Pole Routh je a tabulková metoda umožňující jednomu zřídit stabilita systému využívajícího pouze koeficienty charakteristiky polynomiální. Středem pole návrh řídicích systémů, Routh – Hurwitzova věta a Routh pole se objeví pomocí Euklidovský algoritmus a Sturmova věta při hodnocení Cauchyho indexy.
Cauchyho index
Vzhledem k systému:

Za předpokladu, že žádné kořeny
ležet na imaginární ose a nechat
= Počet kořenů
se zápornými reálnými částmi a
= Počet kořenů
s pozitivními skutečnými částmi
pak máme

Vyjadřování
v polární formě, máme

kde
![ho (x) = {sqrt {{mathfrak {Re}} ^ {2} [f (x)] + {mathfrak {Im}} ^ {2} [f (x)]}} quad (5)](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f3342273646dc0f1235561b387b7af52e776938a)
a
![heta (x) = an ^ {{- 1}} {ig (} {mathfrak {Im}} [f (x)] / {mathfrak {Re}} [f (x)] {ig)} quad (6)](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f7b2086266668256c2065a93ae151bb2aba594d0)
od (2) všimněte si toho

kde

Nyní, když ith kořen
má pozitivní skutečnou část, pak (pomocí zápisu y = (RE [y], IM [y]))
![{displaystyle {egin {aligned} heta _ {r_ {i}} (x) {ig |} _ {x = -jinfty} & = angle (x-r_ {i}) {ig |} _ {x = -jinfty } & = úhel (0- {mathfrak {Re}} [r_ {i}], - infty - {mathfrak {Im}} [r_ {i}]) & = úhel (- | {mathfrak {Re}} [r_ {i}] |, -infty) & = pi + lim _ {phi o infty} an ^ {- 1} phi = {frac {3pi} {2}} quad (9) end {aligned}} }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/8b5b7395910dafa111cef24840a04b6f678dde27)
a
![{displaystyle heta _ {r_ {i}} (x) {ig |} _ {x = j0} = úhel (- | {mathfrak {Re}} [r_ {i}] |, 0) = pi - an ^ { -1} 0 = pi quad (10)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a8a52bccf4aeb16d032d5a102c1ae9bc8b6bcd1f)
a
![{displaystyle heta _ {r_ {i}} (x) {ig |} _ {x = jinfty} = úhel (- | {mathfrak {Re}} [r_ {i}] |, infty) = pi -lim _ { phi o infty} an ^ {- 1} phi = {frac {pi} {2}} quad (11)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/838372f37cf13c3c184a2477039b676104cb7a5f)
Podobně, pokud ith kořen
má negativní skutečnou část,
![{displaystyle {egin {aligned} heta _ {r_ {i}} (x) {ig |} _ {x = -jinfty} & = angle (x-r_ {i}) {ig |} _ {x = -jinfty } & = úhel (0- {mathfrak {Re}} [r_ {i}], - infty - {mathfrak {Im}} [r_ {i}]) & = úhel (| {mathfrak {Re}} [ r_ {i}] |, -infty) & = 0-lim _ {phi o infty} an ^ {1} phi = - {frac {pi} {2}} quad (12) end {aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/cb66015512b6985b691bd082240e95221662faa4)
a
![{displaystyle heta _ {r_ {i}} (x) {ig |} _ {x = j0} = úhel (| {mathfrak {Re}} [r_ {i}] |, 0) = an ^ {- 1} 0 = 0, čtyřkolka (13)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f0af975bb9b398ec5e8cf3b476787d1db575c52d)
a
![{displaystyle heta _ {r_ {i}} (x) {ig |} _ {x = jinfty} = úhel (| {mathfrak {Re}} [r_ {i}] |, infty) = lim _ {phi o infty } an ^ {- 1} phi = {frac {pi} {2}}, quad (14)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ec04aab88fc87619bb9b6771313b6b3e63ccb771)
Zjistili jsme, že od (9) do (11)
když ith kořen
má pozitivní skutečnou část a od (12) do (14) to zjistíme
když ith kořen
má negativní skutečnou část. Tím pádem,

