制御理論の問題

スカラーの線形系
$$\dot{x}(t)=2x(t)+u(t),x(0)=2$$
に対して、評価関数
$$J={\int }_0^{\infty }(3x(t{)}^2+u(t{)}^2)dt$$
を考える。ただし $x(t),u(t)$ は実数値で、$u$ は $J$ が有限になる入力の中から選ぶ。$J$ の最小値を求めよ。

状態 $x(t)=\left(\begin{array}{c}{x}_1(t)\\ x_2(t)\end{array}\right)\in {\mathbb{R}}^2$、入力 $u(t)\in \mathbb{R}$ をもつ線形時不変系
$${\dot{x}}_1(t)=x_2(t),{\dot{x}}_2(t)=u(t),x(0)=\left(\begin{array}{c}1\\ 1\end{array}\right)$$
に対して、評価関数
$$J={\int }_0^{\infty }(4x_1(t{)}^2+u(t{)}^2)dt$$
を考える。ただし入力 $u$ は、$J$ が有限となり $t\to \infty$ で $x(t)\to 0$ となる区分的に連続な関数の中から選ぶものとする。$J$ の最小値を求めよ。

状態 $x(t)=\left(\begin{array}{c}{x}_1(t)\\ x_2(t)\end{array}\right)\in {\mathbb{R}}^2$、入力 $u(t)\in \mathbb{R}$ をもつ線形時不変系（2 重積分器）
$${\dot{x}}_1(t)=x_2(t),{\dot{x}}_2(t)=u(t),x(0)=\left(\begin{array}{c}1\\ 1\end{array}\right)$$
に対して、評価関数
$$J={\int }_0^{\infty }(4x_1(t{)}^2+u(t{)}^2)dt$$
を考える。ただし、入力 $u$ は $J$ が有限となる区分的に連続な関数全体を動くものとする。$J$ の最小値を求めよ。

状態 $x(t)=\left(\begin{array}{c}{x}_1(t)\\ x_2(t)\end{array}\right)\in {\mathbb{R}}^2$、入力 $u(t)\in \mathbb{R}$ をもつ線形時不変系
$${\dot{x}}_1(t)=x_2(t),{\dot{x}}_2(t)=u(t),x(0)=\left(\begin{array}{c}a\\ b\end{array}\right)$$
を考える。ここで $a,b$ は実数の定数である。評価関数
$$J={\int }_0^{\infty }(4x_1(t{)}^2+5x_2(t{)}^2+u(t{)}^2)dt$$
を、$J$ が有限となる区分的に連続な入力 $u(t)$ 全体にわたって最小化する。$J$ の最小値を $a,b$ の式で求めよ。

状態 $x(t)=\left(\begin{array}{c}{x}_1(t)\\ x_2(t)\end{array}\right)\in {\mathbb{R}}^2$、入力 $u(t)\in \mathbb{R}$、出力 $y(t)\in \mathbb{R}$ をもつ線形時不変系
$${\dot{x}}_1=x_2,{\dot{x}}_2=u,y=2x_1+x_2$$
に対して、評価関数
$$J={\int }_0^{\infty }(y(t{)}^2+u(t{)}^2)dt$$
を考える。初期状態を $x(0)=\left(\begin{array}{c}1\\ -1\end{array}\right)$ とし、$J$ を有限にする入力 $u(t)$（区分的に連続な関数）全体にわたる $J$ の最小値を求めよ。