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Problema de comprensión del teorema de la ecuación de Riccati.

`Las matrices $A,B,C,D,X$ son reales, cuadrados, $n \times n$ .

Tengo problemas para entender el teorema 7.1.2 de Lancaster & Rodman "Algebraic Riccati Equations".

La parte que yo entiendo es la siguiente. Una matriz $X$ resuelve la ecuación $XBX + XA -DX - C = 0$ si podemos encontrar una matriz $Z$ tal que tenemos $ \left[ \begin{array}{cc} A & B \\ C & D\end{array} \right] \left[ \begin{array}{c} I \\ X \end{array} \right] = \left[ \begin{array}{c} I \\ X \end{array} \right] Z$ .

La parte que no entiendo es la siguiente.

Denote $T = \left[ \begin{array}{cc} A & B \\ C & D\end{array} \right] $ .

Consideremos la descomposición de Jordan de $T$ : $T= W J W^{-1}$ .

Denotemos una matriz que contiene un subconjunto de cadenas de Jordan de $T$ (un subconjunto de columnas de $W$ de manera que cada cadena esté completamente incluida o completamente excluida) como $V = \left[ \begin{array}{c} Y \\ Z \end{array} \right]$ . Denotemos la submatriz correspondiente de $J$ como $J_s$ . Supongamos además que $Y$ es invertible.

Tenemos $TV = VJ_s$ es decir $ \left[ \begin{array}{cc} A & B \\ C & D\end{array} \right] \left[ \begin{array}{c} Y \\ Z \end{array} \right] = \left[ \begin{array}{c} Y \\ Z \end{array} \right] J_s $ .

Ahora bien, donde me pierdo es en el teorema 7.1.2, que parece implicar (tal vez lo entienda mal) lo siguiente.

$ \left[ \begin{array}{cc} A & B \\ C & D\end{array} \right] \left[ \begin{array}{c} Y \\ Z \end{array} \right] = \left[ \begin{array}{c} Y \\ Z \end{array} \right] J_s \quad \Longrightarrow \quad \exists Z'.\; \left[ \begin{array}{cc} A & B \\ C & D\end{array} \right] \left[ \begin{array}{c} I \\ ZY^{-1} \end{array} \right] = \left[ \begin{array}{c} I \\ ZY^{-1} \end{array} \right] Z'$

Edición: Gracias a la respuesta, ahora veo que una buena elección de $Z'$ es $Y J_s Y^{-1} $ .

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Matthew Scouten Puntos 2518

Podría ayudar si citara el Teorema 7.1.2 para los que no tenemos Lancaster y Rodman, pero parece bastante claro: basta con tomar $Z' = Y J Y^{-1}$ (esta $Z'$ es, por supuesto, no se supone que es la transposición de $Z$ ). Por supuesto $Y$ debe ser invertible para que esto tenga sentido.

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Jonah Braun Puntos 101

$J$ no es el bloque Jordan en este contexto. Si lo fuera, habría desajuste de dimensiones. Dado que $T$ es $2n \times 2n$ así es $V$ . Por lo tanto, $Y$ o $Z$ no podía ser cuadrado.

Creo que los autores intentaron demostrarlo: Supongamos que la ecuación de Riccati tiene solución. Necesitamos demostrar que existen matrices $Y$ , $Z$ y $J$ con $Y$ es invertible, de modo que

$$\left[ \begin{array}{cc} A & B \\ C & D\end{array} \right] \left[ \begin{array}{c} Y \\ Z \end{array} \right] = \left[ \begin{array}{c} Y \\ Z \end{array} \right] J$$

Reescribir las ecuaciones

$$\begin{align} AX + BY &= YJ \\ Y^{-1}AX + Y^{-1}BY &= J \\ \\ CY + DZ &= ZJ \\ &= ZY^{-1}AY + ZY^{-1}BZ \\ C + DZY^{-1} &= ZY^{-1}A + ZY^{-1}BZY^{-1} \end{align}$$

Por lo tanto, $ZY^{-1}$ es una solución de la ecuación de Riccati, por lo que estas matrices existen.

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