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Lyapunov equation

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2320: 1979: 3209: 2315:{\displaystyle {\begin{aligned}AX+XA^{H}=&\int _{0}^{\infty }A{e}^{A\tau }Q\mathrm {e} ^{A^{H}\tau }+{e}^{A\tau }Q\mathrm {e} ^{A^{H}\tau }A^{H}d\tau \\=&\int _{0}^{\infty }{\frac {d}{d\tau }}{e}^{A\tau }Q\mathrm {e} ^{A^{H}\tau }d\tau \\=&{e}^{A\tau }Q\mathrm {e} ^{A^{H}\tau }{\bigg |}_{0}^{\infty }\\=&-Q.\end{aligned}}} 3042: 2784: 3033: 889:
However, specialized algorithms are available which can yield solutions much quicker owing to the specific structure of the Lyapunov equation. For the discrete case, the Schur method of Kitagawa is often used. For the continuous Lyapunov equation the
3204:{\displaystyle (\mathbf {M} +\delta \mathbf {A} ^{T}\mathbf {M} )(\mathbf {I} +\delta \mathbf {A} )-\mathbf {M} =\delta (\mathbf {A} ^{T}\mathbf {M} +\mathbf {M} \mathbf {A} )+\delta ^{2}\mathbf {A} ^{T}\mathbf {M} \mathbf {A} =-\delta \mathbf {Q} } 1781: 2588: 2659: 1228: 2912: 3253:
go to zero brings us closer and closer to having continuous dynamics—and in the limit we achieve them. It stands to reason that we should also recover the continuous-time Lyapunov equations in the limit as well. Dividing through by
3358: 1967: 1131: 2449: 2827: 1675: 2505: 2943: 1532: 1984: 316: 1402: 1350: 935: 884: 2652: 763: 714: 553: 515: 254: 118: 3298: 2936: 2849: 2617: 1692: 1584: 601: 2517: 1813: 1298: 981: 1265: 2779:{\displaystyle \mathbf {x} _{t+1}=\mathbf {x} _{t}+\delta \mathbf {A} \mathbf {x} _{t}=(\mathbf {I} +\delta \mathbf {A} )\mathbf {x} _{t}=\mathbf {B} \mathbf {x} _{t}} 3272: 3251: 3231: 796: 2358: 663: 637: 464: 438: 382: 1139: 172: 2856: 1880: 1856: 1833: 1449: 1425: 1370: 1318: 1045: 1025: 1005: 955: 844: 824: 402: 356: 336: 196: 141: 64: 2619:
indicates a small forward displacement in time. Substituting the bottom equation into the top and shuffling terms around, we get a discrete-time equation for
3305: 1888: 1058: 2366: 1027:, the continuous time and discrete time Lyapunov equations can be expressed as solutions of a matrix equation. Furthermore, if the matrix 2791: 1592: 3028:{\displaystyle (\mathbf {I} +\delta \mathbf {A} )^{T}\mathbf {M} (\mathbf {I} +\delta \mathbf {A} )-\mathbf {M} =-\delta \mathbf {Q} } 2466: 1047:
is "stable", the solution can also be expressed as an integral (continuous time case) or as an infinite sum (discrete time case).
1457: 268: 3562: 1375: 1323: 908: 891: 849: 903: 2622: 3377: 1686:
Using again the Kronecker product notation and the vectorization operator, one has the matrix equation
1776:{\displaystyle (I_{n}\otimes A+{\bar {A}}\otimes I_{n})\operatorname {vec} X=-\operatorname {vec} Q,} 719: 2583:{\displaystyle {\dot {\mathbf {x} }}\approx {\frac {\mathbf {x} _{t+1}-\mathbf {x} _{t}}{\delta }}} 668: 520: 469: 405: 208: 72: 3277: 2919: 2832: 2596: 1541: 558: 3584: 32: 1789: 1274: 960: 1236: 1223:{\displaystyle (I_{n^{2}}-{\bar {A}}\otimes A)\operatorname {vec} (X)=\operatorname {vec} (Q)} 3257: 3236: 3216: 2325:
For comparison, consider the one-dimensional case, where this just says that the solution of
1538:
For comparison, consider the one-dimensional case, where this just says that the solution of
768: 2328: 642: 616: 443: 417: 361: 150: 2907:{\displaystyle \mathbf {B} ^{T}\mathbf {M} \mathbf {B} -\mathbf {M} =-\delta \mathbf {Q} } 8: 175: 3371: 1865: 1841: 1818: 1434: 1410: 1355: 1303: 1030: 1010: 990: 940: 829: 809: 387: 341: 321: 181: 126: 49: 28: 24: 3558: 3475: 3441: 3423: 1428: 984: 604: 3493:
Kitagawa, G. (1977). "An Algorithm for Solving the Matrix Equation X = F X F' + S".