Pokud tedy definujeme

pak máme vztah

a kombinace (3) a (17) nám dává
a 
Proto vzhledem k rovnici
stupně
musíme tuto funkci pouze vyhodnotit
určit
, počet kořenů se zápornými reálnými částmi a
, počet kořenů s kladnými reálnými částmi.
 |
Obrázek 1 |
proti  |
V souladu s (6) a obrázkem 1 je graf
vs.
, různé
v intervalu (a, b) kde
a
jsou celočíselné násobky
, tato variace způsobující funkci
se zvýšil o
, označuje, že v průběhu cestování z bodu a do bodu b,
„skočil“ z
na
ještě jednou, než skočil
na
. Podobně, když se budeme lišit
v průběhu intervalu (a, b) tato změna způsobuje
snížit o
, kde znovu
je násobkem
u obou
a
, to naznačuje
vyskočil z
na
ještě jednou, než skočil
na
tak jako
se v uvedeném intervalu měnila.
Tím pádem,
je
krát rozdíl mezi počtem bodů, ve kterém
skočí z
na
a počet bodů, ve kterých
skočí z
na
tak jako
rozsahy v intervalu
za předpokladu, že v
,
je definováno.
 |
Obrázek 2 |
proti  |
V případě, že je výchozím bodem nesoulad (tj.
, i = 0, 1, 2, ...) konečný bod bude také na nesrovnalosti, podle rovnice (17) (od
je celé číslo a
je celé číslo,
bude celé číslo). V tomto případě můžeme dosáhnout stejného indexu (rozdíl v kladných a záporných skokech) posunutím os tangenciální funkce o
, přidáním
na
. Náš index je tedy nyní plně definován pro jakoukoli kombinaci koeficientů v
hodnocením
za interval (a, b) =
když náš výchozí (a tedy i koncový) bod není nesrovnalost, a to hodnocením
![{displaystyle an [heta '(x)] = an [heta + pi / 2] = - cot [heta (x)] = - {mathfrak {Re}} [f (x)] / {mathfrak {Im}} [ f (x)] quad (19)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6e718d1233f9c08d6cb4344dae637f97bc9804db)
v uvedeném intervalu, když je náš výchozí bod v nesrovnalosti.
Tento rozdíl,
, negativních a pozitivních nesrovnalostí při skákání, které se vyskytly při procházení
z
na
se nazývá Cauchyův index tečny fázového úhlu, přičemž fázový úhel je
nebo
, v závislosti na
je celočíselný násobek
nebo ne.
Kritérium Routh
Abychom odvodili Routhovo kritérium, nejprve použijeme jinou notaci k rozlišení mezi sudými a lichými členy
:

Nyní máme:

Proto pokud
je dokonce,
![{displaystyle {egin {aligned} f (jomega) & = (- 1) ^ {n / 2} {ig [} a_ {0} omega ^ {n} -a_ {1} omega ^ {n-2} + a_ {2} omega ^ {n-4} -cdots {ig]} & {} quad (23) & + j (-1) ^ {(n / 2) -1} {ig [} b_ {0} omega ^ {n-1} -b_ {1} omega ^ {n-3} + b_ {2} omega ^ {n-5} -cdots {ig]} & {} end {zarovnáno}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/4e495902015ba0b7f57501e6d3d82ee9ab5ef62a)
a pokud
je liché:
![{displaystyle {egin {aligned} f (jomega) & = j (-1) ^ {(n-1) / 2} {ig [} a_ {0} omega ^ {n} -a_ {1} omega ^ {n -2} + a_ {2} omega ^ {n-4} -cdots {ig]} & {} quad (24) & + (- 1) ^ {(n-1) / 2} {ig [} b_ {0} omega ^ {n-1} -b_ {1} omega ^ {n-3} + b_ {2} omega ^ {n-5} -cdots {ig]} & {} end {zarovnáno}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/2031e504dd4c89445e158080035a39a2e0e17c2b)
Nyní pozorujte, že pokud
je liché celé číslo, pak (3)
je zvláštní. Li
je tedy liché celé číslo
je také zvláštní. Stejný argument podobně ukazuje, že když
je dokonce,
bude rovnoměrné. Rovnice (15) ukazuje, že pokud
je dokonce,
je celočíselný násobek
. Proto,
je definováno pro
sudý, a je tedy správným indexem, který se použije, když n je sudé, a podobně
je definováno pro
zvláštní, což je v tomto druhém případě správný index.
Tedy z (6) a (23), pro
dokonce:
![{displaystyle Delta = I _ {- infty} ^ {+ infty} {frac {- {mathfrak {Im}} [f (x)]} {{mathfrak {Re}} [f (x)]}} = I _ {- infty} ^ {+ infty} {frac {b_ {0} omega ^ {n-1} -b_ {1} omega ^ {n-3} + cdots} {a_ {0} omega ^ {n} -a_ {1 } omega ^ {n-2} + ldots}} čtyřkolka (25)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d9829781584a0ac5eac8c828f3b075583bb496da)
a od (19) a (24) pro
zvláštní:
![{displaystyle Delta = I _ {- infty} ^ {+ infty} {frac {{mathfrak {Re}} [f (x)]} {{mathfrak {Im}} [f (x)]}} = I _ {- infty } ^ {+ infty} {frac {b_ {0} omega ^ {n-1} -b_ {1} omega ^ {n-3} + ldots} {a_ {0} omega ^ {n} -a_ {1} omega ^ {n-2} + ldots}} quad (26)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3d8786a9be2f8a0f8cff61b436453fa922966c5d)
Lo a hle, hodnotíme stejný Cauchyův index pro oba:

