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
{ودت طائفة من اهل الكتاب لو يضلونكم}
2024-11-02
الرياح في الوطن العربي
2024-11-02
الرطوبة النسبية في الوطن العربي
2024-11-02
الجبال الالتوائية الحديثة
2024-11-02
الامطار في الوطن العربي
2024-11-02
الاقليم المناخي الموسمي
2024-11-02


CONTROLLABILITY, BANG-BANG PRINCIPLE-BANG-BANG PRINCIPLE.  
  
206   01:59 مساءاً   date: 6-10-2016
Author : Lawrence C. Evans
Book or Source : An Introduction to Mathematical Optimal Control Theory
Page and Part : 26-30

For this section, we will again take A to be the cube [−1, 1] m in Rm.

DEFINITION. A control α(.) ∈ A is called bang-bang if for each time t ≥ 0 and each index i = 1, . . . ,m, we have |αi(t)| = 1, where

THEOREM 1.1 (BANG-BANG PRINCIPLE). Let t > 0 and suppose x0 ∈C(t), for the system

Then there exists a bang-bang control α(.) which steers x0 to 0 at time t.

To prove the theorem we need some tools from functional analysis, among hem the Krein–Milman Theorem, expressing the geometric fact that every bounded onvex set has an extreme point.

1.1 SOME FUNCTIONAL ANALYSIS. We will study the “geometry” of certain infinite dimensional spaces of functions.

NOTATION:

DEFINITION. Let αn ∈ L for n = 1, . . . and α ∈ L. We say αn converges to α in the weak* sense, written

We will need the following useful weak* compactness theorem for L:

ALAOGLU’S THEOREM. Let αn ∈ A, n = 1, . . . . Then there exists a subsequence αnk and α ∈ A, such that

DEFINITIONS. (i) The set K is convex if for all x, xˆ ∈ K and all real numbers  0 ≤ λ ≤ 1,

                                    λx + (1 − λ) xˆ ∈ K.

(ii) A point z ∈ K is called extreme provided there do not exist points x, xˆ ∈ K and 0 < λ < 1 such that

                        z = λx + (1 − λ) xˆ.

KREIN-MILMAN THEOREM. Let K be a convex, nonempty subset of L, which is compact in the weak ∗ topology.

Then K has at least one extreme point.

1.2 APPLICATION TO BANG-BANG CONTROLS.

The foregoing abstract theory will be useful for us in the following setting. We will take K to be the set of controls which steer x0 to 0 at time t, prove it satisfies the hypotheses of Krein–Milman Theorem and finally show that an extreme point is a bang-bang control.

So consider again the linear dynamics

Take x0 ∈ C(t) and write

K = {α(.) ∈ A |α(.) steers x0 to 0 at time t}.

LEMMA 1.3 (GEOMETRY OF SET OF CONTROLS). The collection K of admissible controls satisfies the hypotheses of the Krein–Milman Theorem.

Proof. Since x0 ∈ C(t), we see that K = ∅.

Next we show that K is convex. For this, recall that α(.) ∈ K if and only if

Now take also αˆ ∈ K and 0 ≤ λ ≤ 1. Then

Lastly, we confirm the compactness. Let αn ∈ K for n = 1, . . . . According to Alaoglu’s Theorem there exist nk → ∞ and α ∈ A such that αnk⇀ α. We need

to show that α ∈ K.

Now αnk ∈ K implies

by definition of weak-* convergence. Hence α ∈ K.

We can now apply the Krein–Milman Theorem to deduce that there exists an extreme point α ∈ K. What is interesting is that such an extreme point corresponds to a bang-bang control.

THEOREM 1.4 (EXTREMALITY AND BANG-BANG PRINCIPLE). The control α(.) is bang-bang.

Proof. 1. We must show that for almost all times 0 ≤ s ≤ t and for eachi = 1, . . . ,m, we have

i (s)| = 1.

Suppose not. Then there exists an index i ∈ {1, . . . ,m} and a subset E ⊂ [0, t]  of positive measure such that |αi(s)| < 1 for s ∈ E. In fact, there exist a number ε > 0 and a subset F ⊆ E such that

the function β in the ith slot. Choose any real-valued function β(.) ≡ 0, such that IF (β(.)) = 0

and |β(.)| ≤ 1. Define

α1(.) := α(.) + εβ(.)

α2(.) := α(.) − εβ(.),

where we redefine β to be zero off the set F

2. We claim that

                                        α1(.),α2(.) ∈ K.

To see this, observe that

Note also α1(.) ∈ A. Indeed,

But on the set F, we have |αi (s)| ≤ 1 − ε, and therefore

1(s)| ≤ |α (s)| + ε|β(s)| ≤ 1 − ε + ε = 1.

Similar considerations apply for α2. Hence α12 ∈ K, as claimed above.

3. Finally, observe that

and this is a contradiction, since α is an extreme point of K.

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.