المرجع الالكتروني للمعلوماتية
المرجع الألكتروني للمعلوماتية

الرياضيات
عدد المواضيع في هذا القسم 9761 موضوعاً
تاريخ الرياضيات
الرياضيات المتقطعة
الجبر
الهندسة
المعادلات التفاضلية و التكاملية
التحليل
علماء الرياضيات

Untitled Document
أبحث عن شيء أخر
تربية الماشية في اليابان
2024-11-06
النقل البحري
2024-11-06
النظام الإقليمي العربي
2024-11-06
تربية الماشية في جمهورية كوريا الشعبية الديمقراطية
2024-11-06
تقييم الموارد المائية في الوطن العربي
2024-11-06
تقسيم الامطار في الوطن العربي
2024-11-06

التعقيب
23-9-2016
An auditory description of AusE vowels
2024-04-23
الهريس Mash
3-1-2019
Phyllis Nicolson
4-1-2018
الأرز Rice
23-6-2022
وفاة هشام بن عبد الملك
27-5-2017

CONTROLLABILITY, BANG-BANG PRINCIPLE-OBSERVABILITY  
  
220   01:51 مساءاً   date: 6-10-2016
Author : Lawrence C. Evans
Book or Source : An Introduction to Mathematical Optimal Control Theory
Page and Part : 24-26

We again consider the linear system of ODE

where M ∈ Mn×n.

In this section we address the observability problem, modeled as follows. We suppose that we can observe

(O)                                             y(t) := Nx(t)               (t ≥ 0),

for a given matrix N ∈ Mm×n. Consequently, y(t) ∈ Rm. The interesting situation is when m << n and we interpret y(.) as low-dimensional “observations” or  “measurements” of the high-dimensional dynamics x(.).

OBSERVABILITY QUESTION: Given the observations y(.), can we in principle reconstruct x(.)? In particular, do observations of y(.) provide enough information for us to deduce the initial value x0 for (ODE)?

DEFINITION. The pair (ODE),(O) is called observable if the knowledge of y(.) on any time interval [0, t] allows us to compute x0.

More precisely, (ODE),(O) is observable if for all solutions x1(.), x2(.), Nx1(.) ≡Nx2(.) on a time interval [0, t] implies x1(0) = x2(0).

TWO SIMPLE EXAMPLES. (i) If N ≡ 0, then clearly the system is not observable.

(ii) On the other hand, if m = n and N is invertible, then clearly x(t) = N−1y(t)

is observable.

The interesting cases lie between these extremes.

THEOREM 1.1 (OBSERVABILITY AND CONTROLLABILITY). The system

(1.11)

is observable if and only if the system

(1.12)

is controllable, meaning that C = Rn.

INTERPRETATION. This theorem asserts that somehow “observability and controllability are dual concepts” for linear systems.

Proof. 1. Suppose (1.11) is not observable. Then there exist points x1 ≠ x2 ∈Rn, such that

Let t = 0, to find Nx0 = 0. Then differentiate this expression k times in t and let t = 0, to discover as well that

                                               NMkx0= 0

for k = 0, 1, 2, . . . . Hence (x0)T (Mk)TNT = 0, and hence (x0)T (MT )kNT = 0.

This implies

                               (x0) T [NT ,MTNT , . . . , (MT ) n−1NT ] = 0.

Since x0 = 0, rank[NT , . . . , (MT )n−1NT ] < n. Thus problem (1.12) is not controllable. Consequently, (1.12) controllable implies (1.11) is observable.

2. Assume now (1.12) not controllable. Then rank[NT , . . . , (MT )n−1NT ] < n,  and consequently according to Theorem 2.3 there exists x0 = 0 such that

(x0) T [NT , . . . , (MT ) n−1NT ] = 0.

That is, NMkx0 = 0 for all k = 0, 1, 2, . . . , n − 1.

We want to show that y(t) = Nx(t) ≡ 0, where

According to the Cayley–Hamilton Theorem, we can write

for appropriate constants. Consequently NMnx0 = 0. Likewise,

and so NMn+1x0 = 0. Similarly, NMkx0 = 0 for all k.

Now

and therefore

We have shown that if (1.12) is not controllable, then (1.11) is not observable.

References

[B-CD] M. Bardi and I. Capuzzo-Dolcetta, Optimal Control and Viscosity Solutions of Hamilton-Jacobi-Bellman Equations, Birkhauser, 1997.

