Beauchard, Karine, Le Borgne, Jérémy, Marbach, Frédéric, Institut de Recherche Mathématique de Rennes (IRMAR), INSTITUT AGRO Agrocampus Ouest, Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École normale supérieure - Rennes (ENS Rennes)-Université de Rennes 2 (UR2), Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Université de Rennes 1 (UR1), Université de Rennes (UNIV-RENNES), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), ANR-20-CE40-0009,TRECOS,Nouvelles directions en contrôle et stabilisation: Contraintes et termes non-locaux(2020), Université de Rennes (UR)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-École normale supérieure - Rennes (ENS Rennes)-Université de Rennes 2 (UR2)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-INSTITUT AGRO Agrocampus Ouest, Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro), ANR-11-LABX-0020,LEBESGUE,Centre de Mathématiques Henri Lebesgue : fondements, interactions, applications et Formation(2011), AGROCAMPUS OUEST, Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Université de Rennes 1 (UR1), Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Université de Rennes 2 (UR2), Université de Rennes (UNIV-RENNES)-École normale supérieure - Rennes (ENS Rennes)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA), Université de Rennes 1 (UR1), Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-École normale supérieure - Rennes (ENS Rennes)-Université de Rennes 2 (UR2), and Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-INSTITUT AGRO Agrocampus Ouest
Explicit formulas expressing the solution to non-autonomous differential equations are of great importance in many application domains such as control theory or numerical operator splitting. In particular, intrinsic formulas allowing to decouple time-dependent features from geometry-dependent features of the solution have been extensively studied. First, we give a didactic review of classical expansions for formal linear differential equations, including the celebrated Magnus expansion (associated with coordinates of the first kind) and Sussmann's infinite product expansion (associated with coordinates of the second kind). Inspired by quantum mechanics, we introduce a new mixed expansion, designed to isolate the role of a time-invariant drift from the role of a time-varying perturbation. Second, in the context of nonlinear ordinary differential equations driven by regular vector fields, we give rigorous proofs of error estimates between the exact solution and finite approximations of the formal expansions. In particular, we derive new estimates focusing on the role of time-varying perturbations. For scalar-input systems, we derive new estimates involving only a weak Sobolev norm of the input. Third, we investigate the local convergence of these expansions. We recall known positive results for nilpotent dynamics and for linear dynamics. Nevertheless, we also exhibit arbitrarily small analytic vector fields for which the convergence of the Magnus expansion fails, even in very weak senses. We state an open problem concerning the convergence of Sussmann's infinite product expansion. Eventually, we derive approximate direct intrinsic representations for the state and discuss their link with the choice of an appropriate change of coordinates., Comment: Updated numbering of theorems and equations to be the same as the published version