Tropical Journal of Applied Natural Sciences
Trop. J. Appl. Nat. Sci., 2(2): 15-25 (2018) ISSN: 2449-2043
https://doi.org/10.25240/TJANS.2018.2.2.03 Available online: https://tjansonline.com
Uniqueness of Optimal Control of Nonlinear Infinite Neutral Functional Differential Systems with Distributed Delays in the
Control
Paul Anaetodike Oraekie
Department of Mathematics,
Chukwuemeka Odumegwu Ojukwu University, Uli- Campus Nigeria, West Africa
E-mail: [email protected]; Phone no.: +2347031982483
1. INTRODUCTION
neutral functional differential equation is given as a differential equation depending on past and present values which involve derivatives with delays (see Banks and Kent (1972)). This means that the derivatives of the functional difference operator π·(π‘, π₯) is expressed in terms of the past and present states or the unknown functions. Neutral equations have been found to have great importance in various applications in natural sciences, technology and electrodynamics (see Balachandran and Dauer (1996); (2002)). In his paper βLinear Systems with Delayed Controlβ by Artstein (1982), the use of neutral equations in the study of electrical networks containing lossless transmission lines is made evident. Chukwu (2001) modeled a neutral dynamics to represent the rate of growth of the world economy.
The existence and uniqueness conditions for neutral functional differential equation have been presented (see Anichini et al.
(1986); Balachandran (1992)). Research on neutral systems has extended to finding necessary and sufficient conditions for the asymptotic behavior of solutions of such equations. Balachandran and Leelamani (2006), studies stability of infinite neutral systems.
We hope to investigate the controllability of nonlinear infinite Neutral Differential Systems with distributed Delays in Control of the form:
A
ABSTRACT
In this paper, Nonlinear Infinitely Neutral Functional Differential Systems with Distributed Delays in the Control was presented for controllability analysis. The system was linearized using Chukwu (1992)-like arguments. After linearization, we obtained the mild solution of the system using variation of constant formula and the Unsymmetric Fubuni Theorem to establish the results. The set functions (reachable set, target set, attainable set and controllability grammian) upon which our study hinged were extracted. Necessary and sufficient conditions for the establishment of the uniqueness of the system were derived. Use was made of some controllability standards to establish results. The establishment of the uniqueness of the optimal control provided a new approach for the proof of the existence of an optimal control of any dynamical control system.
Original Research Article
Received: 05th Dec., 2017 Accepted: 07th Feb., 2018 Published: 14th Mar., 2018
Keywords:
Uniqueness Optimal control Admissible control Reachable set Attainable set.
π
ππ‘[π·(π‘, π₯π‘)] = πΏ(π‘, π₯π‘)π₯π‘+ β« A
0
ββ
(π)π₯(π‘ + π)ππ + β« [π
ββ πππ»(π‘, π)]π’(π‘ + π)
+π(π‘, π₯π‘) (1.1) π₯π‘0 = π
(π πππππππππ πππππππ‘π πππ’π‘πππ π π¦π π‘ππ).
Our principal objective in this paper is to obtain necessary and sufficient conditions for controllability, and existence of an optimal control for the system (1.1) above. It is known from Onwuatu (1993) that, if a system is relatively controllable, then optimal control is unique and bang-bang. In the light of this, we shall consider the nonlinear infinite space of Neutral Differential Systems with Distributed Delays in Control of the form: system (1.1) above.
The above system (1.1) will be investigated for existence and uniqueness of optimal control, to achieve this, we shall begin by considering the relative controllability of the system.
π. π΅πΆπ»π¨π»π°πΆπ΅ π¨π΅π« π·πΉπ¬π³π°π΄π°π΅π¨πΉπ°π¬πΊ
πΏππ‘ π ππ π πππ ππ‘ππ£π πππ‘ππππ πππ πΈ = (ββ, β)ππ π‘βπ ππππ ππππ . π·ππππ‘π ππ¦ πΈπ π‘βπ π ππππ ππ ππππ π β π‘π’ππππ ππππππ π‘βπ πΈπ’πππππππ π ππππ π€ππ‘β πππππππππ‘ππ ππ¦ |. |. π₯(π‘0) = π = π₯0
ππ ππππ‘πππ ππππππ‘πππ (ππ’πππ‘πππ), π€βπππ π₯ β πΈπ ππ π‘βπ π π‘ππ‘π π ππππ πππ π’ β πΈπ ππ π‘βπ ππππ‘πππ ππ’πππ‘πππ, (π»(π‘, π) ππ ππ ππ₯π πππ‘πππ₯ ππππ‘πππ’ππ’π ππ‘ π‘ πππ ππ πππ’ππππ π£πππππ‘πππ ππ π ππ [ββ, 0]; β > 0 πππ πππβ π‘ β [π‘0,π‘1]; π‘1> π‘0. . πβπ ππ₯π πππ‘πππ₯ π΄(π‘) ππ ππππ‘πππ’ππ’π ππ ππ‘π ππππ’ππππ‘ ππ π½ = [π‘0,π‘1] ππ πππ¦ πππ‘πππ£ππ ππ πΈ, πΏ2 ππ π‘βπ πΏππππ ππ’π π ππππ ππ π ππ’πππ πππ‘πππππππ ππ’πππ‘ππππ ππππ π½ π‘π πΈπ π€πππ‘π‘ππ ππ ππ’ππ ππ πΏ2 ([π‘0,π‘1], πΈπ).
