非線性系統、穩定性與李雅普諾夫理論

漸近穩定(asymptotic stability)

李雅普諾夫穩定只保證:若你從靠近處出發,你就保持靠近。漸近穩定保證更強、更令人滿意的事:你不只保持靠近,你還真的回家。把彈珠丟進一個帶些許摩擦的真實碗裡,它不只在附近搖晃——它會緩緩盤旋而下,停在碗底。那個最終的回歸就是多出來的成分。

精確地說,平衡點 x* 是漸近穩定的,當它既是李雅普諾夫穩定(鄰近軌跡保持鄰近)又是吸引的(每條從夠靠近處出發的軌跡,當時間趨於無窮時都真的收斂到 x*)。兩半都需要。光有吸引並不夠——有些古怪系統的軌跡最終會回來,但中途會劇烈擺盪到很遠處,這不該被「漸近穩定」允許。一個變化率 V' 在 x* 之外嚴格為負的李雅普諾夫函數能認證漸近穩定,因為能量持續流失,直到軌跡停在碗底。

這通常是工程師想要的判決:把房間帶回設定溫度的恆溫器、會自行扶正的船、從碰撞中恢復的控制系統。對雙曲平衡點,漸近穩定能直接從雅可比矩陣讀出——它恰好在每個特徵值實部都嚴格為負時成立(一個匯)。「漸近穩定」只指明最終行為,而非速度;若收斂是指數型的,有時稱為指數穩定,這是帶確定速率、更強的保證。

對 x' = -x、y' = -2y,兩個特徵值(-1 與 -2)實部皆為負,故原點是漸近穩定的:每個解 x = x0 e^(-t)、y = y0 e^(-2t) 都衰減到 (0,0)。

嚴格負的實部使每條鄰近軌跡既保持靠近又收斂回家。

漸近穩定需要「保持靠近」與「收斂」兩者——只有吸引而無穩定(軌跡須先大幅偏離才回來)不算數。而且它對吸引盆有多大隻字未提:收斂可能只對小幅起始成立。

又称
asymptotically stable equilibriumattracting and stable漸近穩定性漸近穩定平衡