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Matemáticas para ingeniería

Estabilidad interna y estabilidad entrada-salida

Estable puede querer decir que una perturbación se mantiene pequeña, que acaba desapareciendo o que una entrada acotada no produce una salida ilimitada. Son preguntas diferentes. Las separaremos con trayectorias pequeñas, un integrador y un oscilador; después veremos qué dicen los autovalores y cómo comprobar un certificado sin depender solo de un dibujo.

1. Primero elegimos qué se perturba y qué se observa

Para estabilidad interna miramos x′=Ax sin entrada y permitimos un estado inicial pequeño x₀. Nos importan todas las componentes del estado, aunque alguna no se mida. Para estabilidad entrada–salida fijamos x₀=0, aplicamos entradas y miramos la salida y. Cambiar de pregunta cambia qué datos se permiten y qué debemos acotar.

Esta lección trata tiempo continuo y sistemas lineales finitos con matrices constantes.

El origen x=0 es el equilibrio libre.

En tiempo discreto las condiciones espectrales se formulan con el disco unidad; no se traslada allí la regla de parte real negativa de continuo.

Un estado puede crecer sin aparecer en el sensor

w′=w, v′=−2v+u, y=v.

  1. Perturbación interna

    Con u=0 y (w(0), v(0))=(1,0), aparece w=exp(t), mientras v=y=0.
  2. Estado cero y entrada

    Si ambos estados empiezan en cero, la entrada solo actúa sobre v y su transferencia a y es 1/(s+2).

  3. Dos preguntas

    La trayectoria interna exhibe crecimiento. La relación de estado cero entre u e y puede seguir siendo BIBO estable, porque no incluye el modo w.

Resultado

Mirar una sola salida no inspecciona automáticamente todo el estado.

Lo comprobamos

El dato inicial uno puede escalarse a cualquier perturbación positiva pequeña y conservar crecimiento exponencial.

Un integrador mantiene su inicio, pero acumula una entrada

x′=u, y=x.

  1. Sin entrada

    x=x₀, constante.

    Una perturbación pequeña permanece pequeña.

  2. Desde cero con escalón

    Si x₀=0 y u=1, entonces x=t.
  3. Interpretar

    El primer experimento estudia el estado libre; el segundo estudia una entrada acotada que causa salida creciente.

Resultado

Una conclusión interna marginal no equivale a BIBO.

Lo comprobamos

La misma ecuación permite los dos experimentos; no hay contradicción entre sus resultados.

2. Permanecer cerca y volver al origen son garantías distintas

Estabilidad de Lyapunov significa: para cualquier radio ε>0 existe δ>0 tal que ||x₀||<δ implica ||x(t)||<ε para todo t≥0. δ controla cuánto podemos perturbar al principio; ε fija el margen que no queremos superar. Es asintótica si además las trayectorias suficientemente cercanas tienden a cero.

En un sistema lineal, si todos los estados iniciales cercanos convergen, la escala permite extender la convergencia a cualquier estado inicial. Permanecer cerca por sí solo no exige disminuir, y estabilidad asintótica no exige que cada componente o cada norma baje monótonamente desde el primer instante.

Una constante pequeña nunca se aleja, pero tampoco desaparece

A=0, así x′=0.

  1. Trayectoria

    x(t)=x₀ para todo t.
  2. Radios

    Para cualquier ε elegimos δ=ε: si ||x₀||<δ, la norma permanece menor que ε.

  3. Límite

    Si x₀≠0, su límite es x₀, no cero.

    Es estable de Lyapunov y no asintóticamente estable.

Resultado

La definición distingue conservar una perturbación de eliminarla.

Lo comprobamos

Elegir un único dato x₀=0 no habría probado ni refutado la convergencia de otros datos.

Una rotación conserva el tamaño sin amortiguar

A=[[0,−2],[2,0]], con norma euclídea.

  1. Tamaño

    La derivada de x₁²+x₂² es 2x₁(−2x₂)+2x₂(2x₁)=0.
  2. Estabilidad

    La norma es constante; δ=ε sirve como en el caso anterior.

  3. Futuro

    Un dato no nulo recorre una circunferencia y no converge al origen. La oscilación acotada no es decaimiento.

