• Aucun résultat trouvé

Exemple : Le pendule avec friction

Dans le document Cours K1MA6021 : Syst`emes Dynamiques (Page 68-72)

On consid`ere un pendule en mouvement, soumis `a une force de friction. Soit une corde de longueur `, `a laquelle est attach´ee une masse soumise `a une force gravitationnelle m−→g di-rig´ee vers le bas. On note θ l’angle de la corde avec la verticale. La vitesse angulaire est θ0, la vitesse tangentielle `θ0T o`u T = (cos(θ),sin(θ)). On suppose qu’il y a une force de fric-tion oppos´ee au mouvement et proportionnelle `a la vitesse tangentielle, soit −klθ0T. En notant c(t) =`(sin(θ(t),−cos(θ(t))) la position de la masse, on a

c0(t) = `θ0T

c00(t) = `θ00T+`θ02(−c)

Faisons le bilan des acc´elarations et forces dans la direction tangentielle : Acc´el´eration tangen-cielle : θ00`,

Friction :−kθ0` Gravit´e :−mgsin(θ).

L’´equation de NewtonP

F =m~a se traduit, pour sa composante tangentielle, en

−kθ0`−mgsin(θ) =m`θ00 soit l’´equation d’ordre 2 non lin´eaire

θ00= −k

m θ0−gsin(θ)

`

Notes du cours K1MA6021, 2013-2014 67 Laurent Bessi`eres

Chapitre 6 : stabilit´e dans les syst`emes non lin´eaires 3. Th´eor`eme de Hartman-Grobman

On se ram`ene `a un syst`eme diff´erentiel en posantω =θ0 : θ0

ω000= −kmω−gsin(θ)` soit

θ ω

0

=

ω

−k

mθ0gsin(θ)`

=f(θ, ω). La matrice jacobienne en (θ, ω) est

J(θ,ω)f =

0 1

gcos(θ)`mk

. Au point d’´equilibre (0,0) on obtient le lin´earis´e

A=J(0,0)f =

0 1

g`mk

. Les racines de l’´equation caract´eristique sont

λ=

mk ± q

(mk)24g` 2

de partie r´eelles−2mk <0 : (0,0) est bien un point d’´equilibre asymptotiquement stable.

3 Th´ eor` eme de Hartman-Grobman

Le th´eor`eme 6.5 montre qu’au voisinage d’un puits, le comportement des solutions d’un syst`eme non lin´eaire ressemble `a celui des solutions du lin´earis´e. Cette propri´et´e est en fait valable en tout point d’´equilibre hyperbolique, ce que d´emontre le tr`es important th´eor`eme suivant. Avant de l’´enoncer, pr´ecisons ce qu’on entend par ”ressemblance” des solutions

D´efinition 6.6. Soit X0 =f(X) et g0 =g(X) deux syst`emes diff´erentiels o`u f, g:U→Rn sont de classeC1,U ⊂Rn un ouvert contenant l’origine. NotonsΦi le flot associ´e `af et Ψt le flot associ´e `a g. On dit que les deux syst`emes sont topologiquement conjugu´ess’il existe un hom´eomorphismeH d´efini d’un voisinage de0sur un voisinage de 0tel que pourtvoisin de 0.

Ψt(H(X)) =H(Φt(X))

Th´eor`eme 6.7 (Hartman-Grobman). Soit f :U→Rn de classe C1, U ouvert de Rn conte-nant 0,Φt le flot du syst`eme non lin´eaire X0 =f(X). Supposons que 0soit un point d’´equilibre hyperbolique du syst`eme X0 = f(X) et notons A = J0f. Alors il existe hom´eomorphisme H d´efini d’un voisinage de0sur un voisinage de0 tel que pour toutX voisin de 0, pour tvoisin de 0

H(Φt(X)) =eAtH(X)

Chapitre 6 : stabilit´e dans les syst`emes non lin´eaires 4. Fonctions de Lyapounov

Autrement dit le syst`eme non lin´eaire est topologiquement conjugu´e `a son lin´earis´e, au voisinage du point d’´equilibre. Ce th´eor`eme implique 6.5. Nous n’aborderons pas sa preuve, plus d´elicate.

On a les corollaires suivants :

Corollaire 6.8. Supposons queXsoit un point d’´equilibre stable de(6.1). Alors aucune valeur propre de la partie lin´eaire A = JX n’a de partie r´eelle > 0. En particulier, un point-selle est instable.

Corollaire 6.9. Un point d’´equilibre hyperbolique est asymptotiquement stable ou instable.

Exercice6.10. Montrer que le point d’´equilibreθ=πdu pendule est instable.

