Zagadnienie brachistochrony jako przyk lad zastosowania rachunku wariacyjnego

Podobne dokumenty
Regionalne Koło Matematyczne

Analiza matematyczna v.1.6 egzamin mgr inf niestacj 1. x p. , przy założeniu, że istnieją lim

Wykład 2. Granice, ciągłość, pochodna funkcji i jej interpretacja geometryczna

Wyk lad 3 Grupy cykliczne

Całka oznaczona i całka niewłaściwa Zastosowania rachunku całkowego w geometrii

Całkowanie. dx d) x 3 x+ 4 x. + x4 big)dx g) e x 4 3 x +a x b x. dx k) 2x ; x 0. 2x 2 ; x 1. (x 2 +3) 6 j) 6x 2. x 3 +3 dx k) xe x2 dx l) 6 1 x dx

Rozwiązania maj 2017r. Zadania zamknięte

1 Definicja całki oznaczonej

CAŁKA OZNACZONA JAKO SUMA SZEREGU

WYK LAD 5: GEOMETRIA ANALITYCZNA W R 3, PROSTA I P LASZCZYZNA W PRZESTRZENI R 3

4. RACHUNEK WEKTOROWY

stosunek przyrostu funkcji y do odpowiadajacego dy dx = lim y wielkości fizycznej x, y = f(x), to pochodna dy v = ds edkości wzgl edem czasu, a = dv

Oscylator harmoniczny tłumiony drgania wymuszone

Metody Lagrange a i Hamiltona w Mechanice

Wykład 2. Pojęcie całki niewłaściwej do rachunku prawdopodobieństwa

Podstawy robotyki. Wykład II. Robert Muszyński Janusz Jakubiak Instytut Informatyki, Automatyki i Robotyki Politechnika Wrocławska

Maciej Grzesiak Instytut Matematyki Politechniki Poznańskiej. Całki oznaczone. lim δ n = 0. σ n = f(ξ i ) x i. (1)

ZADANIA Z GEOMETRII RÓŻNICZKOWEJ NA PIERWSZE KOLOKWIUM

Całka Riemanna. Analiza Matematyczna. Alexander Denisjuk

dr inż. Zbigniew Szklarski

- Wydział Fizyki Zestaw nr 5. Powierzchnie 2-go stopnia

PEWNIK DEDEKINDA i jego najprostsze konsekwencje

Wyk lad 13 Funkcjona ly dwuliniowe

FUNKCJE LICZBOWE. x 1

Elementy rachunku wariacyjnego

RACHUNEK CAŁKOWY. Funkcja F jest funkcją pierwotną funkcji f na przedziale I R, jeżeli. F (x) = f (x), dla każdego x I.

mechanika analityczna 2 nierelatywistyczna L.D.Landau, E.M.Lifszyc Krótki kurs fizyki teoretycznej

Analityczne metody kinematyki mechanizmów

5. Zadania tekstowe.

N(0, 1) ) = φ( 0, 3) = 1 φ(0, 3) = 1 0, 6179 = 0, 3821 < t α 1 e t dt α > 0. f g = fg. f = e t f = e t. U nas: g = t α 1 g = (α 1)t α 2

POCHODNA KIERUNKOWA. DEFINICJA Jeśli istnieje granica lim. to granica ta nazywa siȩ pochodn a kierunkow a funkcji f(m) w kierunku osi l i oznaczamy

Niewymierność i przestępność Materiały do warsztatów na WWW6

Realizacje zmiennych są niezależne, co sprawia, że ciąg jest ciągiem niezależnych zmiennych losowych,

Całka oznaczona. Matematyka. Aleksander Denisiuk. Elblaska Uczelnia Humanistyczno-Ekonomiczna ul. Lotnicza Elblag.

Równania różniczkowe cząstkowe - metoda Fouriera. Przykładowe rozwiązania i wskazówki

f(g(x))g (x)dx = 6) x 2 1

Wspomaganie obliczeń za pomocą programu MathCad

< f g = fg. f = e t f = e t. U nas: e t (α 1)t α 2 dt = 0 + (α 1)Γ(α 1)

Klucz odpowiedzi do zadań zamkniętych i schemat oceniania zadań otwartych

ZASTOSOWANIA POCHODNEJ FUNKCJI

Zadanie 5. Kratownica statycznie wyznaczalna.