Resultado

La estabilidad de Lyapunov admite movimientos persistentes acotados.

Lo comprobamos

La frecuencia dos cambia la rapidez de la vuelta, no su radio.

3. Partes reales negativas garantizan decaimiento final, con posible amplificación previa

Para un autovector v de autovalor λ=a+ib, exp(λt)v tiene factor de magnitud exp(at). La parte real decide el crecimiento o decaimiento modal; b introduce oscilación. En dimensión finita, todos los autovalores con parte real estrictamente negativa equivalen a estabilidad asintótica y exponencial: existen M≥1 y α>0 con ||exp(At)||≤Mexp(−αt).

A se llama Hurwitz.

La estabilidad asintótica no promete una norma siempre decreciente
Los modos decaen; puede haber un picoA=[−1,10; 0,−1], x₀=(0;1)410148Norma inicial: 1Máximo: 10/e≈3,68Al final, ambas componentes →0.
Con x₀=(0,1), la trayectoria es x=(10t exp(−t), exp(−t)). Su norma infinito es exp(−t)max(10t,1): primero puede amplificarse hasta 10/e y luego decae. Los dos autovalores son −1. Un certificado exponencial admite un factor M mayor que uno para cubrir el transitorio.

No hace falta diagonalización: los factores polinómicos de los bloques de Jordan quedan dominados por exponenciales decrecientes. M permite cubrir amplificación transitoria. Autovalores negativos por sí solos no prometen una norma decreciente en todo instante ni una perturbación que nunca crezca antes de desaparecer.

Una diagonal ofrece una cota inmediata

A=diag(−1/2,−2), usando norma euclídea.

  1. Solución

    x=(exp(−t/2)x₁₀, exp(−2t)x₂₀)ᵀ.
  2. Acotar

    ||x(t)||₂²≤exp(−t)||x₀||₂², de modo que ||x(t)||₂≤exp(−t/2)||x₀||₂.
  3. Constantes

    Podemos tomar M=1 y α=1/2.

    Además δ=ε mantiene la trayectoria dentro del radio pedido.

Resultado

El modo lento fija una tasa válida para el vector completo.

Lo comprobamos

El coeficiente de ese modo puede ser cero en una trayectoria concreta, que entonces decaerá más rápido.

Un bloque estable puede amplificar antes de decaer

A=[[-1,10],[0,−1]], x₀=(0,1)ᵀ.

  1. Exponencial

    exp(At)=exp(−t)[[1,10t],[0,1]], así x=(10t exp(−t), exp(−t))ᵀ.
  2. Pico

    La primera componente llega a 10/e≈3,68 en t=1, aunque la norma infinito inicial era uno. Después ambas tienden a cero.

  3. Cota global

    ||exp(At)||∞=(1+10t)exp(−t)≤9exp(−t/2): se usa t exp(−t/2)≤2/e y 1+20/e<9.

    Por tanto δ=ε/9 basta para permanecer cerca.

Resultado

Una cota exponencial con M mayor que uno explica el pico sin perder estabilidad.

Lo comprobamos

Los dos autovalores son −1; el acoplamiento diez es responsable de la amplificación transitoria.

4. En la frontera hay que mirar los bloques, no solo listar autovalores

Un autovalor de parte real positiva implica inestabilidad. Si todos tienen parte real no positiva, la estabilidad de Lyapunov exige que los de parte real cero sean semisimples: sus bloques de Jordan tienen tamaño uno. Un bloque mayor en el eje imaginario añade crecimiento polinómico sin amortiguamiento que lo compense.

Para estabilidad asintótica todos los autovalores quedan estrictamente a la izquierda
Importa la parte realRe λIm λ−31Izquierda estricta: decae.Derecha: hay crecimiento.Frontera: revisar bloques.
Los puntos de parte real negativa representan modos que decaen, incluidos pares complejos. Un modo de parte real positiva crece. Un punto sobre el eje imaginario no basta para decidir estabilidad de Lyapunov: hay que revisar sus bloques de Jordan. La imagen se refiere a sistemas continuos finitos, no al criterio de disco de tiempo discreto.