πΏππ‘ β > 0 ππ π πππ ππ‘ππ£π ππππ ππ’ππππ πππ πππ‘ πΆ([ββ, 0], πΈπ) ππ π π΅ππππβ π ππππ ππ ππππ‘πππ’ππ’π ππ’πππ‘ππππ π€ππ‘β π‘βπ ππππ ππ π’ππππππ ππππ£πππππππ πππππππ ππ¦
βπβ = π π’π |π(π )|; ββ β€ π β€ 0, πππ π β πΆ([ββ, 0], πΈπ) πΌπ π₯ ππ π ππ’πππ‘πππ ππππ [ββ, 0] π‘π πΈπ, π‘βππ π₯π‘ ππ π ππ’πππ‘πππ πππππππ ππ π‘βπ πππππ¦ πππ‘πππ£ππ [ββ, 0] πππ£ππ ππ :
xt(π ) = π₯(π‘ + π ); π β [ββ, 0] , π‘ β [0, β).
Consider the system 1.1) - the nonlinear infinite neutral system with distributed delays in control, π
ππ‘[π·(π‘, π₯π‘)] = πΏ(π‘, π₯π‘)π₯π‘ + β« π΄(π)
β
0 π₯(π‘ + π)ππ + β« [ππ
0
ββ π»(π‘, π)]π’(π‘ + π) + π(π‘, π₯π‘) (2.1)
πβπππ, πΏ(π‘, π₯π‘) = β π΄π
β
π=0
π₯(π‘ β π€π) + β« π΄0
ββ
(π)π₯(π‘ + π)ππ.
πΏ(π‘, π₯π‘)π₯π‘= β« d0 ΞΈ
βh
Ε(π‘, π, π₯(π‘ + π))π₯(π‘ + π)
Ε(π‘, π, Ρ, πΉ) β₯ 0, πππ π β₯ 0 πππ Ρ, πΉ β πΆ.
Ε(π‘, π, Ρ, πΉ) = Ε(π‘, π, Ρ, πΉ), πππ π < ββ.
Ε(π‘, π, Ρ, πΉ) ππ π ππππ‘πππ’ππ’π πππ‘πππ₯ ππ’πππ‘πππ ππ πππ’ππππ π£πππππ‘πππ ππ π β [ββ, 0],
π£πππ¦ Ε(π‘) β€ π(π‘), π (π‘) β πΏ1. π€βπππ πΏ1 ππ π‘βπ π ππππ ππ πππ‘πππππππ ππ’πππ‘ππππ .
πΏππ‘ πΊ ππ ππ ππππ π π’ππ ππ‘ ππ πΈπ₯πΆ πππ π· πππ πΏ ππ πππ’ππππ ππππππ ππππππ‘πππ πππππππ ππ πΈπ₯πΆ πππ‘π πΈπ.
π·(π‘, π₯π‘) = π₯(π‘)π (π‘, π₯π‘), π€βπππ , π(π‘, Ρ) = β π΄π
β
π=0
(π‘)π(βπ€π(π‘) + β« π΄0
ββ
(π‘, π )π(π )ππ = β« π0 π
ββ
π»(π‘, π)π(π),
πβπππ , 0 β€ π€πβ€ β πππ |β« π0 π
ββ
π»(π‘, π)π(π)| β€ β(π)βπβ.
π·(π‘, π₯π‘) ππ πππ β ππ‘ππππ ππ‘ π§πππ (π. π π πππππππππππππ πππ ππππππππππ ππ ππππ).
β« π΄
0
ββ (π‘, π )ππ + β|π΄π(π‘)|
β
πβ1
β€ πΏ(π), πππ πππ π‘, πβπππ , πΏ(π) β 0.
π is continuous and satisfies other smoothness conditions.
π. π. π³ππππππππππππ ππ πππ πΊπππππ (π. π) Consider system (2.1) below
π
ππ‘[π·(π‘, π₯π‘)] = πΏ(π‘, π₯π‘)π₯π‘ + β« π΄(π‘)β
0
π₯(π‘ + π)ππ + β« [π0 π
ββ
π»(π‘, π)]π’(π‘ + π) + π(π‘, π₯π‘) (2.1)
(πͺππππππππππ ππ πππ ππππππππ ππππ β β ππ π, πππ ππππ π ππ β).
ππ πππ ππππππππ§π π‘βπ π π¦π π‘ππ (2.1) ππ ππ πͺπππππ (ππππ)ππ¦ π ππ‘π‘πππ π₯π‘= π§ ππ πΏ, π π ππππππππ ππ’πππ‘πππ πππ πππ π‘βπ ππ’πππ‘πππ πΏ(π‘, π₯π‘)π₯π‘ π‘π βππ£π πΏ(π‘, π§)π₯π‘
π€ππ‘βππ’π‘ πππ π ππ πππππππππ‘π¦. πβπ’π π‘βπ π π¦π π‘ππ (2.1) πππππππ π
ππ‘[π·(π‘, π₯π‘)] = πΏ(π‘, π§)π₯π‘ + β« π΄(π‘)β
0
π₯(π‘ + π)ππ
+ β« [π0 π
ββ
π»(π‘, π)]π’(π‘ + π) + π(π‘, π₯π‘) (2.2) πΈπ£πππππ‘ππ¦
πΏ(π‘, π§)π₯π‘ = β π΄π
β
π=0
π₯(π‘ β π€π) + β« π΄0
ββ
(π‘)π₯(π‘ + π)ππ
+ β« π΄(π‘)
β
0 π₯(π‘ + π)ππ πΏβ(π‘, π§)π₯π‘ = β π΄π
β
π=0
π₯(π‘ β π€π) + β« π΄β
ββ
(π‘, π)π₯(π‘ + π)ππ
πβπ ππππππ πππ‘ππ‘πππ πΏ, πΏβ πππ π‘βπ π πππ π’ππππ π‘βπ ππππππ€πππ ππ π π’πππ‘ππππ .