Sturmova věta
Sturm dává nám metodu hodnocení
. Jeho věta uvádí následovně:
Vzhledem k posloupnosti polynomů
kde:
1) Pokud
pak
,
, a ![{displaystyle operatorname {sign} [f_ {k-1} (x)] = - operatorname {sign} [f_ {k + 1} (x)]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a866748052776183bc0b2820b98b37558342d6a5)
2)
pro 
a definujeme
jako počet změn znaménka v pořadí
pro pevnou hodnotu
, pak:

Sekvence splňující tyto požadavky se získá pomocí Euklidovský algoritmus, což je následující:
Začínání s
a
a označující zbytek
podle
a podobně označující zbytek
podle
a tak dále získáváme vztahy:

nebo obecně

kde poslední nenulový zbytek,
bude tedy nejvyšším společným faktorem
. Lze pozorovat, že takto konstruovaná sekvence splní podmínky Sturmovy věty, a proto byl vyvinut algoritmus pro určení uvedeného indexu.
Je to v použití Sturmovy věty (28) na (29) pomocí výše uvedeného euklidovského algoritmu, kde je vytvořena Routhova matice.
Dostaneme

a identifikaci koeficientů tohoto zbytku do
,
,
,
, a tak dále, tvoří náš vytvořený zbytek

kde

Pokračování v euklidovském algoritmu o těchto nových koeficientech nám dává

kde opět označíme koeficienty zbytku
podle
,
,
,
,
takže náš vytvořený zbytek

a dává nám

Řádky pole Routh jsou určeny přesně tímto algoritmem, když jsou použity na koeficienty (20). Pozorování, které stojí za zmínku, je, že v běžném případě polynomy
a
mít jako nejvyšší společný faktor
a tak tam bude
polynomy v řetězci
.
Všimněte si nyní, že při určování znaků členů posloupnosti polynomů
že v
dominující síla
bude první člen každého z těchto polynomů, a tedy pouze tyto koeficienty odpovídající nejvyšším mocninám
v
, a
, což jsou
,
,
,
, ... určit známky
,
, ...,
v
.
Takže máme
to je
je počet změn znaménka v sekvenci
,
,
, ... což je počet změn znaménka v sekvenci
,
,
,
, ... a
; to je
je počet změn znaménka v sekvenci
,
,
, ... což je počet změn znaménka v sekvenci
,
,
,
, ...
Od našeho řetězce
,
,
,
, ... budu mít
členů je jasné, že
protože uvnitř
pokud jde od
na
uvnitř nedošlo ke změně znaménka
jít z
na
jeden má, a podobně pro všechny
přechody (neexistují žádné podmínky rovné nule), které nám dávají
celkové znaménkové změny.
Tak jako
a
a od (18)
, máme to
a odvodili Routhovu větu -
Počet kořenů skutečného polynomu
které leží v pravé polovině roviny
se rovná počtu změn znaménka v prvním sloupci schématu Routh.
A pro stabilní případ, kdy
pak
podle kterého máme Routhovo slavné kritérium:
Aby všechny kořeny polynomu
abychom měli záporné reálné části, je nutné a dostatečné, aby všechny prvky v prvním sloupci Routhova schématu byly odlišné od nuly a stejného znaménka.
Reference
- Hurwitz, A., „O podmínkách, za kterých má rovnice pouze kořeny se zápornými reálnými částmi“, Rpt. in Selected Papers on Mathematical Trends in Control Theory, Ed. R. T. Ballman a kol. New York: Dover 1964
- Routh, E. J., Pojednání o stabilitě daného stavu pohybu. London: Macmillan, 1877. Rpt. in Stability of Motion, Ed. A. T. Fuller. London: Taylor & Francis, 1975
- Felix Gantmacher (J.L. Brenner translator) (1959) Aplikace teorie matic, str. 177–80, New York: Interscience.