Así cero o ±iω no significan automáticamente estabilidad ni inestabilidad. Primero se revisa la estructura. Para estabilidad asintótica sí se exige que todos queden estrictamente a la izquierda, sin excepciones en la frontera. Una matriz con autovalores todos cero puede comportarse de manera muy diferente de otra con la misma lista.

Los mismos dos autovalores cero dan dos respuestas distintas

Comparar A₁=0 de tamaño dos y A₂=[[0,1],[0,0]].

  1. Primera matriz

    A₁ conserva el estado y es estable de Lyapunov.

  2. Segunda matriz

    A₂ da x₂=x₂₀ y x₁=x₁₀+tx₂₀.

    Su bloque de Jordan de tamaño dos introduce el factor t.

  3. Refutar cualquier radio inicial

    Dado δ>0, elegimos x₀=(0, δ/2).

    Es pequeño, pero para t>2ε/δ la primera componente supera ε. No hay δ que garantice permanecer cerca.

Resultado

La segunda es inestable aunque sus autovalores no tengan parte real positiva.

Lo comprobamos

No se ha probado solo un dato grande: el argumento sirve para perturbaciones arbitrariamente pequeñas.

Una pareja imaginaria semisimple sí puede permanecer acotada

A=[[0,−2],[2,0]].

  1. Autovalores

    El polinomio es λ²+4; las raíces son ±2i, distintas y semisimples.

  2. Evolución

    exp(At) es una matriz de rotación de ángulo 2t, que conserva la norma euclídea.

  3. Clasificar

    Estable de Lyapunov, no asintóticamente estable. El criterio de frontera y la cuenta directa dan la misma conclusión.

Resultado

Un punto en la frontera necesita su análisis estructural y temporal.

Lo comprobamos

No se usa la región sombreada de estabilidad estricta para incluir estos modos como asintóticos.

5. BIBO pide controlar todas las entradas acotadas, no solo un escalón

BIBO significa que toda entrada acotada admisible produce salida acotada con estado inicial cero. Una entrada acotada satisface |u(t)|≤U_max para algún número finito y todo tiempo. Comprobar un caso de entrada no demuestra una afirmación para todos; encontrar una sola entrada acotada con salida ilimitada sí la refuta.

Un sistema puede tener una respuesta al escalón acotada y fallar ante una oscilación que acumula efecto por resonancia. Estudiamos la relación de estado cero. No se confunde un impulso ideal, que no es una función ordinaria acotada, con el conjunto de entradas ordinarias de esta definición.

El integrador falla con la entrada más sencilla

y′=u, y(0)=0.

  1. Entrada

    u=1 está acotada por uno.
  2. Salida

    Integrar da y=t.
  3. Consecuencia

    Para cualquier cota propuesta, hay un tiempo que la supera. El sistema no es BIBO, aunque su estado libre con u=0 sea constante.

Resultado

Una entrada concreta refuta la garantía universal.

Lo comprobamos

No se atribuye la salida creciente a un estado inicial distinto de cero: el inicio era cero.

Un oscilador pasa el escalón y falla una entrada resonante

y″+y=u, y(0)=y′(0)=0.

  1. Escalón

    Con u=1, y=1−cos t está entre cero y dos.

  2. Otra entrada acotada

    Con u=sin t, la solución es y=[sin t−t cos t]/2.
  3. Ver crecimiento

    En t=2πm, la salida es −πm y su magnitud crece sin cota.

    Derivar la solución verifica la ecuación y sus datos.

Resultado

Una respuesta al escalón acotada no certifica BIBO.

Lo comprobamos

La persistencia de un modo imaginario permite acumulación resonante.

6. El valor absoluto de la respuesta impulsional proporciona una cota

Para un operador causal de convolución con parte regular h y paso directo finito D, y(t)=Du(t)+∫₀ᵗh(v)u(t−v)dv.

La desigualdad triangular da |y(t)|≤[|D|+∫₀∞|h(v)|dv]U_max.

La integrabilidad absoluta de h caracteriza BIBO en este marco habitual. Con varias entradas y salidas se revisan las componentes de la matriz impulsional.