πΏ(π‘, π§)π₯π‘ = limit
πβββ π΄π π
π=0
π₯(π‘ β π€π) + limit
π.πβββ« π΄
π π
(π‘, π)π₯(π‘ + π)ππ
We assume the limits exist, for the partial sum of the infinite series and the improper integrals. Thus the system
πΏβ(π‘, π§)π₯π‘ = β π΄π
β
π=0
π₯(π‘ β π€π) + β« π΄β
ββ
(π‘, π)π₯(π‘ + π)ππ
ππ πππππ‘π πππ π€πππ πππππππ ππ’πππ‘πππ.
πΌπ π‘βπ πππβπ‘ ππ π‘βπ ππππ£π, π‘βπ π π¦π π‘ππ (2.1) ππππ’πππ π‘π π
ππ‘[π·(π‘, π₯π‘)] = πΏ(π‘, π§)π₯π‘ + β« [π0 π
ββ
π»(π‘, π)π’(π‘ + π) + π(π‘, π₯π‘) (2.3) π₯(π‘0) = π β πΆ.
πβπππ , πΏ(π‘, π§)π₯π‘ = β π΄π π
π=0
π₯(π‘ β π€π) + β« π΄0
ββ
(π‘, π)π₯(π‘ + π)ππ
π, π. π½ππππππππ ππ πͺπππππππ πππππππ Integrating system (2.3), after linearizing, we have
π₯(π‘) = π₯(π‘, π‘0, π, π’) + β« X
t 0
(π‘, π ) {β« [πππ»(π‘, π)]
0
ββ π’(π‘ + π)} ππ
+ β« X
t 0
(π‘, π )π(π , π₯π )ππ (2.4) πβπππ π(π‘, π )ππ π‘βπ ππ’πππππππ‘ππ πππ‘πππ₯ ππ π‘βπ βπππππππππ’π ππππ‘ ππ π‘βπ π π¦π π‘ππ (2.3). π(π‘, π ) = 1 (πππππ‘ππ‘π¦ πππ‘πππ₯); π‘ = π .
πβπ 2ππ π‘πππ ππ π‘βπ πππβπ‘ βπππ π πππ ππ π π¦π π‘ππ (2.4)ππππ‘ππππ π‘βπ π£πππ’ππ ππ π‘βπ ππππ‘πππ π’(π‘) πππ π‘ < π‘0, ππ π€πππ ππ πππ π‘ > π‘0.
πβπ π£πππ’ππ ππ π‘βπ ππππ‘πππ π’(π‘)πππ π‘ β [π‘0β β, π‘0]πππ‘ππ πππ‘π π‘βπ πππππππ‘πππ
ππ π‘βπ ππππ‘πππ πππππππ‘π π π‘ππ‘π π’π‘0. ππ π ππππππ‘π π‘βππ, π‘βπ 2ππ π‘πππ ππ π π¦π π‘ππ (2.4)ππ’π π‘ ππ π‘ππππ ππππππ ππ¦ πβππππππ π‘βπ πππππ ππ πππ‘πππππ‘πππ. ππ πππ π‘βπ π’ππ π¦ππππ‘πππ πΉπ’ππππ π‘βπππππ, π€π βππ£π π‘βπ ππππππ€πππ πππ’ππππ‘πππ :
π₯(π‘) = π₯(π‘, π‘0, π, π’) + β« x
t 0
(π‘, π ) π(π , π₯π )ππ
+ β« ππ»π 0
ββ β¦β« π
π‘βπ π‘0+π
(π‘, π β π)π»(π β π, π)π’(π + π β π)ππ β§
βΉ
π₯(π‘) = π₯(π‘, π‘0, π, π’) + β« x
t t0
(π‘, π ) π(π , π₯π )ππ
+ β« π0 π»π
ββ
[β«π‘0 π
π‘0+π
(π‘, π β π)π»(π β π, π)π’0(π )ππ ]
+ β« ππ»π 0
ββ [β« π
π‘ π‘π
(π‘, π β π)π»(π β π, π)π’(π )ππ ]
Where the symbol ππ»π denotes that the integration is in the Lebesque-Stieltjes sense with respect to the variable π in the function π»(π‘, π).
πΏππ‘ π’π πππ‘ππππ’ππ π‘βπ ππππππ€πππ πππ‘ππ‘ππππ :
π»Μ(π , π) = { π»(π , π), πππ π β€ π‘, πππ 0, πππ π β₯ π‘, πππ
π»ππππ π₯(π‘) πππ ππ ππ₯ππππ π ππ ππ π‘βπ ππππππ€πππ ππππ:
π₯(π‘) = π₯(π‘, π‘0, π, π’) + β« X
t t0
(π‘, π ) π(π , π₯π )ππ
+ β« ππ»π 0
ββ [β« π
π‘0 π‘0+π
(π‘, π β π)π»(π β π, π)π’0(π )ππ ]
+ β« ππ»π 0
ββ [β« π
π‘ π‘π
(π‘, π β π)π»Μ(π β π, π)π’(π )ππ ] (2.6)
ππ πππ πππππ π‘βπ π’ππ π¦ππππ‘πππ πΉπ’ππππ π‘βπππππ, π‘βπ πππ’ππππ‘π¦ (2.6)πππ ππ πππ€πππ‘π‘ππ ππ π ππππ ππππ£ππππππ‘ ππππ ππ ππππππ€π :
π₯(π‘) = π₯(π‘, π‘0, π, π’) + β« xt
0
(π‘, π ) π(π , π₯π )
+ β« ππ»π 0
ββ [β« π
π‘0 π‘0+π
(π‘, π β π)π»(π β π, π)π’0(π )ππ ]
+ β« [β« π(π‘, π β π)π0 π»π
ββ
π»Μ(π β π, π)]
π‘
π‘0
π’(π )ππ , π‘0= 0.
