Le premier a avoir intreoduit la notion de stabilité est Lagrange.
Le concept est basé sur l'énergie potentielle $V$. Puisque les points d'équilibre du système correspondent aux points tels que $\derivp[V]{q}=0$ avec $q$ les coordonnées généralisées du mouvement, alors un point d'équilibre est stable suivant Lagrange si $\derivpp[V]{q} > 0$
La notion de stabilité en non linéaire concerne les points d'équilibre et non le système. Mathématiquement, Dirichlet a formalisé la stabilité au sens de Lagrange avec les trajectoires.
Ainsi la stabilité suivant Lagrange est qu'un petit changement borné sur $x^*$ implique un petit changement borné sur la trajectoire.
\[\forall\delta > 0, \exists\epsilon > 0\text{ tel que } ||\chi(t_0,x_0)|| \leq\delta\Rightarrow ||\chi(t,\chi(t_0,x_0))|| \leq\epsilon\]
Sans perte de généralité, on considère le point d'équilibre $x^*=0$.
\begin{rem}
La stabilité suivant lagrange n'implique pas la convergence mais seulement la bornitude\footnote{sic.} (la trajectoire reste bornée), ce n'est pa suffisant pour faire de l'automatique, il faut pouvoir garantir la convergence. On utilise donc la stabilité au sens de Lyapounov
La condition de Lagrange est sur la bornitude de la trajectoire (quelles que soient les conditions initiales, on borne la solution). Par contre, la condition de Lyapunov est sur la convergence dans un voisinage (il existe des conditions initiales pour lesquelles les trajectoires convergent vers $x^*$).
Il n'existe pas de solution analytique aux équations de Van der Pol, mais numériquement on trouve un cycle limite stable.
\end{rem}
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$\exists\epsilon$ tel que le cycle limite $\subset$ cercle de centre (0,0) et de rayon $\epsilon$ : stable au sens de Lagrange. Par contre, pas stable au sens de Lyapunov car on a
\[\forall\delta > 0, \nexists\epsilon > 0\text{ tel que } ||\chi(t,\chi(t_0,x_0))|| < \epsilon\]
\end{exemple}
\begin{exemple}[Pendule sans frottement]
L'origine est stable suivant Lyapunov avec $\delta=\epsilon$.
Elle n'est pas stable suivant Lagrange \[x_0=(x_1=\pi, x_2=0) : \nexists\epsilon >0\text{ tel que }\|\chi(t,\chi(0,s_0))\| < \epsilon
\]
\end{exemple}
\subsection{Stabilité uniforme}
\begin{defin}
Le point d'équilibre $x^*(x^*=0)$ est dit point d'équilibre uniformément stable si, pour la condition de Lyapunov, $\delta$ peut être choisi indépendamment des conditions initiales $t_0,x_0$
$\beta(\|x_0\|,|t|)=\|x_0\|e^{-\lambda |t|}\text{ avec }\lambda >0$
Ainsi le but est d'arriver à vérifier pour une trajectoire du système $\|\chi(t,x_0)\|\leq\beta(\|x_0\|,t),t \geq0$ (enveloppe)
\end{exemple}
\begin{prop}
L'origine est uniformément stable si et seulement si \[\exists c>0, \alpha\in\Kc\text{ tel que }\|\chi(t_0,x_0)\|\leq c \Rightarrow\|\chi(t,\chi(t_0,x_0))\|\leq\alpha(\|\chi(t_0,x_0)\|)\]
\end{prop}
\begin{proof}
Condition suffisante.
Soit $\alpha\in\Kc$ (strictement croissante et continue, donc $\alpha^{-1}$ existe).
Pour $\epsilon >0, \exists\delta$ dépendant de $\epsilon\text{ tel que }\delta=\alpha^{-1}(\epsilon)$.
Si $\|\chi(t_0,x_0)\|\leq\delta\Rightarrow\|\chi(t,\chi(t_0,x_0))\|\leq\alpha(\alpha^{-1}(\epsilon))\leq\epsilon$\\
Condition nécessaire.
$\forall\epsilon>0, \exists\delta$ dépendant de $\epsilon\text{ tel que }\|s_0\|\leq\delta\Rightarrow\|s\|\leq\epsilon$
Si $\epsilon_2 > \epsilon_1\Rightarrow\delta_2\geq\delta_1$ (suivant Lyapunov). On définit $\delta' \in\Kc\text{ tel que }\delta'<\delta$.