No se sustituye ∫|h| por |∫h|: una entrada puede evitar cancelaciones que aparecerían con una entrada constante. Tampoco se introduce Dδ dentro de una integral ordinaria de valor absoluto como si la delta fuera una función. El paso directo se ha separado y queda acotado por |D|U_max.

Obtener una cota que sirve para cualquier entrada acotada

h(t)=3exp(−2t) para t≥0 y D=1/2.

  1. Tamaño de memoria

    ∫₀∞|h|=3/2.
  2. Sumar paso directo

    |D|+||h||₁=1/2+3/2=2.
    Entonces |y(t)|≤2U_max.
  3. Control con escalón

    Para u=1, la salida es 1/2+(3/2)[1−exp(−2t)] y se acerca a dos, coherente con la cota.

Resultado

La cota no depende de cuándo ocurra una oscilación o cambio de signo de la entrada.

Lo comprobamos

La salida justo después del escalón vale 1/2 por el paso directo.

Una ganancia constante cero no elimina la memoria

h(t)=exp(−t)−2exp(−2t), t≥0, D=0.

  1. Área con signo

    ∫h=1−1=0.
  2. Valor absoluto

    h cambia de signo en t=ln2.

    Su integral hasta allí es −1/4 y la restante 1/4; por tanto ∫|h|=1/2.

  3. Una salida no nula

    La respuesta al escalón es exp(−2t)−exp(−t), que no es cero aunque tienda a cero. El sistema sí es BIBO y admite cota U_max/2.

Resultado

Área con signo, memoria total y tamaño de salida son conceptos distintos.

Lo comprobamos

Concluir salida siempre cero a partir de G(0)=0 habría perdido el transitorio.

7. El criterio de polos para BIBO incluye causalidad y transferencia propia

Para una transferencia racional propia y causal, BIBO equivale a que todos sus polos de la expresión reducida tengan parte real estrictamente negativa. Propia significa que el grado del numerador no supera al del denominador. Permite un D finito, pero excluye diferenciadores ideales. Se mantiene la región causal de la respuesta.

Los polos repetidos estables producen polinomios por exponenciales decrecientes, que son absolutamente integrables. Los polos imaginarios persistentes o derechos incumplen el criterio. La fracción reducida describe la relación externa; para hablar de estados internos seguimos necesitando su realización.

Un polo doble negativo sigue dando memoria integrable

G=1/(s+1)², causal.

  1. Impulso

    h=t exp(−t) para t≥0.
  2. Integral absoluta

    Es no negativa y ∫₀∞t exp(−t)dt=1, mediante integración por partes.

  3. Conclusión

    El operador es BIBO estable. La repetición del polo introduce t, pero la exponencial negativa domina.

Resultado

Polo repetido no significa inestabilidad por sí mismo.

Lo comprobamos

En un bloque sobre la frontera, en cambio, faltaría la exponencial decreciente que controla ese polinomio.

No tener polos finitos no basta si la función no es propia

Diferenciador ideal G(s)=s.

  1. Operación

    Para entradas suaves, produce y=u′.
  2. Entrada acotada

    u(t)=sin(t²) tiene módulo como máximo uno.

  3. Salida

    y=2t cos(t²) no está acotada; por ejemplo, en t=√(2πm) su magnitud es 2√(2πm). La hipótesis de transferencia propia faltaba.

Resultado

La condición de grados no se omite al aplicar la regla de polos.

Lo comprobamos

Este diferenciador no tiene una respuesta impulsional regular L¹ más un paso directo finito.

8. La minimalidad permite conectar polos externos y modos internos

Si A es Hurwitz, cualquier B, C, D finitas producen una transferencia propia de estado cero BIBO estable. La inversa no vale para toda realización: puede haber modos que la entrada no alcanza o la salida no observa. Una realización mínima no conserva esas direcciones redundantes; entonces sus polos externos representan sus autovalores internos.

Controlabilidad y observabilidad son requisitos distintos. Incluso un modo que sí recibe la entrada puede crecer sin verse en una salida que lo ignora. Una conclusión sobre G debe indicar si también se ha revisado el estado completo y la estructura mínima.

Un modelo mínimo hace coincidir ambos análisis

A=[[0,1],[−3,−4]], B=(0,1)ᵀ, C=(1,0), D=0.