πππ€ πππ‘ π’π ππππ ππππ π‘βπ π πππ’π‘πππ π₯(π‘) ππ π π¦π π‘ππ (2.1) πππ π‘ = π‘1, π€π βππ£π π₯(π‘1) = π₯(π‘, π‘0, π, π’) + β« Xt
0
(π‘, π ) π(π , π₯π )ππ
+ β« π0 π»π
ββ
[β« π0
π
(π‘1, π β π)π»(π β π, π)π’π‘0ππ ]
+ β« [β« π
0
ββ
(π‘, π β π)ππ»ππ»Μ(π β π, π)]
π‘
0 π’(π )ππ (2.7) πΉππ ππππ£ππ‘π¦,
πππ‘ π΅(π‘) = π₯(π‘, π‘0, π, π’) + β« π
π‘ 0
(π‘, π ) π(π , π₯π )ππ ,
π(π‘) = β« π0 π»π
ββ
[β« π0
π
(π‘, π β π)π»(π β π, π)π’0(π )ππ ], πππ
Ζ΅(π‘) = [β« π
0
ββ
(π‘, π β π)ππ»ππ»Μ(π β π, π)], π π π‘βππ‘
π₯(π‘, π‘0, π’) = π΅(π‘) + π(π‘) + β« Ζ΅(π‘0π‘ 1, π )π’(π )ππ . (2.8) π. π. πΊππππππππ π«ππππππππππ
ππ πππ€ ππππππ π‘βπ ππππππ€πππ:
π«πππππππππ π. π. π. ( πΊππππππππ)
πβπ π‘πππ£πππ π πππ’π‘πππ π₯ = 0 ππ π π¦π π‘ππ (2.1) ππ π π‘ππππ ππ πππ πππ¦ πππ£ππ π‘0 β πΈ, πππ π πππ ππ‘ππ£π ππ’ππππ π > 0, π‘βπππ ππ₯ππ π‘π πΏ = πΏ(π‘0 , π) π π’πβ π‘βππ‘ π β π΅(0, π) πππππππ π‘βππ‘
π₯π‘(π‘0, π) β π΅(0, πΏ )
πππ πππ π‘ β₯ π‘0, π β πΆ πππ π΅(0, π) ππ ππ ππππ ππππ ππππ‘ππππ ππ‘ 0, π€ππ‘β πππππ’π π.
π«πππππππππ π. π. π (πΌππππππ πππππππππ)
πβπ π‘πππ£πππ π πππ’π‘πππ π₯ = 0 ππ π π¦π π‘ππ (2.1)ππ π’ππππππ π π‘ππππ ππ πππ πππ¦ π > 0, π‘βπππ ππ₯ππ π‘π πΏ = πΏ(π) (πππππππππππ‘ ππ π‘0 π π’πβ π‘βππ‘ π β π΅(0, π)πππππππ π‘βππ‘
π₯π‘(π‘0, π) β π΅(0, πΏ), πππ πππ π‘ > π‘0.
π«πππππππππ π. π. π (π¨πππππππππ πππππππππ)
πβπ π‘πππ£πππ π πππ’π‘πππ π₯ = 0 ππ π π¦π π‘ππ (2.1)ππ ππ π¦πππ‘ππ‘ππππππ¦ π π‘ππππ, ππ ππ‘ ππ π π‘ππππ π π’πβ π‘βππ‘ π β π΅(0, πΏ), πππππππ π‘βππ‘ π₯π‘(π‘0, π) β 0, ππ π‘ β β.
π«πππππππππ π. π. π (πΌππππππ π¨πππππππππ πππππππππ)
πβπ π‘πππ£πππ π πππ’π‘πππ π₯ = 0 ππ π π¦π π‘ππ (2.1)ππ π’ππππππππ¦ ππ π¦πππ‘ππ‘ππππππ¦ π π‘ππππ ππ π‘βπ π π¦π π‘ππ ππ π’ππππππππ¦ π π‘ππππ πππ πππ π β π΅(0, πΏ), πππππππ π‘βππ‘ π₯π‘(π‘0, π) β 0 ππ π‘ β β.
πβπ π πππ’π‘πππ π₯π‘(π‘0, π)ππ π π¦π π‘ππ (2.1) ππ ππ₯ππππππ‘πππππ¦ ππ π¦πππ‘ππ‘ππππππ¦ π π‘ππππ ππ‘ π‘βπππ ππ₯ππ π‘ ππππ π‘πππ‘π π > 0 πππ π > 0 π π’πβ π‘βππ‘ π‘βπ π πππ’π‘πππ π ππ‘ππ ππππ π₯π‘0(π‘0, π) = 0 πππ
|π₯π‘(π‘0, π)| β€ πππΆ(π‘βπ‘0). π«πππππππππ π. π. π (πͺπππππππ πππππ)
πΌπ‘ ππ ππππ€π π‘βππ‘ π‘βπ πππππππ‘π π π‘ππ‘π ππ π π¦π π‘ππ (2.1) ππ‘ π‘πππ π‘ ππ πππ£ππ ππ¦ π§(π‘) = {π₯(π‘), π’π‘}.
πβππ π‘βπ ππππ‘πππ πππππππ‘π π π‘ππ‘π ππ π‘βπ π π¦π π‘ππ (2.1) ππ πππ£ππ ππ¦ π§(π‘) = {π₯0, π’π‘0}.