Pour $\epsilon > 9, \exists\delta > 0\text{ tel que }$
\|s_0\|\leq\delta' &\Rightarrow\|\delta\|\leq\epsilon\text{ car }\delta'<\delta
\end{align*}
Si on définit $\alpha(\|.\|)=(\delta')^{-1}$, $\forall\epsilon >0, \exists\delta'(\epsilon)$ où $\|s_0\|=\delta'(\epsilon)\Rightarrow\epsilon=(\delta')^{-1}(\|s_0\|)$
$\exists r > 0, \forall\sigma > 0, \exists T > 0\text{ tel que }\|\chi(t_0,x_0)\|\leq r \Rightarrow\|\chi(t,\chi(t_0,x_0))\|\leq\sigma, \forall t \geq T$
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Autrement dit : $\|s_0\|\leq r \Rightarrow\lim_{t\rightarrow\infty}\|\chi_t\|=0$.
On parle d'attractivité uniforme si $T$ ne dépend pas de $t_0$.
\end{defin}
\begin{prop}[Stabilité asymptotique]
L'origine est asymptotiquement stable si et seulement si
\begin{itemize}
\item stabilité au sens de Lyapunov et attractivité
\item$\|s_0\|\leq r \Rightarrow\|s\|\leq\beta(\|s_0\|,t), \quad\beta\in\Kc\Lc$
\end{itemize}
\end{prop}
\begin{prop}[Stabilité exponentielle]
L'origine est exponentiellement stable si et seulement si
\begin{itemize}
\item stabilité au sens de Lyapunov et attractivité
\item$\exists\alpha, \lambda, r >0\text{ tel que }\|s_0\|\leq r \Rightarrow\|s\|\leq\alpha\|s_0\| e^{-\lambda t}$
\end{itemize}
\end{prop}
\begin{prop}[Stabilité locale et globale]
\begin{itemize}
\item L'origine est globalement stable si la stabilité (asymptotique, exponentielle,...) ne dépend pas de la condition initiale, i.e. $\forall t_0\in\R\text{ et } x_0\in\R^n$ et dit localement stable (asymptotiquement, exponentiellement,...)
\item Si la stabilité dépend de la CI, i.e. $\exists V_t \subset\R$ ou $V_x \in\R^n$ tel que $\forall t_0\in V_t$ et $\forall x_0\in V_x$, l'origine est stable.
\end{itemize}
\end{prop}
\paragraph{Problème} Généralement, on n'a pas de solution analytique de l'équation différentielle. Ainsi, la stabilité ne peut pas être vérifiée via la trajectoire.
$ telle que $V(0)=0$ et $V(x) \geq 0$(définie semi-positive) ou telle que $V(0)=0$ et $V(x) > 0$ si $x\neq 0$(définie positive)
\item$V$ est radialement non bornée, i.e. $V(x)\rightarrow_{\|x\|\rightarrow\infty}\infty$
\end{enumerate}
\end{defin}
\begin{thm}[Stabilité au sens de Lyapunov]
Soit $\dot{x}(t)= f(x(t))$ et $f(0)=0$ (origine est un point d'équilibre). On suppose qu'il existe $V$ (fonction de Lyapunov) continue et différentiable tel que
\[\exists D \subset\R^n, 0\in\D\text{ où }\forall x \in\D, \quad\dot{V}(x)=(\derivp[V]{x})^Tf(x)\leq0\]
Alors l'origine est stable au sens de Lyapunov sur $\D$.
Si $\D=\R^n$, 0 est globalement stable au sens de Lyapunov.
\end{thm}
\begin{proof}
Si $x=0$ est stable, alors $\forall\epsilon > 0, \exists\delta > 0\text{ tel que }\|s_0\|\leq\delta\Rightarrow\|s\|\leq\epsilon$.
Pour $\epsilon > 0$ on définit $0<r\leq\epsilon$ avec $B_r(0)=\{ x \in\D\text{ tel que }\|x\|\leq r \}$
Soit $\alpha=\min_{\|x\|= r} V(x)$ et on choisit $\beta$ tel que $\beta < \alpha$ et on définit $\Omega_{\beta}=\{ x \in B_r(0)\text{ tel que } V(x)\leq\beta\}$.
$0\in\Omega_{\beta}$ car $V(0)=0$ et $\Omega_{\beta}\subset B_r(0)$.
