1. Semistabilitätsfunktionale in Matrixdarstellung
Mit Ausnahme der Booleschen Algebra wird keine Theorie in der Mathematik
universeller benutzt als die lineare Algeba.
Es gibt kaum eine Theorie, die elementarer ist, trotz der Tatsache, daß
Generationen von Professoren und Lehrbuchautoren die Einfachheit dieser
Theorie durch höchst unangebrachte Berechnungen mit Matrizen verdunkelt
haben.
Man kann beweisen, man vgl. z.B. das Buch Albrecht (1979),
oder den Aufsatz von Skeel (1976), daß die Norm
Stabilitätsfunktional ist für Verfahren der allgemeinen
Form
Man hat also Fehlerabschätzungen der Art
ist eine Block-Toeplitz Matrix, siehe weiter unten.
Hierbei ist der entsprechende Vektor
der exakten Lösungen und , die
durch obige Verfahrensvorschrift gewonnene Näherung hierfür.
Diese doppelseitige Abschätzung ist insoweit von besonderer Bedeutung,
da sie sofort verständlich macht, daß die berechnete Näherung sich nicht
beliebig weit von der exakten Lösung entfernen kann, wenn man die Größe
“klein” hält.
Wichtig ist natürlich, daß die linke Konstante nicht verschwinden
darf, also und daß die rechte Konsrtante nicht zu
“groß” ist, also .
Ferner ist zu berücksichtigen, daß beide Konstanten und nicht
selber von der Größe abhängen.
Die obige Verfahrensvorschrift ist recht allgemein.
Hier genügt vollkommen die Verfahrensvorschrift
mit den Matrizen und
entsprechenden Vektoren .
Es ist sofort offensichtlich, daß die obige Verfahrensvorschrift in der
Vorschrift natürlich enthalten ist.
Selbstverständlich hängt die Steuerungsfunktion auch von der Zeit
ab, möglicherweise auch noch von weiteren Größen.
Alle diese einfliessenden Parameter seien in der Schreibweise unterdrückt.
Das allgemeinene Stabilitätsfunktional , für welches gilt
muß nicht notwendig eine Norm sein.
Es müssen also nicht die Bedingungen der Definitheit und die der Homogenität
und die Dreiecksungleichung erfüllt sein.
Das Funktional hängt natürlich von zahlreichen Größen ab, ist
also eine Funktion mehrerer Veränderlicher.
Diese ganzen Abhängigkeiten werden aber in der weiteren Schreibweise
nicht gesondert alle aufgeführt.
Unter Berücksichtigung der Argumente hätte man zu schreiben
dabei hängen die Matrizen von den Koeffizienten des
Verfahrens ab und der Vektor hängt ab von der Matrix und den
Matrizen .
Bei der folgenden diskreten Fassung der Kontrollgleichung
wird nun das Stabilitätsverhalten weiter betrachtet.
Es ist hierbei der Vorzustand, der Folgezustand und
die Steuerungsgröße.
Von Interesse sei jetzt lediglich der innere Zustand, nicht jedoch
der Ausgang des obigen Systems.
Häufig ist der Ausgang von der Form .
Man erhält jetzt nacheinander
Schreibt man dies in Matrix-Vektor Schreibweise auf, so erhält man
wobei hier die Block-Toeplitz-Dreiecksmatrix auftaucht, mit
Wichtig ist zu vermerken, daß diese Block-Dreicksmatrix von der
Iterationsstufe abhängt, insbesondere wird die Matrix dimensionsmässig
größer, mit größer werdendem ; es ist .
Man erkennt, wie die alten Steuerungen nachwirken,
nämlich in Matrixpotenzen
Die Überlegungen gelten sinngemäß, wenn man die Matrix selber
abhängig vom Index hält.
Dies heißt also, daß sich die Systemzustandsüberführung jedesmal ändern
kann.
Man hat also die Kontrollgleichung
Hier erhält man dann ganz genauso wie oben, der Reihe nach ausgehend vom
Anfangszustand :
Wiederum in Matrix-Vektor Schreibweise ergibt dies
Auch hier erkennt man den Einfuß vergangener Steuerungen
auf den neuen Zustand , nämlich nun als
Matrizenprodukt (im Gegensatz zu den Matrixpotenzen) zu
Interpretiert man jetzt die Steuerungen als Störungen
des schon oben angegebenen Verfahrens ,
untersucht man also die veränderte Steuerungsgleichung
so erkennt man, wie sich diese Störungen aufsammeln und “aufaddieren”.
Entscheidend ist hier ist also wieder die
Block-Toeplitz-Dreiecksmatrix , mit
bzw. für den allgemeineren Falle hat die Block-Dreiecksmatrix die
Gestalt, nicht notwendig eine Toeplitz-Matrix,
welche beide von der Iterationsstufe abhängig sind, also wie oben
.