π. π. π©π¨πΊπ°πͺ πΊπ¬π» ππΌπ΅πͺπ»π°πΆπ΅πΊ π¨π΅π« π·πΉπΆπ·π¬πΉπ»π°π¬πΊ
ππ π βπππ ππππππ π‘βπ π ππ‘ ππ’πππ‘ππππ π’πππ π€βππβ ππ’π π π‘π’ππ¦ βπππππ .
π«πππππππππ π. π. π. (πΉππππππππ πππ)
πβπ ππππβππππ π ππ‘ ππ π‘βπ π π¦π π‘ππ (2.1) ππ πππ£ππ ππ βΆ
π (π‘1 , π‘0) = {
β« [ β« π(π‘, π β π)ππ»ππ»Μ(π β π, π)π’(π )
0
ββ
]
π‘1
π‘π ππ βΆ π’ β π,
π€βπππ π = {π’ β πΏ2([0 , π‘1], πΈπ) βΆ |π’| β€ 1, }
π«πππππππππ π. π. π. (π¨πππππππππ πΊππ)
πβπ ππ‘π‘πππππππ π ππ‘ πππ π‘βπ π π¦π π‘ππ (2.1) ππ πππ£ππ ππ βΆ
π΄(π‘1 , π‘0 ) = {π₯(π‘ , π₯0 , π’): π’ β π}, π€βπππ π = {π’ β πΏ2([0 , π‘1], πΈπ): |π’| β€ 1 }.
πΌπ‘ ππ π π ππ‘ ππ πππ πππ π ππππ π πππ’π‘ππππ ππ π‘βπ π π¦π π‘ππ (2.1).
π«πππππππππ π. π. π. (π»πππππ πΊππ)
πβπ π‘πππππ‘ π ππ‘ ππ π π¦π π‘ππ (2.1) πππππ‘ππ ππ¦ πΊ(π‘1, π‘0) ππ πππ£ππ ππ βΆ
πΊ(π‘1 , π‘0 ) = {π₯(π‘ , π₯0 , π’): π‘1β₯ π > π‘0 , πππ πππ₯ππ π πππ π’ β π} π€βπππ π = {π’ β πΏ2([π‘0 , π‘1], πΈπ): |π’| β€ 1 }
π«πππππππππ π. π. π. (πͺππππππππππππππ ππππππππ) πβπ ππππ‘ππππππππππ‘π¦ ππππππππ ππ πππ£ππ ππ
π(π‘1 , π‘0 ) = β« Ζ΅π‘1
π‘0
(π‘, π )Ζ΅π(π‘, π )ππ
= β« [β« π(π‘1, π β π)ππ»ππ»Μ(π β π, π)
0
ββ ]
π‘1
π‘0 [β« π(π‘1, π β π)ππ»ππ»Μ(π β π, π)
0
ββ ]
π
πβπππ π πππππ‘ππ πππ‘πππ₯ π‘ππππ πππ π, πππ, Ζ΅(π , π) = β« π(ππ π, π β π½)π π―π½π―Μ (π β π½, π½)
βπ
.
π. π. πΉπππππππππππ π©ππππππ πππ πΊππ πππππππππ
ππ π βπππ ππππ π‘ ππ π‘πππππ β π‘βπ πππππ‘ππππ βππ πππ‘π€πππ π‘βπ ππ‘π‘πππππππ π ππ‘ πππ π‘βπ ππππβππππ π ππ‘ π‘π ππππππ π’π π ππ π‘βππ‘ ππππ π πππππππ‘π¦ βππ ππππ ππππ£ππ πππ πππ π ππ‘, π‘βππ ππ‘ ππ ππππππππππ π‘π π‘βπ ππ‘βππ.
πΉπππ πππ’ππ‘πππ (2.8),
π΄(π‘1 , π‘0 ) = {π(π‘)+ π (π‘1 , π‘0 )} πππ π’ β π, π‘ β [π‘0 , π‘1 ], πβπππ π(π‘) = π½(π‘) + π(π‘).
This means that the attainable set is the translation of the reachable set through π β πΈπ. Using the attainable set, therefore, it is easy to show that the set functions possess the properties of convexity, closeness and compactness. Also, the set functions are continuous on [0, β] to the metric space of compact subsets of πΈπ, (see Chukwu (1988); Gyori (1982). This gives impetus for adaptations of the proofs of these properties for system (2.1).
2.6. Controllability Standards
Applications will be made of the following controllability conditions (controllability standard) to establish results:
1. πβπ ππππ‘ππππππππππ‘π¦ πΊπππππππ ππ πππ π(π‘1 , π‘0 ) ππ πππ£πππ‘ππππ πππ π‘βπ πππ£πππ‘ππππππ‘π¦ ππ π‘βπππππππππ πππππ π‘βππ‘ π‘βπ ππππ ππ π‘βπ ππππππππ ππ’π π‘ ππ πππ’ππ π‘π π.
π. π π πππ π(π‘1 , π‘0 ) = π βΉ πβ1(π‘1 , π‘0 ) ππ₯ππ π‘π .
2. πβπ πππππππ‘ππππ π ππ π‘βπ πππ‘πππ πππ‘πππ ππ π‘π€π π ππ‘ ππ’πππ‘ππππ , ππ‘π‘πππππππ π ππ‘ π΄(π‘1 , π‘0 ) πππ π‘πππππ‘π ππ‘ πΊ(π‘1 , π‘0 ) ππ πππ’ππ£πππππ‘ π‘π π‘βπ ππππ‘ππππππππππ‘π¦ ππ π‘βπ π π¦π π‘ππ ππ
πππ‘ππππ π‘. πβππ‘ ππ ,
π΄(π‘1 , π‘0 ) β© πΊ(π‘1 , π‘0 ) β π, πππππππ π‘βππ‘ π‘βπ π π¦π π‘ππ ππ πππ‘ππππ π‘ ππ ππππ‘ππππππππ.