Soit $x_0\in\Omega_{\beta}\subset\D$ : $\dot{V}(x)\leq0$
\begin{align*}
\Rightarrow& V(x(t)-V(x_0) \leq 0 \quad (\text{ car }\in\D) \\
Pour $\D=\{\|x\|\leq1\}, x_1^2+x_2^2\geq x_1^4+ x_2^4$ donc $-(x_1^2+ x_2^2)\leq-(x_1^4+x_2^4)$ : on ne peut pas borner $\dot{V}$ par $V$.
Avec ce $V(x)$ on ne peut décider de la convergence exponentielle.
\end{exemple}
Si on arrive pas a vérifier la stabilité alors le point d'équilibre (ou l'origine) peut-être instable. Dans ce cas, comment vérifier l'instabilité du point d'équilibre (origine)?\\
\begin{thm}[Théorème de Lyapunov d'instabilité]
Soit le système G: $x=f(x)$, $f(0)=0$ et $t\geq0$.
Si $\exists V : \D\subset\mathbb{R}^n \rightarrow\mathbb{R}_+$ continue, différentiable et définie positive ($0\in\D$), tel que
\[\forall x \in\D^*, \quad\dot{V}(x)=\left(\frac{\partial V}{\partial x}\right)^T f(x) >0\]
alors l'origine est instable.
\end{thm}
Le système accumule de l'énergie et deviens instable
\begin{proof}
Instable $\Leftrightarrow$$\exists\epsilon>0$ tel que $\forall\delta >0$, alors $\|x_0\|\leq\delta$ et $\|x\|\geq\epsilon$\\
$\forall\delta > 0$ soit $r \in]0;\delta[$ tel que:\\
$B_r(0)=\{ x\in\D$ tel que $\|x\|\leq r \}$ est compact.\\
On pose $\alpha= max_{B_r(0)} V(x)$ et $x_0\in B_r(0)$\\
$V(x_0)=\alpha$, ainsi $V(x)- V(x_0) >0$ :
\begin{align*}
\Rightarrow& V(x) > \alpha\\
\Rightarrow& x \notin B_r(0) \\
\Rightarrow& x \in B_r^c(0)\\
\Rightarrow&\|x\|> r
\end{align*}
Donc $\exists\epsilon >0$ tel que $\|x\|\geq\epsilon > r$
\end{proof}
\subsection{Théorème simplifiant l'analyse de la stabilité}
\begin{thm}[Théorème de Barbashin-Krasovsky (Stabilité asymptotique)]
Soit $\{0\}$ un point d'équilibre du système $\dot{x}= f(x)$ , où $f:\D\rightarrow\mathbb{R}^n$, localement lipschitzienne. On suppose qu'il existe $V$ continue, différentiable et définie positive telle que \[\dot{V}\leq0\]
Soit $S =\{x \in\D$ tel que $\dot{V(x)}=0\}$.
Si $x=0$ est le seul élément de $S$, alors l'origine est asymptotiquement stable.
On ne peut pas conclure sur la stabilité asymptotique car $Q(x)=\frac{1}{2}x_1^4$ ne dépend pas de $x_2$. \\
On utilise le théorème de Barbashin :
\begin{align*}
S = \{x \in\D\text{ tel que }\dot{V(x)} = 0\}\Rightarrow x_1 = 0\\
\Rightarrow&\dot{x_2} = 0\\
\Rightarrow& x_2 = 0\\
\Rightarrow& S = \{0\}\\
\Rightarrow&\text{Stabilité asymptotique}
\end{align*}
\end{exemple}
\begin{thm}[Principe d'invariance de LaSalle]
Soient $\dot{x}= f(x)$ avec $f: \D\rightarrow\mathbb{R}^n$, $\Omega$ un compact positivement invariant tel que $\Omega\subset\D$, $V:\D\rightarrow\mathbb{R}_+$ continue, différentiable tel que $\dot{V}\leq0$ dans $\Omega$, $E=\{x \in\Omega$ tel que $\dot{V}=0\}$ et M le plus grand ensemble positivement invariant inclus dans E.
Alors toute solution $x$ tel que $x_0\in\Omega$ converge vers M quand $t \longrightarrow\infty$. Autrement dit $\overline{M}$ est l'attracteur.
\[G : \dot{x}(t)= f(t,x)\], $x(t_0=x_0, \forall t\geq t_0$ avec $f(t,0)=0$, $\forall t \geq0\Rightarrow x =0$ est un point d'équilibre.