3533: 3502: 3465: 3457: 3415: 3353:{\displaystyle \mathbf {A} ^{T}\mathbf {M} +\mathbf {M} \mathbf {A} =-\mathbf {Q} } 144: 2455: 1962:{\displaystyle X=\int _{0}^{\infty }{e}^{A\tau }Q\mathrm {e} ^{A^{H}\tau }d\tau } 1126:{\displaystyle \operatorname {vec} (ABC)=(C^{T}\otimes A)\operatorname {vec} (B)} 3445: 1859: 3506: 3578: 3479: 3427: 3419: 3382: 3538: 3521: 2444:{\displaystyle x={\frac {-q}{2a}}=\int _{0}^{\infty }q{e}^{2a\tau }d\tau } 3403: 1268: 3470: 3461: 1431:, i.e., having eigenvalues with magnitude less than 1), the solution 2822:{\displaystyle \mathbf {B} \equiv \mathbf {I} +\delta \mathbf {A} } 1862:, i.e., having eigenvalues with negative real parts), the solution 1670:{\displaystyle x={\frac {q}{1-a^{2}}}=\sum _{k=0}^{\infty }qa^{2k}} 1815:
denotes the matrix obtained by complex conjugating the entries of
2456:
Relationship Between Discrete and Continuous Lyapunov Equations
2500:{\displaystyle {\dot {\mathbf {x} }}=\mathbf {A} \mathbf {x} } 3557:. Princeton University Press. Equations 10.2.13 and 10.2.18. 3522:"Algorithm 432: Solution of the matrix equation AX + XB = C" 3362:
which is the continuous-time Lyapunov equation, as desired.
555:
is globally asymptotically stable. The quadratic function
2829:. Now we can use the discrete time Lyapunov equation for 1527:{\displaystyle X=\sum _{k=0}^{\infty }A^{k}Q(A^{H})^{k}} 1352:
by inverting or solving the linear equations. To get
3308: 3280: 3260: 3239: 3219: 3045: 2946: 2922: 2859: 2835: 2794: 2662: 2625: 2599: 2520: 2469: 2369: 2331: 1982: 1891: 1868: 1844: 1821: 1792: 1695: 1595: 1544: 1460: 1437: 1413: 1378: 1358: 1326: 1306: 1277: 1239: 1142: 1061: 1033: 1013: 993: 963: 943: 911: 852: 832: 812: 771: 722: 671: 645: 619: 561: 523: 472: 446: 420: 390: 364: 344: 324: 271: 211: 184: 153: 129: 75: 52: 801: 3446:"Computational Methods for Linear Matrix Equations" 3408:
IMA Journal of Mathematical Control and Information
2460:We start with the continuous-time linear dynamics: 3404:"A. M. Lyapunov's stability theory—100 years on *" 3352: 3292: 3266: 3245: 3225: 3203: 3027: 2930: 2906: 2843: 2821: 2778: 2646: 2611: 2582: 2499: 2443: 2352: 2314: 1961: 1874: 1850: 1827: 1807: 1775: 1669: 1578: 1526: 1443: 1419: 1396: 1364: 1344: 1312: 1292: 1259: 1222: 1125: 1039: 1019: 999: 975: 949: 929: 886:time using standard matrix factorization methods. 878: 838: 818: 790: 757: 708: 657: 631: 595: 547: 509: 458: 432: 396: 376: 350: 330: 310: 248: 190: 166: 135: 112: 58: 2272: 311:{\displaystyle A,P,Q\in \mathbb {R} ^{n\times n}} 3576: 806:The Lyapunov equation is linear; therefore, if 765:is globally asymptotically stable. As before, 3519: 260: 3537: 3469: 3440: 3374:, which generalizes the Lyapunov equation 3233:is a small displacement in time. Letting 1300:is the element-wise complex conjugate of 292: 3552: 3492: 23:, named after the Russian mathematician 3520:Bartels, R. H.; Stewart, G. W. (1972). 1397:{\displaystyle \operatorname {vec} (X)} 1345:{\displaystyle \operatorname {vec} (X)} 930:{\displaystyle \operatorname {vec} (A)} 846:entries, the equation can be solved in 3577: 3037:Expanding this expression out yields: 1838:Similar to the discrete-time case, if 607:that can be used to verify stability. 