3 . ππππ ππ π‘βπ πππ‘πππππ ππ π‘βπ ππππβππππ π ππ‘ πππππππ π‘βππ‘ π π¦π π‘ππ ππ πππ‘ππππ π‘ ππ ππππ‘ππππππππ. πβππ‘ ππ
0 β πΌππ‘ π΄(π‘1 , π‘0 ), βΉ ππππ‘ππππππππππ‘π¦ ππ π‘βπ π π¦π π‘ππ.
4 . πβπ π π¦π π‘ππ (2.1)ππ ππππππ ππ πΈπ ππ [ π‘0 , π‘1], ππ π πππ π (π‘1 , π‘0 ) = πΈπ. ππ π‘βπ π π¦π π‘ππ (2.1) ππ ππππππ (ππππ‘ππππππππ) ππ π‘βπ ππππ‘ππππππππ πππππ₯
CTΖ΅(t, s) = 0 βΉ C = 0 CT[β« x(t0 1
βh , s β ΞΈ)dHΞΈπ»Μ(π β π, π)] = 0 π. π, β πͺ = π, πͺ β π¬π, ππ> π.
5 . ππ¦π π‘ππ (2.1) ππ πππππ‘ππ£πππ¦ ππππ‘ππππππππ ππ [π‘0 , π‘1 ] ππ,
π΄(π‘1 , π‘0 ) β© πΊ(π‘1 , π‘0 ) β π ; π‘1> π‘0.
π. π΄π¨π°π΅ πΉπ¬πΊπΌπ³π»
π»πππ, π πππ€ πππ‘βππ ππ πππππππβ ππ πππππ£ππ πππ π‘βπ πππππ ππ π‘βπ ππ₯ππ π‘ππππ ππ πππ‘ππππ ππππ‘πππ ππ ππ’π π π¦π π‘ππ ππ πππ‘ππππ π‘.
π»ππππππ π. π. (π΅ππππππππ πͺπππ πππππ)
πβπ ππππππ€πππ πππ πππ’ππ£πππππ‘ πππ π π¦π π‘ππ (2.1) π£ππ π β π£ππ π π¦π π‘ππ (1.1) π‘π ππ ππππ‘ππππππππ:
(1). π(π‘1, π‘0) ππ πππ β π ππππ’πππ πππ πππβ π‘π[π‘0, π‘1].
(2). πβπ π π¦π π‘ππ (2.1) π£ππ π β π£ππ π π¦π π‘ππ(1.1) ππ ππππππ ππ πΈπ πππ πππβ πππ‘πππ£ππ [π‘0, π‘1], (3). πβπ π π¦π π‘ππ (2.1)π£ππ π β π£ππ π π¦π π‘ππ(1.1) ππ πππππ‘ππ£πππ¦ ππππ‘ππππππππ ππ πππβ πππ‘πππ£ππ [π‘0, π‘1]
π·ππππ
π πππππ π‘βππ‘ π(π‘1 , π‘0) ππ πππ β π ππππ’πππ ππ πππ’ππ£πππππ‘ π‘π π ππ¦πππ π‘βππ‘ π€(π‘1 , π‘0) ππ πππ ππ‘ππ£π πππππππ‘π, π€βππβ ππ π‘π’ππ ππ πππ’ππ£πππππ‘ π‘π
πΆπβ« [ β« π(π‘, π β π)ππ»ππ»Μ(π β π, π)
0
ββ
] ππ
π‘1
π‘0 = 0 π. π ππ [π‘0, π‘1] , πππππππ πΆ = 0.
Therefore, showing that (1) and (2) are equivalent.
ππ π βππ€ π‘βππ‘ (2) πππ (3) πππ πππ’ππ£πππππ‘:
πΆπβ« [ β« π(π‘, π β π)ππ»ππ»Μ(π β π, π)
0
ββ
] ππ
π‘1 π‘0
= 0 π. π. π‘ β [π‘0, π‘1], πππ πππβ π‘ , π‘βππ
πΆπβ« [ β« π(π‘, π β π)ππ»ππ»Μ(π β π, π)
0
ββ
]
π‘1
π‘0 π’(π )ππ
= β« πΆπ[ β« π(π‘, π β π)ππ»ππ»Μ(π β π, π)
0
ββ
]
π‘1 π‘0
π’(π )ππ = 0 , πππ π’ β πΏ2
.
πΌπ‘ ππππππ€π ππππ π‘βππ π‘βππ‘ πΆ ππ πππ‘βππππππ π‘π π‘βπ ππππβππππ π ππ‘
π (π‘1, π‘0,) = {β« [ β« π(π‘, π β π)ππ»ππ»Μ(π β π, π)
0
ββ
]
π‘1 π‘0
π’(π )ππ ; |π’| β€ 1 }
πΌπ π€π ππ π π’ππ π‘βπ πππππ‘ππ£π ππππ‘ππππππππππ‘π¦ ππ π π¦π π‘ππ (2.1) πππ€, π‘βππ , π (π‘1, π‘0) = πΈπ, π π π‘βππ‘ πΆ = 0 , π βππ€πππ π‘βππ‘ (3) πππππππ (2).
πͺπππππππππ, ππ π π’ππ πππ ππππ‘ππππππ‘πππ π‘βππ‘ π π¦π π‘ππ (2.1)ππ πππ ππππππππππππ π π π‘βππ‘ π (π‘1, π‘0) β πΈπ , πππ π‘1> π‘0.πβππ , π‘βπππ ππ₯ππ π‘π πΆ β 0, πΆ β πΈπ, π π’πβ π‘βππ‘ πΆπ π (π‘1, π‘0) = 0.