Całki oznaczone. Funkcja górnej granicy całkowania. Zastosowania całek oznaczonych. Całki niewłaściwe. Małgorzata Wyrwas

Modelowanie i obliczenia techniczne. Metody numeryczne w modelowaniu: Różniczkowanie i całkowanie numeryczne

Całki oznaczone. Funkcja górnej granicy całkowania. Zastosowania całek oznaczonych. Całki niewłaściwe. Małgorzata Wyrwas

1 Funkcje dwóch zmiennych podstawowe pojęcia

c ze wzoru dwumianowego Newtona obliczyć sumy: a) 3 2 obliczyć wartości wyrazów będa cych liczbami ca lkowitymi,

Wyk lad 1 Podstawowe wiadomości o macierzach

( ) Lista 2 / Granica i ciągłość funkcji ( z przykładowymi rozwiązaniami)

Przekształcenie całkowe Fouriera

Funkcje wielu zmiennych

Indeks odwzorowania zmiennej zespolonej wzgl. krzywej zamknietej

DARIUSZ KULMA. Jak zdać maturę. z matematyki. na poziomie rozszerzonym DLA BYSTRZAKÓW I NIE TYLKO! WYDAWNICTWO ELITMAT Mińsk Mazowiecki 2013

PRÓBNA MATURA Z MATEMATYKI Z OPERONEM LISTOPAD ,0. 3x 6 6 3x 6 6,

SFORMUŁOWANIE WARIACYJNE

Matematyka A, klasówka, 24 maja zania zadań z kolokwium z matematyki A w nadziei, że pope lni lem wielu b le. rozwia

Rozdzia l 11. Przestrzenie Euklidesowe Definicja, iloczyn skalarny i norma. iloczynem skalarnym.

ZADANIA ZAMKNIETE W zadaniach 1-25 wybierz i zaznacz na karcie odpowiedzi poprawna

Funkcje wielu zmiennych

czastkowych Państwo przyk ladowe zadania z rozwiazaniami: karpinw adres strony www, na której znajda

1 Przestrzenie unitarne i przestrzenie Hilberta.

Sterowanie optymalne dla uk ladów nieliniowych. Zasada maksimum Pontriagina.

Geometria. Rozwiązania niektórych zadań z listy 2

Wyk lad 9 Przekszta lcenia liniowe i ich zastosowania

Wzory uproszczonego mno zenia: (a + b) 2 = a 2 + 2ab + b 2, (a b) 2 = a 2 2ab + b 2, a 2 b 2 = (a b) (a + b).

DZYSZKOLNE ZAWODY MATEMATYCZNE. Eliminacje rejonowe. Czas trwania zawodów: 150 minut

R + v 10 R0, 9 k v k. a k v k + v 10 a 10. k=1. Z pierwszego równania otrzymuję R 32475, Dalej mam: (R 9P + (k 1)P )v k + v 10 a 10

Wyk lad 7 Baza i wymiar przestrzeni liniowej

Maciej Grzesiak. Iloczyn skalarny. 1. Iloczyn skalarny wektorów na płaszczyźnie i w przestrzeni. a b = a b cos ϕ. j) (b x. i + b y

Równania różniczkowe o zmiennych rozdzielonych

Wyk lad 10 Przestrzeń przekszta lceń liniowych

Tekst poprawiony 27 XII, godz. 17:56. Być może dojda

WEKTORY skalary wektory W ogólnym przypadku, aby określić wektor, należy znać:

Mnożniki funkcyjne Lagrange a i funkcje kary w sterowaniu optymalnym

Funkcje wielu zmiennych

Pochodna funkcji c.d.-wykład 5 ( ) Funkcja logistyczna

Liczby zespolone, liniowa zależność i bazy Javier de Lucas. a d b c. ad bc

Pochodna funkcji: zastosowania przyrodnicze wykłady 7 i 8

Sterowalność liniowych uk ladów sterowania

Pochodna funkcji. Niech f : A R, a A i załóżmy, że istnieje α > 0 taka, że

Modele odpowiedzi do arkusza Próbnej Matury z OPERONEM. Matematyka Poziom rozszerzony

Klucz odpowiedzi do zadań zamkniętych i schemat oceniania zadań otwartych

INSTRUKCJA. - Jak rozwiązywać zadania wysoko punktowane?