[B-J] N. Barron and R. Jensen, The Pontryagin maximum principle from dynamic programming and viscosity solutions to first-order partial differential equations, Transactions AMS 298 (1986), 635–641.

[C1] F. Clarke, Optimization and Nonsmooth Analysis, Wiley-Interscience, 1983.

[C2] F. Clarke, Methods of Dynamic and Nonsmooth Optimization, CBMS-NSF Regional Conference Series in Applied Mathematics, SIAM, 1989.

[Cr] B. D. Craven, Control and Optimization, Chapman & Hall, 1995.

[E] L. C. Evans, An Introduction to Stochastic Differential Equations, lecture notes avail-able at http://math.berkeley.edu/˜ evans/SDE.course.pdf.

[F-R] W. Fleming and R. Rishel, Deterministic and Stochastic Optimal Control, Springer, 1975.

[F-S] W. Fleming and M. Soner, Controlled Markov Processes and Viscosity Solutions, Springer, 1993.

[H] L. Hocking, Optimal Control: An Introduction to the Theory with Applications, OxfordUniversity Press, 1991.

[I] R. Isaacs, Differential Games: A mathematical theory with applications to warfare and pursuit, control and optimization, Wiley, 1965 (reprinted by Dover in 1999).

[K] G. Knowles, An Introduction to Applied Optimal Control, Academic Press, 1981.

[Kr] N. V. Krylov, Controlled Diffusion Processes, Springer, 1980.

[L-M] E. B. Lee and L. Markus, Foundations of Optimal Control Theory, Wiley, 1967.

[L] J. Lewin, Differential Games: Theory and methods for solving game problems with singular surfaces, Springer, 1994.

[M-S] J. Macki and A. Strauss, Introduction to Optimal Control Theory, Springer, 1982.

[O] B. K. Oksendal, Stochastic Differential Equations: An Introduction with Applications, 4th ed., Springer, 1995.

[O-W] G. Oster and E. O. Wilson, Caste and Ecology in Social Insects, Princeton UniversityPress.

[P-B-G-M] L. S. Pontryagin, V. G. Boltyanski, R. S. Gamkrelidze and E. F. Mishchenko, The Mathematical Theory of Optimal Processes, Interscience, 1962.

[T] William J. Terrell, Some fundamental control theory I: Controllability, observability,  and duality, American Math Monthly 106 (1999), 705–719.

 

 

 




الجبر أحد الفروع الرئيسية في الرياضيات، حيث إن التمكن من الرياضيات يعتمد على الفهم السليم للجبر. ويستخدم المهندسون والعلماء الجبر يومياً، وتعول المشاريع التجارية والصناعية على الجبر لحل الكثير من المعضلات التي تتعرض لها. ونظراً لأهمية الجبر في الحياة العصرية فإنه يدرّس في المدارس والجامعات في جميع أنحاء العالم. ويُعجب الكثير من الدارسين للجبر بقدرته وفائدته الكبيرتين، إذ باستخدام الجبر يمكن للمرء أن يحل كثيرًا من المسائل التي يتعذر حلها باستخدام الحساب فقط.وجاء اسمه من كتاب عالم الرياضيات والفلك والرحالة محمد بن موسى الخورازمي.


يعتبر علم المثلثات Trigonometry علماً عربياً ، فرياضيو العرب فضلوا علم المثلثات عن علم الفلك كأنهما علمين متداخلين ، ونظموه تنظيماً فيه لكثير من الدقة ، وقد كان اليونان يستعملون وتر CORDE ضعف القوسي قياس الزوايا ، فاستعاض رياضيو العرب عن الوتر بالجيب SINUS فأنت هذه الاستعاضة إلى تسهيل كثير من الاعمال الرياضية.

تعتبر المعادلات التفاضلية خير وسيلة لوصف معظم المـسائل الهندسـية والرياضـية والعلمية على حد سواء، إذ يتضح ذلك جليا في وصف عمليات انتقال الحرارة، جريان الموائـع، الحركة الموجية، الدوائر الإلكترونية فضلاً عن استخدامها في مسائل الهياكل الإنشائية والوصف الرياضي للتفاعلات الكيميائية.
ففي في الرياضيات, يطلق اسم المعادلات التفاضلية على المعادلات التي تحوي مشتقات و تفاضلات لبعض الدوال الرياضية و تظهر فيها بشكل متغيرات المعادلة . و يكون الهدف من حل هذه المعادلات هو إيجاد هذه الدوال الرياضية التي تحقق مشتقات هذه المعادلات.