It now follows that for all admissible controls π’ β πΏ2 that
0 = πΆπβ« [ β« π(π‘, π β π)ππ»ππ»Μ(π β π, π)
0
ββ
]
π‘1
π‘0 π’(π )ππ
= β« πΆπ[ β« π₯(π‘, π β π)ππ»ππ»Μ(π β π, π)
0
ββ
]
π‘1
π‘0 π’(π )ππ
π»ππππ,
πΆπβ« [ β« π₯(π‘, π β π)ππ»ππ»Μ(π β π, π)
0
ββ
]
π‘1 π‘0
π’(π )ππ = 0 π. π, π β [π‘0, π‘1], πΆ β 0.
This, by definition of properness implies the system is not proper, since πΆπ β 0. Hence the system is relatively controllable.
Theorem 3.2
πΆπππ ππππ π π¦π π‘ππ(2.1)π£ππ π β π£ππ π π¦π π‘ππ (1.1) π
ππ‘ [π·(π‘, π₯)] = πΏ(π‘, π₯t)π₯π‘ + β« π΄(π‘, π)π₯(π‘ + π)ππ
β
0 + β« [πππ»(π‘, π)]π’(π‘ + π)
0
ββ + π(π‘, π₯π‘) (3.1)
π€ππ‘β ππ‘π π π‘ππππππ βπ¦πππ‘βππ ππ . ππ’ππππ π π‘βππ‘ π’β ππ π‘βπ πππ‘ππππ ππππ‘πππ, π‘βππ ππ‘ ππ π’ππππ’π.
π·ππππ
πΏππ‘ π’β πππ π£β ππ πππ‘ππππ ππππ‘ππππ πππ π‘βπ π π¦π π‘ππ (3.1), π‘βππ π’β πππ π£β πππ₯ππππ§π
πΆπβ« [β« X
0
βh
(t, s β ΞΈ)dHΞΈπ»Μ(π β π, π)] π’(π )ππ
π‘1
π‘π , πππ π‘ β [0, π‘1]; π‘1> 0,
ππ£ππ πππ πππππ π ππππ ππππ‘ππππ π’ β π, πππ πππ π π€π βππ£π π‘βπ πππππ’ππππ‘π¦ π€ππ‘β π’β ππ π‘βπ πππ‘ππππ ππππ‘πππ.
πΆπβ« [β« X
0
βh
(t, s β ΞΈ)dHΞΈπ»Μ(π β π, π)]
π‘
0 π’(π )ππ
β€ β« πΆπ[β« X0
βh
(t, s β ΞΈ)dHΞΈπ»Μ(π β π, π)] π’β(π )ππ
π‘ 0
(3.2) π΄ππ π, π’π πππ π£β ππ πππ‘ππππ ππππ‘πππ, π€π βππ£π
πΆπβ« [β« X
0
βh
(t, s β ΞΈ)dHΞΈπ»Μ(π β π, π)]
π‘
0 π’(π )ππ
β€ β« πΆπ[β« X0
βh
(t, s β ΞΈ)dHΞΈπ»Μ(π β π, π)]
π‘β 0
π£β(π )ππ (3.3)
ππππππ πππ₯πππ’π ππ π’ , ππ£ππ [β1 , 1], π‘βπ πππππ ππ πππππππ‘πππ ππ π’β ππ π π¦π π‘ππ (3.2) πππ (3.3), π€π βππ£π πΆπβ« [β« X0
βh
(t, s β ΞΈ)dHΞΈπ»Μ(π β π, π)]
π‘ 0
πππ₯|π’(π )|ππ ;
= πΆπβ« [β« X
0
βh
(t, s β ΞΈ)dHΞΈπ»Μ(π β π, π)]
π‘ 0
π’β(π )ππ , πππ π’, π’ββ π. (3.4) Also,
πΆπβ« [β« X
0
βh
(t, s β ΞΈ)dHΞΈπ»Μ(π β π, π)]
π‘
0 πππ₯|π’(π )|ππ ;
= πΆπβ« [β« X
0
βh
(t, s β ΞΈ)dHΞΈπ»Μ(π β π, π)]
π‘
0 π£β(π )ππ , πππ π’, π£ββ π. (3.5)
π£β(π ) being optimal control such that β1 β€ π β€ 1.
ππ’ππ‘ππππ‘πππ πππ’ππ‘πππ (3.5)ππππ πππ’ππ‘πππ (3.4), π€π βππ£π
πΆπβ« [β« X
0
βh
(t, s β ΞΈ)dHΞΈπ»Μ(π β π, π)]
π‘
0 πππ₯|π’(π )|ππ
β πΆπβ« [β« X0
βh
(t, s β ΞΈ)dHΞΈπ»Μ(π β π, π)]
π‘ 0
πππ₯|π’(π )|ππ = 0
= πΆπβ« [β« X0
βh
(t, s β ΞΈ)dHΞΈπ»Μ(π β π, π)]
π‘ 0
π’β(π )ππ ,
β ππβ« [β« X0
βh
(t, s β ΞΈ)dHΞΈπ»Μ(π β π, π)]
π‘ 0
π£β(π )ππ β 0 = ππβ« [β« X
0
βh
(t, s β ΞΈ)dHΞΈπ»Μ(π β π, π)]
π‘ 0
{π’β(π ) β π£β(π )}ππ =
βΉ π’β(π ) β π£β(π ) = 0
βΉ π’β(π ) = π£β(π ).
This establishes the uniqueness of the optimal control for the system (3.1) visa via system (1.1).
