数学 > 偏微分方程分析
[提交于 2025年8月20日
(v1)
,最后修订 2025年8月31日 (此版本, v2)]
标题: 耦合线性多变量偏微分方程的状态空间表示及基于SDP的稳定性分析
标题: A State-Space Representation of Coupled Linear Multivariate PDEs and Stability Analysis using SDP
摘要: 在时间和空间中演化的物理过程通常使用偏微分方程(PDE)进行建模。最近,已经展示了如何通过等效的偏积分方程(PIE)表示来更方便地进行单个空间变量耦合PDE的稳定性分析和控制。这种PIE表示的构建基于空间微分算子$\partial_s^{d}$在由边界条件定义的域上的逆的解析表达式。在本文中,我们展示如何通过将域表示为提升的单变量域的交集,将这种单变量表示递归地扩展到多个空间变量。具体来说,我们证明如果每个单变量域是适定的,那么存在一个易于验证的一致性条件,该条件是多变量空间微分算子$D^\alpha=\partial_{s_1}^{\alpha_1}\cdots\partial_{s_N}^{\alpha_N}$在PDE域上存在逆的必要且充分条件。此外,我们证明这个逆是通过多项式半可分离核定义的偏积分(PI)算子的$*$-代数中的一个元素。基于这个算子代数,我们证明任何适当适定的线性多变量PDE的演化都可以由一个PIE描述,该PIE由PI代数的元素参数化。然后,提出了一种用于PDE稳定性的凸计算测试,使用正PI算子的正矩阵参数化,并提供了软件(PIETOOLS),该软件自动化了此类PDE的表示和稳定性分析过程。该软件用于分析二维热方程、波动方程和板方程的稳定性,得到了衰减率的准确界限。
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