  1. Modos

    El polinomio es s²+4s+3=(s+1)(s+3): A es Hurwitz.
  2. Estructura

    [B, AB]=[[0,1],[1,−4]] tiene determinante −1.

    Las filas C, CA forman la identidad. Hay controlabilidad y observabilidad.

  3. Transferencia

    G=1/[(s+1)(s+3)] conserva los dos polos estables.

    El sistema es internamente asintóticamente estable y BIBO.

Resultado

La coincidencia está justificada por la estructura, no solo por observar dos raíces iguales.

Lo comprobamos

El análisis interno sigue valiendo para datos iniciales no nulos, mientras G se define con inicio cero.

El actuador puede excitar un modo que el sensor no mide

w′=w+u, v′=−2v+u, y=v, inicio cero.

  1. Entrada escalón

    Con u=1, w=exp(t)−1 y v=[1−exp(−2t)]/2.
  2. Relación medida

    G=1/(s+2) es BIBO estable.

    La salida v se mantiene acotada.

  3. Estado completo

    w crece sin cota. B=(1,1)ᵀ hace el par controlable, pero C=(0,1) deja w no observable. La realización no es mínima.

Resultado

Un modo oculto no necesita estar desconectado del actuador para causar problemas internos.

Lo comprobamos

La estabilidad de la salida no protege automáticamente todas las señales internas.

9. Una cancelación exacta puede esconder una fragilidad real

La revisión declara qué estabilidad demuestra y para qué modelo. En el estado se revisan A y los bloques de frontera. En BIBO se revisa h o la transferencia causal propia reducida. Si se comparan las dos, se comprueban minimalidad y modos ocultos. Una única transferencia de referencia a salida no inspecciona por sí sola todas las señales de una interconexión.

Una pequeña perturbación del modelo puede romper una cancelación inestable exacta. Cancelar factores algebraicos no cambia un modo físico interno si este sigue existiendo en la realización. Las tolerancias y las condiciones del modelo deben acompañar cualquier conclusión, especialmente si el efecto tarda en manifestarse.

Un sensor casi igual puede revelar el modo creciente

w′=w+u, v′=−2v+u, y=εw+v.

  1. Transferencia

    G_ε=ε/(s−1)+1/(s+2).
    Con ε=0 se veía solo el polo estable −2.
  2. Perturbación pequeña

    Para cualquier ε≠0, queda un polo +1 que no se cancela. La relación causal deja de ser BIBO.

  3. Escalón

    Desde cero, y=ε[exp(t)−1]+[1−exp(−2t)]/2.

    Si ε=1/1000, el primer término puede parecer pequeño al inicio, pero acaba creciendo sin límite.

Resultado

Un efecto pequeño de medida no convierte un modo inestable en estable.

Lo comprobamos

No se confunde tamaño inicial pequeño con una garantía para todos los tiempos.

Expresar una conclusión completa con sus dos objetos

A=diag(0,−2), B=(0,1)ᵀ, C=(0,1), D=0.

  1. Estado libre

    x₁ es constante y x₂ decae. El origen es estable de Lyapunov, pero no asintóticamente estable.

  2. Transferencia

    G=1/(s+2), causal y propia, es BIBO estable.
  3. Explicación

    El modo cero está oculto y no decae. La realización no es mínima; por eso BIBO no implica aquí estabilidad interna asintótica.

Resultado

Nombrar cada propiedad evita llamar simplemente estable a dos garantías diferentes.

Lo comprobamos

No se clasifica este caso como internamente inestable de Lyapunov: el modo constante permanece pequeño.

10. Un certificado cuadrático demuestra estabilidad sin dibujar cada trayectoria

Una medida V(x)=xᵀPx con P simétrica definida positiva controla el tamaño del estado.

Su derivada en x′=Ax es V′=xᵀ(AᵀP+PA)x.

Si esa matriz es −Q con Q definida positiva, V disminuye estrictamente fuera del origen. Las cotas con autovalores positivos de P y Q convierten esa disminución en una garantía exponencial.