Die Matrix ist hier offensichtlich wegen ,
() die Inverse der Matrix
Die Sammelwirkung der Steuerungen, bzw. der Störungen, hängt
nun ab von , mit
Würde man das lineare und homogene Gleichungsystems
betrachten und nach den auflösen, so erhielte man das Ergebnis,
daß die gerade die Jordan-Kette
der Länge ist, bzgl. für das Matrixpolynom ,
wenn man von der Feinheit absieht, daß man u.U. die ersten
-Nullvektoren wegstreicht.
Bibliographisch: Keldysh, M.V.,
Jordan, Camille (1838--1921)
Für den allgemeineren Fall, daß man in jedem Zustand eine neue Matrix
betrachtet, also , ergibt sich das
Matrixplynom zu
Man sieht sofort, daß für das Spektrum stets gilt, daß
und zwar unabhängig von den Matrizen
.
Insbesondere ist die Block-Dreiecksmatrix invertierbar und somit
ist , für festes , eine Norm, da ganz
allgemein für jede Vektornorm gilt, daß mit auch für
eine beliebige invertierbare Matrix dann ebenfalls
eine Norm ist.
Dabei geht die Invertierbarkeit für die Definitheit ein und die Linearität
wird für die Homogenität und die Dreiecksungleichung benötigt.
Das weitergehende Resultat, daß dann für die zugehörige Matrixnorm
entsprechend die zugehörige
Matrixnorm zu ist, kann man leicht beweisen.
Dennoch wird dieses Ergebnis hier nicht weiter verwendet.
Somit hat man ohne Mühe die Aussage erhalten, daß das Stabilitätsfunktional
tatsächlich eine Norm ist.
Will man nun zu einer Abschätzung für
gelangen und beachtet man, daß man ja eine explizite Darstellung der
Lösungen hat, so ergibt sich zunächst für die
Darstellung
Für das gestörte System mit
den “veränderten” Steuerungen erhält man die Darstellung
Hier sind wieder die einzelnen Vektoren , bzw. die , zu
einem größerem Vektor , bzw. , zusammengefaßt.
Es ist also
Die Differenz der beiden oben angegebenen Darstellungen führt nun direkt auf
Da die Matrizen und von der Iterationsstufe abhängen, sind
Einschränkungen an die Komponenten dieser beiden Matrizen zu stellen.
Es werde jetzt an die Matrixpotenz oder an die Produkte
die Forderung gestellt, daß ihre Normen, für
alle und alle beschränkt seien.
Es solle also gelten, daß
oder allgemeiner
Im Lichte der obigen Bauart der oben angegebenen Block-Dreiecksmatrix ,
sind diese beiden Forderungen sofort offenkundig sinnvolle Einschränkungen,
da die obigen Matrixpotenzen, bzw. Matrixprodukte, die
Komponenten der Block-Dreiecksmatrix ausmachen.
Die erste Bedingung führt dann sofort auf die entsprechende Bedingung an
die Eigenwerte der Matrix .
Die zweite Bedingung ist diffiziler.
Es zeigt sich nun, daß diese beiden Forderungen genügen, sodaß auch
die Normen von und trotz größer werdendem , nicht zu
stark wachsen.
Man beachte strikt, daß sich die Normen ändern, mit größer werdendem .
Die sonst recht triviale Aussage, daß die Norm einer festen, beliebigen
Matrix stets beschränkt ist, gilt hier nicht.
Vielmehr gilt: , oder in anderer
Formulierung, es ist
Der Nachweis werde nur für die Maximumnorm
geführt.
Exakterweise müßte man natürlich stets Supremumsnorm
notieren, dennoch sei diese Feinheit von jetzt ab nicht näher beachtet.
Da , ergibt sich
Für die 1-Norm ergibt sich dieses Resultat ganz analog.
Dies hängt mit der speziellen Gestalt der Matrix zusammen.
Für den allgemeinen Falle verlaufen die Überlegungen ähnlich.
Die Tatsache, daß , ist sofort offenkundig
für sowohl die Maximumnorm , als auch für die
1-Norm .
Betrachtet man jetzt wieder die beiden Verfahren
und , so erhält man
in üblicher vektorieller Schreibweise für die , und
sofort
und dann mit der Standardabschätzung
Setzt man jetzt von den Funktionen nur deren Beschränktheit
voraus, und damit für , so erhält man sofort das Ergebnis,
daß die beiden Zustände sich nicht beliebig weit voneinander entfernen
können, wenn nur und
Diese beiden Bedingungen sind auch tatsächlich häufig gegeben.
Die Beschränktheit des mittleren Summanden in der obigen Abschätzung
ist wegen des Vorfaktors von offensichtlich, da dieser dann das
-Wachstum der Norm auffängt.
