ฟังก์ชันเลียปูนอฟ

ฟังก์ชันเลียปูนอฟ () เป็นฟังก์ชันที่ใช้ในการการหาเสถียรภาพของระบบพลวัตในทฤษฎีเสถียรภาพของเลียปูนอฟ โดยตั้งตามชื่อของ อเล็กซานเดอร์ มิคาอิลโลวิช เลียปูนอฟ นักคณิตศาสตร์ชาวรัสเซีย (6 มิถุนายน ค.ศ. 1857 – 3 พฤศจิกายน ค.ศ. 1918) ฟังก์ชันนี้มีบทบาทสำคัญมากในทฤษฎีเสถียรภาพ และ ทฤษฎีระบบควบคุม

ในขณะนี้ยังไม่มีวิธีการทั่วไปในการหาฟังก์ชันเลียปูนอฟของระบบในกรณีทั่วไป เพราะในทฤษฎีเสถียรภาพของเลียปูนอฟสามารถบอกได้เพียงว่า ถ้าหากฟังก์ชันเลียปูนอฟสอดคล้องกับเกณฑ์ของเสถียรภาพจึงสามารถสรุปได้ว่าระบบนั้นมีเสถียรภาพ แต่ในทางกลับกัน ระบบที่มีเสถียรภาพไม่สามารถบ่งบอกได้ว่าฟังก์ชันแบบใดที่เป็นฟังก์ชันเลียปูนอฟได้  ดังนั้นในการพิสูจน์เสถียรภาพของระบบ จะกระทำโดยการสร้างฟังก์ชันที่มีคุณสมบัติตรงตามคุณสมบัติฟังก์ชันที่เข้าเกณฑ์การเป็นฟังก์เลียปูนอฟจะเรียกว่า ฟังก์ชันพลังงาน เดวิด บรรเจิดพงศ์ชัย, "ระบบควบคุมพลวัต การวิเคราะห์ การออกแบบ และการประยุกต์ (Dynamical Control Systems Analysis, Design and Applications)" สำนักพิมพ์แห่งจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย 2551 (ISBN 978-974-03-2205-4)  (Energy function หรือ Lyapunov-candidate-functions) กล่าวคือ การที่ไม่สามารถหาฟังก์ชันเลียปูนอฟได้นันไม่ได้เป็นการพิสูจน์ได้ว่าระบบนั้นไม่ได้มีเสถียรภาพ แต่การที่สามารถหาฟังก์ชันเลียปูนอฟมาพิสูจน์เสถียรภาพได้เป็นการพิสูจน์ได้ว่าระบบนั้น ๆ มีเสถียรภาพ 

ในทางปฏิบัติสำหรับระบบพลวัตทางฟิสิกส์ มักนิยมใช้กฎอนุรักษ์ต่าง ๆ ในการสร้างฟังก์ชันพลังงานได้

 นิยามของฟังก์ชันพลังงาน

กำหนดให้  เป็นฟังก์ชันต่อเนื่องและเป็นสเกลาร์ 
 จะเป็นฟังก์ชันพลังงานถ้าหาก  เป็นฟังก์ชันบวกแน่นอนเฉพาะแห่ง (locally positive-definite function) กล่าวคือ
 โดยที่  เป็นเซตบริเวณใกล้เคียงรอบจุด 

หมายเหตุ: ตัวอย่างของฟังก์ชันพลังงาน ได้แก่    โดยที่  กล่าวคือ  คือเมทริกซ์บวกแน่นอน 

 นิยามของจุดสมดุลของระบบ 
กำหนดให้ 
 เป็นระบบพลวัตอัตตาณัติที่กำหนดให้ โดยมีจุดสมดุลกำหนดให้เป็น  ดังนั้น

โดยไม่เสียความเป็นนัยยะทั่วไป เราสามารถแปลงพิกัดในอยู่ในรูป   เพื่อให้ระบบที่เราจะพิจารณาต่อไปมีจุดสมดุลอยู่ที่จุดกำเนิด ทำให้ความสะดวกต่อการพิจารณาต่อไป ดังต่อไปนี้

 พื้นฐานของทฤษฎีเสถียรภาพเลียปูนอฟสำหรับระบบอัตตาณัติ 

กำหนดให้  เป็นจุดสมดุลของระบบอัตตาณัติ

และให้ 
เป็นเป็นอนุพันธ์เชิงเวลาของฟังก์ชันพลังงาน
เสถียรภาพของจุดสมดุล
ถ้าฟังก์ชันพลังงาน  เป็นบวกแน่นอนเฉพาะที่ และอนุพันธ์เชิงเวลาของฟังก์ชันพลังงานเป็นลบกึ่งแน่นอนเฉพาะที่ (locally negative semidefinite):

สำหรับย่าน  รอบจุด  จะสรุปได้ว่าจุดสมดุลนั้นมีเสถียรภาพ (stable)
เสถียรภาพเฉพาะที่เชิงเส้นกำกับ
ถ้าฟังก์ชันพลังงาน  เป็นบวกแน่นอนเฉพาะที่ และอนุพันธ์เชิงเวลาของฟังก์ชันพลังงานเป็นลบแน่นอนเฉพาะที่ (locally negative definite):

สำหรับย่าน  รอบจุด  จะสรุปได้ว่าจุดสมดุล มีเสถียรภาพเฉพาะที่เชิงเส้นกำกับ (locally asymptotically stable)

เสถียรภาพวงกว้างเชิงเส้นกำกับ
ถ้าฟังก์ชันพลังงาน  เป็นบวกแน่นอนวงกว้าง (globally positive definite) และอนุพันธ์เชิงเวลาของฟังก์ชันพลังงานเป็นลบแน่นอนวงกว้าง (globally negative definite):

จะสรุปได้ว่าจุดสมดุล มีเสถียรภาพวงกว้างเชิงเส้นกำกับ (globally asymptotically stable)

หมายเหตุ: ฟังก์ชันพลังงาน  จะไม่มีขอบเขตถ้าหาก 

ตัวอย่าง
พิจารณาสมการอนุพันธ์ ที่มีคำตอบเป็น  โดยที่ :

จะเห็นว่า   มีค่าเป็นบวกรอบจุดกำเนิด ซึ่งเราสามารถนำมาเป็นฟังก์ชันพลังงานได้ 
กำหนดให้  โดยที่  ดังนั้น

จะเห็นได้ว่าระบบที่ถูกอธิบายด้วยสมการอนุพันธ์ข้างต้นมีเสถียรภาพเชิงเส้นกำกับรอบจุดกำเนิด

 ดูเพิ่ม 
 Ordinary differential equations
 Control-Lyapunov function
 Foster's theorem
 ทฤษฎีระบบควบคุม
 สมการเลียปูนอฟ

อ้างอิง




แหล่งข้อมูลอื่น
 Example  of determining the stability of the equilibrium solution of a system of ODEs with a Lyapunov function
 Some Lyapunov diagrams 

ล