Para una A Hurwitz y cualquier Q definida positiva existe una única P definida positiva que resuelve AᵀP+PA=−Q. Aquí no necesitamos usar ese teorema como caja negra: proponemos dos P y comprobamos simetría, positividad e identidad directamente. V es una medida matemática; no tiene por qué ser energía física en las unidades originales.

En una variable, el certificado se ve al derivar un cuadrado

x′=−2x; elegimos V=x².

  1. Positividad

    V>0 para x≠0 y V=0 solo en el origen.
  2. Derivar

    V′=2xx′=−4x²=−4V.
  3. Cota

    V(t)=exp(−4t)V(0), así |x(t)|=exp(−2t)|x₀|.

    El certificado recupera la tasa exacta.

Resultado

La disminución de V proporciona una cota válida para toda trayectoria.

Lo comprobamos

Para x′=0, la misma medida tendría V′=0 y no demostraría convergencia al origen.

Una matriz positiva puede certificar una dinámica acoplada

A=[[0,1],[−2,−3]], P=[[5/4,1/4],[1/4,1/4]].

  1. Revisar P

    Es simétrica, su primer menor es 5/4>0 y su determinante 1/4>0: es definida positiva.

  2. Multiplicar

    AᵀP+PA=−I.
    Entonces V′=−(x₁²+x₂²).
  3. Convertir a norma

    Los autovalores de P son (3±√5)/4, ambos positivos. Si λ_min y λ_max los nombran, ||x(t)||₂≤√(λ_max/λ_min)exp[−t/(2λ_max)]||x₀||₂.

Resultado

La cuenta matricial verifica un certificado global de estabilidad exponencial.

Lo comprobamos

El factor inicial y la tasa provienen de cotas de P; no se afirma que sean las mejores posibles.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Dos modos que decaen

A=diag(−1,−3). Determina estabilidad asintótica.

  1. Sistema libre

    x′=Ax con A=diag(−1,−3).
  2. Autovalores

    Son −1 y −3, ambos con parte real estrictamente negativa.

  3. Trayectorias

    x₁=exp(−t)x₁₀ y x₂=exp(−3t)x₂₀.
  4. Norma

    En norma euclídea, ||x(t)||₂≤exp(−t)||x₀||₂.
  5. Conclusión

    El origen es exponencialmente y por tanto asintóticamente estable.

  6. Alcance

    La cota incluye todo estado inicial; no depende de medir solo una componente.

Resultado

El origen es asintóticamente estable.

Lo comprobamos

La expresión explícita prueba la afirmación para cualquier estado inicial, sin depender de observar solo una componente.

EJEMPLO RESUELTO 2

Un modo oculto

A=diag(1,−1), B=(0,1)ᵀ, C=(0,1), D=0. Compara estabilidad.

  1. Modos internos

    A=diag(1,−1) contiene el modo creciente +1.
  2. Trayectoria que lo exhibe

    Con inicio (1,0) y u=0, x₁=exp(t), x₂=0, y=0.

    El sistema interno es inestable.

  3. Entrada de estado cero

    B=(0,1)ᵀ solo excita la segunda componente y C=(0,1) solo la observa.

  4. Transferencia

    G=1/(s+1), causal y propia.
  5. BIBO

    Su impulso exp(−t) tiene integral absoluta uno, de modo que la relación entrada–salida es BIBO estable.

  6. Separar objetos

    El modo oculto explica por qué la salida estable no revela el crecimiento interno.

Resultado

El sistema no es internamente estable; la relación entrada-salida sí es BIBO estable.

Lo comprobamos

El estado inicial (1,0) genera x₁=eᵗ pero y=0. Esta trayectoria exhibe exactamente la información que la salida no revela.

Los símbolos que hemos usado

x(t), x₀
Estado interno en el tiempo t y estado inicial.
A
Matriz constante de la ecuación libre x′=Ax.
λ
Autovalor de A; su parte real gobierna el crecimiento exponencial de un modo.
‖x‖
Norma que mide el tamaño del vector de estado; podemos usar la norma euclídea.
u(t), y(t)
Entrada y salida del sistema.
h(t), D
Parte regular de la respuesta impulsional y coeficiente de paso directo.
BIBO
Propiedad de producir salida acotada para toda entrada acotada, con estado inicial cero.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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