414:(continuous time version). Given any 3401: 879:{\displaystyle {\mathcal {O}}(n^{3})} 937:as stacking the columns of a matrix 897: 613:(discrete time version). Given any 2511:And then discretize it as follows: 27:, is a matrix equation used in the 13: 2647:{\displaystyle \mathbf {x} _{t+1}} 2409: 2283: 2249: 2194: 2154: 2097: 2054: 2026: 1933: 1908: 1681: 1646: 1483: 855: 14: 3596: 802:Computational aspects of solution 716:if and only if the linear system 517:if and only if the linear system 200:continuous-time Lyapunov equation 3495:International Journal of Control 3346: 3335: 3330: 3322: 3311: 3274:on both sides, and then letting 3197: 3183: 3178: 3167: 3145: 3140: 3132: 3121: 3106: 3095: 3084: 3073: 3062: 3050: 3021: 3007: 2996: 2985: 2977: 2962: 2951: 2924: 2900: 2886: 2878: 2873: 2862: 2837: 2815: 2804: 2796: 2766: 2760: 2746: 2737: 2726: 2709: 2703: 2686: 2665: 2628: 2564: 2543: 2525: 2493: 2488: 2474: 1050: 16:Equation from stability analysis 2916:Plugging in our definition for 40:discrete-time Lyapunov equation 3546: 3513: 3486: 3434: 3395: 3284: 3149: 3116: 3099: 3080: 3077: 3046: 3000: 2981: 2967: 2947: 2741: 2722: 1799: 1743: 1724: 1696: 1564: 1545: 1515: 1501: 1391: 1385: 1339: 1333: 1284: 1217: 1211: 1199: 1193: 1184: 1172: 1143: 1120: 1114: 1105: 1086: 1080: 1068: 924: 918: 873: 860: 758:{\displaystyle x_{t+1}=Ax_{t}} 571: 565: 1: 3388: 709:{\displaystyle A^{T}PA-P+Q=0} 548:{\displaystyle {\dot {x}}=Ax} 510:{\displaystyle A^{T}P+PA+Q=0} 249:{\displaystyle AX+XA^{H}+Q=0} 113:{\displaystyle AXA^{H}-X+Q=0} 3293:{\displaystyle \delta \to 0} 2931:{\displaystyle \mathbf {B} } 2844:{\displaystyle \mathbf {B} } 2612:{\displaystyle \delta >0} 1579:{\displaystyle (1-a^{2})x=q} 596:{\displaystyle V(x)=x^{T}Px} 358:are symmetric. The notation 7: 3402:Parks, P. C. (1992-01-01). 3365: 1858:is stable (in the sense of 1427:is stable (in the sense of 10: 3601: 3378:Algebraic Riccati equation 1808:{\displaystyle {\bar {A}}} 1293:{\displaystyle {\bar {A}}} 976:{\displaystyle A\otimes B} 265:In the following theorems 3507:10.1080/00207177708922266 1320:. One may then solve for 1260:{\displaystyle I_{n^{2}}} 892:Bartels–Stewart algorithm 1372:, one must just reshape 798:is a Lyapunov function. 639:, there exists a unique 440:, there exists a unique 261:Application to stability 33:linear dynamical systems 3267:{\displaystyle \delta } 3246:{\displaystyle \delta } 3226:{\displaystyle \delta } 1882:can also be written as 1451:can also be written as 791:{\displaystyle x^{T}Px} 3420:10.1093/imamci/9.4.275 3354: 3294: 3268: 3247: 3227: 3205: 3029: 2932: 2908: 2845: 2823: 2780: 2648: 2613: 2584: 2501: 2445: 2354: 2353:{\displaystyle 2ax=-q} 2316: 1963: 1876: 1852: 1829: 1809: 1777: 1671: 1650: 1580: 1528: 1487: 1445: 1421: 1398: 1366: 1346: 1314: 1294: 1261: 1224: 1127: 1055:Using the result that 1041: 1021: 1001: 977: 951: 931: 904:vectorization operator 880: 840: 820: 792: 759: 710: 659: 658:{\displaystyle P>0} 633: 632:{\displaystyle Q>0} 597: 549: 511: 460: 459:{\displaystyle P>0} 434: 433:{\displaystyle Q>0} 398: 384:means that the matrix 378: 377:{\displaystyle P>0} 352: 332: 312: 250: 192: 168: 137: 114: 60: 3553:Hamilton, J. (1994). 