Il reste `a ´etudier la stabilit´e ´eventuelle en des points non hyperboliques, i.e. lorsqu’une valeur propre au moins de la partie lin´eaire est de partie r´eelle nulle. Un crit`ere tr`es utile pour ´etablir la stabilit´e est l’existence de fonctions de Lyapounov.

4 Fonctions de Lyapounov

SoitV :U→Rdiff´erentiable surU\ {X}. Etant donn´ee une ´equation (6.1), on note ˙V :U→R, la fonction

V˙(X) =dXV.f(X) =h∇XV, f(X)i Si Φt(X) est une trajectoire de X0 =f(X), on alors

d

dt|t=0V(Φt(X)) = dXV.d dtΦt(X)

= V˙

Th´eor`eme 6.11. Soit X un point d’´equilibre de (6.1). Soit V : U→R, continue sur U, diff´erentiable surU \ {X}. On suppose que

(1) V(X) = 0,V(X)>0 siX 6=X. (2) V˙ ≤0sur U \ {X}.

Alors X est stable. Si de plus on a (3) V <˙ 0sur U \ {X},

alors X est asymptotiquement stable.

Notes du cours K1MA6021, 2013-2014 69 Laurent Bessi`eres

Chapitre 6 : stabilit´e dans les syst`emes non lin´eaires 4. Fonctions de Lyapounov

D´efinition 6.12. On appelle fonction de Lyapounov une telle fonction V :U→R sa-tisfaisant (1)-(2). On appelle fonction de Lyapounov stricte une fonction qui saisfait de plus (3)

Remarquons que dans le th´eor`eme, on ne fait pas du tout r´ef´erence aux valeurs propres du lin´earis´e. On a en fait d´ej`a rencontr´e une fonction de Lyapounov stricte : la fonction X 7→

kXk dont on a montr´e, lorsqueX ´etait un puits, qu’elle satisfaisait dtdkX(t)k <0 le long des trajectoires. C’est exactement la condition (3) ci-dessus. D´emontrons le th´eor`eme :

Preuve: Consid´erons une boule ferm´eeB(X, δ)⊂U. Puisque V >0 sur U\ {X}, par

Supposons maintenant que V soit une fonction de Lyapounov stricte. Alors ˙V < 0 implique que V d´ecroit strictement le long des trajectoires de U\ {X}. Soit Φt(X) une trajectoire telle que X ∈ W \ {X}. Par compacit´e de B(X, δ) il existe X tel que Φtn(X)→X pour une par (6.5), ce qui contredit (6.4).

Il s’ensuit que X est la seule limite possible de{Φt(X)|t≥0}, d’o`u Φt(X)→X.

Exemple6.13. Soit le syst`eme x

, la partie lin´eaire est

J f =

Chapitre 6 : stabilit´e dans les syst`emes non lin´eaires 4. Fonctions de Lyapounov

doncX n’est pas hyperbolique. Consid´eronsV(x, y) =x4+y4>0 surR2\ {X}. De plus V˙ = (4x3,4y3).

−y3 x3

= 0

Le th´eor`eme 6.11 permet d’affirmer que X est stable. L’´etude des lignes de niveau de la fonction V permet d’en dire plus. Les courbes de niveau deV,

{(x, y)|V(x, y) =c}

forment une famille de courbes ferm´ees entourant l’origine. PuisqueV˙ = 0,V est constante le long des trajectoires, ce qui signifie qu’une trajectoire X(t) reste contenue dans le niveau {(x, y) | V(x, y) = V(X(0))}. En cons´equence,X n’est pas asymptotiquement stable.

Dans une situation o`u ˙V <0 hors deX, les trajectoires doivent traverser les lignes de niveau.

Obsevons que les lignes de niveau d’une fonction sont orthogonales en chaque point au gradient

∇V de la fonction. Le champ de vecteur∇V donne en chaque point la direction dans laquelle la croissance deV est maximale (penser `a la ligne de plus grande pente d’une colline). L’hypoth`ese

V˙ =h∇XV, f(X)i<0

signifie que le champ de vecteurf(X) est orient´ee dans une direction oppos´ee (faisant un angle

> π/2) `a celle du gradient deV : la valeur deV d´ecroit si on se d´eplace dans la directionf(X), i.e. le long des trajectoires. Si les courbes de niveau forment une famille de courbes ferm´ees entourant un centre X, il est intuitivement clair (et c’est ce que montre le th´eor`eme) que les trajectoires n’ont pas d’autre choix que de converger vers le centre.

Dans le document Cours K1MA6021 : Syst`emes Dynamiques (Page 68-72)

Documents relatifs