sol = NDSolve[{y'[t] == -2.0*y[t - 1], y[t /; t <= 1] == 2}, y, {t, 0, 30];
Plot[y[t] /. sol, {t, 0, 30}, PlotRange -> All]

Solução Complexa

Substituindo então λ=λr+iλi, na equação característica, obtém-se:

λ−αe−λ=0λ=αe−λλr+iλi=αe[−λr−iλi]λr+iλi=αe−λre−iλi[λr]+i[λi]=[αe−λrcos⁡λi]+i[αe−λrsin⁡(−λi)]

Logo:

λr=+αe−λrcos⁡λiλi=−αe−λrsin⁡λi

Calculando a razão entre os termos:

λrλi=+αe−λrcos⁡λi−αe−λrsin⁡λi=−cot⁡(λi)

Então utilizando λi como parâmetro, pode-se obter equações paramétricas para λr e α:

λr=−cot⁡(λi)λiα=−λiexp⁡(λicot⁡(λi))sin⁡λi

Soluções das equações paramétricas. Em vermelho o caso especial quando λi=0.

Por conta da periodicidade das funções trigonométricas, muitas curva são traçadas quando varía-se λi entre −∞ e +∞. Além, disto para λ=λr então λi=0, desta forma pode-se plotar diretamente α(λr):

α=λreλr

Utilizando o Geogebra, isto pode ser feito realizando cada entrada manualmente:

-x cotg(x)
d(x) = (-x)/(e^(x cotg(x)) sen(x))
Curva(d(u), c(u), u, -60 , 60)
x = y e^y


A solução geral é y(t;a)=∑ceλnt, onde o somatório é sobre todos os valores de λn para um dado parâmetro α, então o estado de equilíbrio é estável para valores de α em que todos os autovalores tem valores reais negativos. Ou seja, para valores entre αc2 e o eixo α=0. pois para α>0, então λr>0 quando λi=0. Então o próximo passo é identificar segundo pronto crítico ac2.

Ele ocorre quando

λr=0

e

a≠0

e

λi≠0

. Então substituindo:

λr′=α′e−λ'rcos⁡λi′=0Logo λi′=(±π2+nπ),n∈ℤ


E substituindo:λi′=−α′e−λ'rsin⁡λi′(±π2+nπ)=−α′sin⁡(±π2+nπ)


Usando a propriedade sin⁡(a+b)=sin⁡acos⁡b+sin⁡bcos⁡a então:

sin⁡(±π2+nπ)=sin⁡(±π2)cos⁡(nπ)+sin⁡(nπ)cos⁡(±π2)=±sin⁡(π2)cos⁡(nπ)±(−1)nEntão:(±π2+nπ)=∓(−1)nα′α′=(−1)n(∓nπ−π2)Então estes são os valores de α em que temos λr=0. Novamente pode ser visualizado via Geogebra:

((-1)^n (-n π - π / 2),0)
((-1)^n (+n π - π / 2),0)

Para n=0, obtém-se então o ponto crítico desejado:αc2=−π2

O primeiro ponto no eixo negativo de α em que tem-se λr. Logo, o ponto de equilíbrio é estável se α∈(−π2,0), se não, é instável. Pode-se observador que os resultados obtidos para o caso em que os autovalores eram apenas reais está contido neste resultado.

A esquerda a solução para α=−2<αc2 e a direita para αc2<α=−2<αc<0, considerando como condição inicial y0=2.

Antes de concluir, pode-se prestar uma atenção especial para o ponto em que as soluções complexas encontram a solução real, este é exatamente o primeiro ponto crítico. Lembrando que o primeiro ponto crítico era (ac,λ)=(1e,−1), este resultado concorda com a equação obtida para λi=0:α=λreλr=−e−1

E também no limite das equações paramétricas:

limλi→0λr=−limλi→0cot⁡(λi)λi=−1limλi→0α=limλi→0−λiexp⁡(λicot⁡(λi))sin⁡λi=−1eNo Mathematica:

{Limit[-Cot[x]*x, x -> 0], Limit[-x/(Exp[x*Cot[x]]*Sin[x]), x -> 0]}
Principais materiais utilizados
  1. Delay-Differential Equations (Richard Bertram, Universidade Estadual da Flórida)
  2. Homogeneous Differential Equations (Paul Dawkins, Universidade de Lamar)


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