L'origine est stable au sens de Lyapunov si et seulement si
\[\forall\epsilon > 0\text{ et } t_0\geq0, \exists\delta > 0\text{ tel que }\| S(t_0,x_0)\|\leq\delta\Rightarrow\| S(t,S(t_0,x_0))\|\leq\epsilon, \forall t \geq t_0\]
Si $\exists\alpha > 0, \beta > 0, \gamma > 0\text{ et } c \geq1\text{ tel que }$
\begin{itemize}
\item$\alpha\|x\|^c \leq V(t,x)\leq\beta\|x\|^c$
\item$\dot{V}(,x)\leq-\gamma\|x\|^c$
\end{itemize}
Alors l'origine est exponentiellement stable.
\end{thm}
\begin{rem}
Si $\D=\R^n$ : l'origine est globalement stable
\end{rem}
Les démonstrations sont calquées sur celles du cas autonome, avec $x_1= t \in\R_+$, $x_2= x \in\R^n$, $x_2= x \in\R^n$ donc $\dot{x_1}=1$ et $\dot{x_2}= f(x_1,x_2)$
\begin{exemple}[Système linéaire non stationnaire]
$\dot{x}(t)= A(t) x(t)$ et $x(0)=x_0, t \geq0$
Soit $V(t,x)=x^TP(t)x$ où $P(t) > 9, \forall t \in\R_+$
Soit le système $ G: \dot{x}=f(x,u)$ où $f:\R^n \times\R^m \rightarrow\R^n$ ($m$ désigne le nombre d'entrées)
Soit l'origine un point d'équilibre :
\begin{enumerate}
\item S'il est globalement stable, alors on peur analyser la SEE
\item S'il est localement stable, alors la SEE est locale ($\D\subset\R^n$)
\end{enumerate}
Dans le cas 1, on analyse la stabilité du système en SEE. Dans le cas 2, on analyse localement ($\D$) la stabilité du système en SEE.
\begin{defin}
Le système est dit SEE si $\forall u(t)$ et $\forall x_0\in\R^n$ bornées, il existe une solution $x(t,x_0), \forall t \geq0$ et $\exists\alpha\in\Kc\Lc$ et $\exists\gamma\in\Kc_{\infty}$ tels que :
si $\chi_t(M)\subseteq M$ pour $t\geq0$ où $\chi_t(M)=\{\chi_t(x), x\in M \}$.\\
Il est négativement invariant suivant la dynamique \eqref{eq:sys} si $\chi_t(M)\subseteq M$ pour $t<0$. Ainsi $M$ est un ensemble invariant suivant \eqref{eq:sys} si $\chi_t(M)\subseteq M, \quad\forall t \in\R$
\end{defin}
\begin{prop}
Si $M \subset D$ est un ensemble invariant suivant \eqref{eq:sys}, alors $\overline{M}$ l'adhérence de $M$ est invariant.
\end{prop}
\begin{proof}
Soit la suite $(x_n)_{n\in\N}\subset M$ tel que $x_n \rightarrow x$ avec $x\in\overline{M}$.
Puisque $M$ est invariant, alors $(\chi_t(x_n))_{n\in\N}\subset M$. De plus, $\chi_t(x_n)\rightarrow\chi_t(x)\in\overline{M}$ car c'est un fermé.
Ainsi, $\overline{M}$ est invariant suivant \eqref{eq:sys}.
\end{proof}
\begin{defin}
Un ensemble invariant fermé $M \subset D$ est un \emph{attracteur} du système \eqref{eq:sys}, s'il existe un voisinage $N$ de $M$ tel que $\forall x \in N, \exists t \in\R$ tel que $\chi_t(x)\in M$
$r =\sqrt{x_1^2+ x_2^2}$ et $\theta=\arctan\frac{x_2}{x_1}$
donc
$\dot{r}=\derivp[r]{x_1}\dot{x_1}+\derivp[r]{x_2}\dot{x_2}= r(1-r^2)$ et $\dot{\theta}=\derivp[\theta]{x_1}\dot{x_1}+\derivp[\theta]{x_2}\dot{x_2}=1$\\
Ainsi,
$r>1\quad\dot{r}<0\Rightarrow r \rightarrow1$
$r<1\quad\dot{r}>0\Rightarrow r \rightarrow1$
$r=1$ un fermé $\Rightarrow$ Attracteur où $\forall(x_1,x_2)\in\R^2/\{(0,0)\}$ car $x_1=x_2=0$ est un point d'équilibre, les trajectoires convergent vers le cercle unité. Suivant le théorème de Poincaré-Bendixon le cercle unité est un cycle limite, car c'est un compact et ne contient pas de point d'équilibre.