π. π¬πΏπ¨π΄π·π³π¬ π¬πππππππ. π
πΆπππ ππππ π‘βπ ππππ‘πππ ππππππ π π¦π π‘ππ πππ£ππ πππππ€:
π₯Μ(π‘) = π΄π₯(π‘) + π΅π’(π‘) (1)
π€βπππ π΄ = [0 10 0] πππ π΅ = [01] ; π₯(0) = (π₯0 , π¦0) , π€βπππ π = {π’ β πΏ2([0 , π‘1], πΈπ): |π’| β€ 1 }.
π·πππ π‘βπ π π¦π π‘ππ (1) βππ ππ πππ‘ππππ ππππ‘πππ π€βππ ππ π’ππππ’π ? πΊπππππππ
π΄ = [0 10 0] πππ π΅ = [01] .
πΌπ‘ ππ πππ π¦ π‘π π£πππππ¦ π‘βππ‘ π‘βπ ππ’πππππππ‘ππ πππ‘πππ₯ π(π‘) = ππ΄π‘ = [1 π‘ 0 1] and πβ1(π‘) = πβπ΄π‘= [1 π‘
0 1].
Question: Is the system(1) controllable? If yes, then there exists an optimal control π΄ππ π€ππ βΆ πΉππ ππππ‘ππππππππππ‘π¦,
ππππ [π΅, π΄π΅] = ππππ [[01] , [0 10 0] [01]] = ππππ [[01] , [10]] = ππππ [0 11 0] = 2 = π
πβπππππππ , π‘βπ π π¦π π‘ππ(1) ππ ππππππ πππ βππππ ππππ‘ππππππππ. πβπ π π¦π π‘ππ(1) ππ πππ π ππππππ π ππππ π΅ ππ π ππππ’ππ πππ‘πππ₯. πβπ’π , π‘βπ πππ‘ππππ ππππ‘πππ π€πππ ππ π’ππππ’π πππ ππππ β ππππ πππ ππ π‘βπ ππππ
π’β= π πππΆππβ1(π‘)π΅(π‘) = π ππ[πΆπβπ΄π‘π΅(π‘)]
= π ππ [(πΆ1 πΆ2) (1 βπ‘ 0 1) (0
1)] = π ππ [(πΆ1 βπΆ1π‘ + πΆ2) (0 1)]
= π ππ[0 βπΆ1π‘ + πΆ2] = π ππ(βπΆ1π‘ + πΆ2), πππ π πππ (πΆ1 πΆ2) β πΈπ. π»ππππ π’β βππ ππππ¦ πππ π π€ππ‘πβ πππ‘π€πππ β 1 πππ 1 .
ππ π ππ π‘βππ , π€π π πππ£π
βπΆ1π‘ + πΆ2= 0 , β βπΆ1π‘ = βπΆ2 , β π‘ =πΆ2
πΆ1 π€βππβ πππ£ππ π£πππ’π ππ π‘.
5. CONCLUSION
In this work, therefore, we have established necessary and sufficient conditions for the system (1.1) to have an optimal control .by establishing the controllability of the system. The optimal control of the system (1.1) was, and then proved to be unique. Thus, the uniqueness of the optimal of the system (1.1) was established.
Not alone, the processes of the establishment of the uniqueness of the optimal control provided a new approach to the establishment of the existence of optimal control of any dynamical system.
REFERENCES
Anichini, G. Conti and Zecca, P. (1986),βA Note on Controllability of Certain Nonlinear Systemsβ, Note the Math., Vol.6, Pp 1, 99 β 111.
Artstein, Z. (1982), βLinear Systems with Delayed Control, - A Reductionβ, I.E.E.E. Transations om Automatic Control, Ac β 27, Pp 869 β 879.
Balachandran, K. (1992), βControllability of Neutral Volterva Integro-differential Systemsβ, Journal of Australian Mathematical Society Ser B34, Pp 18-25.
Balanchandran, K. and J.P Dauer (1996), βLocal Null Controllability of Nonlinear Functional Differential System in Banach Spacesβ Journal of optimal theory and App. 88, pp 61-75.
Balanchandran, K. and J.P Dauer (2002), βControllability of Nonlinear Systems in Banach Spacesβ, A Survey Jota 115.
Balanchandran, K. andn A. Leelamani (2006), βExistence Results for Nonlinear Abstract Neutral Differential Equations with Time Varying Delaysβ, Applied Mathematics Noyes 6, Pp 186 β 193.
Banks, H.T., and Kent G.A., (1972), βControl of Functional Differential Equations of Retarded and Neutral Type to Target sets in Function Spacesβ S.I.A.M., Journal on Control 10, Pp 562-593.
Chukwu E. N. (1988), βThe Time Optimal Control Theory of Linear Differential Equations of Neutral Typeβ, Journal Computer. Maths and Applications, vol.16 pp 851-866.
Chukwu, E.N. (1992), βStability and Time Optimal Control of Hereditary Systems,β Academic Press, New York.
Chukwu, E.N. (2001), βDifferential Models and Neutral Systems for Controlling the Wealth of Nationsβ Services on Advance in Mathematics from Applied Sciences, Vol.54. World Scientific, New Jersey.
Gyori, I. (1982), βDelay Differential and Integrodifferential Equations in Biological Compartmental Modelsβ Systems Science (Wroclaw) Poland, 8,pp 7-187.
Onwuatu, J.U. (1993), βNull Controllability of Nonlinear Infinite Neutral Systemsβ, Kyberuetika, Vol.29, Pp 1-12.
How to cite this article
Oraekie, P.A. (2018). Uniqueness of Optimal Control of Nonlinear Infinite Neutral Functional Differential Systems with Distributed Delays in the Control. Tropical Journal of Applied Natural Sciences, 2(2): 15-25. Doi: https://doi.org/10.25240/TJANS.2018.2.2.03.
Licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License