Die Beschränktheit von der Funktion ist z.B. dann
gegeben, wenn man weiß, daß diese Funktion Lipschitz-stetig ist.
Auf einer kompakten Definitionsmenge
— sagen wir —
folgt dann sofort die Beschränktheit von .
Bei einer genaueren Untersuchungen muß man natürlich die gestörte
Gleichung
betrachten, da sich bei einer Störung natürlich auch die
Schrittweitenfolge ändert.
Das Ausklammern der Schrittweite , setzt natürlich gleiche
Schrittweiten beider Verfahren voraus.
Man kann dies in die Funktion versuchen hinein zu
verlagern.
Die dann auftretenden Abschätzungen verlangen dann etwas mehr Sorgfalt.
Man beachte, daß hier nur Beschränktheit von
folgt, nicht jedoch erhält man mit der
Standardabschätzung wie oben, das weitergehende Resultat, daß
die Normdifferenz kleiner wird, wenn man
normmässig genügend heftig verkleinert.
Man beachte, daß hier nur ein Semistabilitätsfunktional
vorliegt mit der obigen Abschätzung .
Das Stabilitätsfunktional geht
hier additiv ein.
Bei einer Abschätzung, wie sie z.B. bei Skeel (1976),
oder in dem Buche von Albrecht (1979),
und auch in dem Buche von Hairer/Wanner/Nørsett (1987)
beschrieben wird, geht dieses Funktional direkt multiplikativ in die
Abschätzung der Form ein.
Man erhält dann natürlich weitergehende Resultate.
Allerdings wachsen die Faktoren vor dem Funktional exponentiell mit der
Länge des Integrationsintervalles und ebenso exponentiell in der
Lipschitzkonstanten.
Insbesondere läßt sich auch der Abstand zweier Zustände verkleinern,
falls man die Störung hinreichend stark verkleinert.
2. Bemerkungen zum Spijkerschen Stabilitätsfunktional
Nebenläufig sei auf die völlige Analogie der Lösungen von diskreter und
kontinuierlicher Zustandsgleichung hingewiesen.
Das lineare und inhomogene Differentialgleichungs-Anfangswertproblem
hat die eindeutig bestimmte Lösung
wobei das (eindeutig bestimmte) Fundamentalsystem der
homogenen Gleichung ist, mit .
Die Spezialisierung auf die lineare und inhomogene
Anfangswertaufgabe mit konstanten Koeffizienten
hat demnach die (eindeutig bestimmte) Lösung, die sogar auf der
gesamten reellen Achse existiert, falls die Inhomogenität
ebenso existiert,
Für die diskrete Gleichung erhält man nach Vorgabe
des Anfangszustandes die eindeutig bestimmte Lösung
Zwischen den beiden Problemen und kann
man durch den Homomorphismus
stets vermitteln.
Eine weitere Analogie hat man wie folgt.
Gilt
so erhält man die Abschätzung
mit
Der notationellen Einfachheit halber sei angenommen, daß
ist — dies erspart Betragszeichen.
Spezialisiert man auf konstante und , also
und , so erhält man die
bekannte Abschätzung
welche eine Aussage darüber macht, wie verschiedene Anfangswerte zu ein und
derselben Differentialgleichung zum Auseinanderlaufen der dazugehörigen
Lösungen führen können.
Im ungünstigsten Falle muß man mit exponentiellen Wachstum rechnen; die
Ungleichung ist scharf.
Spezialisiert man lediglich , so ergibt sich
Die letzte Abschätzung weist schon formal auf den engen Zusammenhang zum
Spijkerschen Stabilitätsfunktional hin.
Direkter wird dieser Zusammenhang im Falle der folgenden Überlegungen.
Hat man
mit den beiden Defekten , so erhält man
Man beachte, daß sich die letzte Defektabschätzung nicht durch
Spezialisierung aus der obigen allgemeinen Abschätzung herleiten lässt.
Dennoch sind die Beweise für beide Aussagen natürlich ähnlich.
Ebenso ist gut zwischen aus dem Banachraum und der
nicht-negativen skalaren Größe zu unterscheiden;
Banach, Stefan (1892--1945).
Entsprechend sind die Integrale zu verstehen.
Das Spijkersche Stabilitätsfunktional lautet hier
in Abweichung der Notation von Albrecht (1979),
wegen der veränderten Schreibweise der .
Die zum Stabilitätsfunktional gehörende Matrix ist natürlich
Zu den Abschätzungen vergleiche man die Bücher von Schäfke/Schmidt (1973)
und Hairer/Wanner/Nørsett (1987).
Dort findet man auch Hinweise auf weiterführende Literatur und schwächere
Voraussetzungen bei den Behauptungen.