3539:10.1145/361573.361582 3355: 3295: 3269: 3248: 3228: 3206: 3030: 2933: 2909: 2846: 2824: 2781: 2649: 2614: 2585: 2502: 2446: 2355: 2317: 1964: 1877: 1853: 1830: 1810: 1778: 1672: 1630: 1581: 1529: 1467: 1446: 1422: 1399: 1367: 1347: 1315: 1295: 1262: 1225: 1128: 1042: 1022: 1002: 978: 952: 932: 881: 841: 821: 793: 760: 711: 660: 634: 598: 550: 512: 461: 435: 399: 379: 353: 333: 313: 251: 193: 169: 167:{\displaystyle A^{H}} 138: 115: 61: 3555:Time Series Analysis 3306: 3278: 3258: 3237: 3217: 3043: 2944: 2920: 2857: 2833: 2792: 2788:Where we've defined 2660: 2623: 2597: 2518: 2467: 2367: 2329: 1980: 1973:which holds because 1889: 1866: 1842: 1819: 1790: 1693: 1593: 1542: 1458: 1435: 1411: 1376: 1356: 1324: 1304: 1275: 1271:identity matrix and 1237: 1140: 1059: 1031: 1011: 991: 961: 941: 909: 850: 830: 810: 769: 720: 669: 643: 617: 559: 521: 470: 444: 418: 388: 362: 342: 322: 269: 209: 182: 151: 127: 73: 50: 2413: 2287: 2158: 2030: 1912: 176:conjugate transpose 38:In particular, the 3372:Sylvester equation 3350: 3290: 3264: 3243: 3223: 3201: 3025: 2928: 2904: 2841: 2819: 2776: 2644: 2609: 2580: 2497: 2441: 2399: 2350: 2312: 2310: 2269: 2144: 2016: 1959: 1898: 1872: 1848: 1825: 1805: 1773: 1667: 1576: 1524: 1441: 1417: 1394: 1362: 1342: 1310: 1290: 1257: 1220: 1123: 1037: 1017: 997: 973: 947: 927: 876: 836: 816: 788: 755: 706: 655: 629: 593: 545: 507: 456: 430: 394: 374: 348: 328: 308: 246: 188: 164: 133: 110: 56: 29:stability analysis 25:Aleksandr Lyapunov 3462:10.1137/130912839 2578: 2532: 2481: 2394: 2172: 1875:{\displaystyle X} 1860:Hurwitz stability 1851:{\displaystyle A} 1828:{\displaystyle A} 1802: 1727: 1625: 1444:{\displaystyle X} 1420:{\displaystyle A} 1365:{\displaystyle X} 1313:{\displaystyle A} 1287: 1175: 1040:{\displaystyle A} 1020:{\displaystyle B} 1000:{\displaystyle A} 985:Kronecker product 950:{\displaystyle A} 898:Analytic solution 839:{\displaystyle n} 819:{\displaystyle X} 605:Lyapunov function 533: 406:positive definite 397:{\displaystyle P} 351:{\displaystyle Q} 331:{\displaystyle P} 191:{\displaystyle A} 136:{\displaystyle Q} 59:{\displaystyle X} 21:Lyapunov equation 3592: 3569: 3568: 3550: 3544: 3543: 3541: 3517: 3511: 3510: 3490: 3484: 3483: 3473: 3438: 3432: 3431: 3399: 3359: 3357: 3356: 3351: 3349: 3338: 3333: 3325: 3320: 3319: 3314: 3299: 3297: 3296: 3291: 3273: 3271: 3270: 3265: 3252: 3250: 3249: 3244: 3232: 3230: 3229: 3224: 3210: 3208: 3207: 3202: 3200: 3186: 3181: 3176: 3175: 3170: 3164: 3163: 3148: 3143: 3135: 3130: 3129: 3124: 3109: 3098: 3087: 3076: 3071: 3070: 3065: 3053: 3034: 3032: 3031: 3026: 3024: 3010: 2999: 2988: 2980: 2975: 2974: 2965: 2954: 2937: 2935: 2934: 2929: 2927: 2913: 2911: 2910: 2905: 2903: 2889: 2881: 2876: 2871: 2870: 2865: 2850: 2848: 2847: 2842: 2840: 2828: 2826: 2825: 2820: 2818: 2807: 2799: 2785: 2783: 2782: 2777: 2775: 2774: 2769: 2763: 2755: 2754: 2749: 2740: 2729: 2718: 2717: 2712: 2706: 2695: 2694: 2689: 2680: 2679: 2668: 2653: 2651: 2650: 2645: 2643: 2642: 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Index

Aleksandr Lyapunov
stability analysis
linear dynamical systems
Hermitian matrix
conjugate transpose
positive definite
Lyapunov function
Bartels–Stewart algorithm
vectorization operator
Kronecker product
conformable
Schur stability
Hurwitz stability
Sylvester equation
Algebraic Riccati equation
Kalman filter
"A. M. Lyapunov's stability theory—100 years on *"
doi
10.1093/imamci/9.4.275
ISSN
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Simoncini, V.
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doi
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hdl
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