Definicje. r r r r. Struktura kryształu. Sieć Bravais go. Baza

A. Strojnowski - Twierdzenie Jordana 1

1. Krzywe stożkowe. (x a) 2 + (y b) 2 = r 2. (1) Wykonując działania w równaniu (1) i podstawiając c = a 2 + b 2 r 2 otrzymamy

ZADANIA Z ZAKRESU SZKOŁY PODSTAWOWEJ, GIMNAZJUM I SZKOŁY ŚREDNIEJ

VI. Rachunek całkowy. 1. Całka nieoznaczona

Matematyka 1. Šukasz Dawidowski. Instytut Matematyki, Uniwersytet l ski

Funkcje wielu zmiennych

Metoda mnożników Lagrange a i jej zastosowania w ekonomii

Niezb. ednik matematyczny. Niezb. ednik matematyczny

III. Rachunek całkowy funkcji jednej zmiennej.

δ δ δ 1 ε δ δ δ 1 ε ε δ δ δ ε ε = T T a b c 1 = T = T = T

LISTA02: Projektowanie układów drugiego rzędu Przygotowanie: 1. Jakie własności ma równanie 2-ego rzędu & x &+ bx&

STYSTYSTYKA dla ZOM II dr inż Krzysztof Bryś Wykad 1

Sprawdzian całoroczny kl. III

AUTORKA: ELŻBIETA SZUMIŃSKA NAUCZYCIELKA ZESPOŁU SZKÓŁ OGÓLNOKSZTAŁCĄCYCH SCHOLASTICUS W ŁODZI ZNANE RÓWNANIA PROSTEJ NA PŁASZCZYŹNIE I W PRZESTRZENI

Równania i nierówności kwadratowe z jedną niewiadomą

Normy wektorów i macierzy

Wielokąty na płaszczyźnie obliczenia z zastosowaniem trygonometrii. Trójkąty. Trójkąt dowolny. Wielokąty trygonometria 1.

Transkrypt:

Zgnienie brchistochrony jko przyk l zstosowni rchunku wricyjnego 1. Przestwienie problemu. Równni Euler-Lgrenge 3. Tożsmość Beltrmiego 4. Równnie cykloiy 5. Zs Fermt 1 Przestwienie problemu Brchistochron to krzyw, po której czs stczni si e msy punktowej o punktu A o punktu B po wp lywem st lej si ly np. si ly ci eżkości jest njkrótszy. Nzw pochozi o z lożeni greckich s lów brchistos - njkrótszy i chronos - czs. Rysunek 1: Brchistochron Zgnienie brchistochrony by lo jenym z pierwszych, o rozwizni którego wykorzystno rchunek wricyjny. Postwiony w 1696 przez Jkub Bernoulliego problem znlezieni krzywej njszybszego spku zost l rozwizny niezleżnie przez Leibniz, Newton, Jn Bernoulliego orz e L Hospitl. Okz lo sie, że brchistochron jest frgment cykloiy. Rozwżmy uk l wspó lrz enych w którym oś OY jest skierown o o lu. Zk lmy, że punktowy obiekt o msie m zostje puszczony z punktu A i porusz sie po pewnej trjektorii, tk jk n rysunku poniżej. Przyjmujemy, że trjektori t jest wykresem funkcji y : [, b] R. Wówczs l owolnego x 0 wektor prekości vx w punkcie x, yx jest styczny o krzywej y i ponto, z zsy zchowni energii, jego lugość vx spe lni równnie m vx = mgyx, gzie g jest przyspieszeniem. 1

Policzmy czs w jkim kulk strtujc z punktu A znjzie sie w punkcie B. Wektor w = 1, y x jest styczny o wykresu funkcji w punkcie x, yx. Ztem po m- lym przyroście prmetru x, który oznczmy przez x kulk przebezie roge s = 1 + y x x ztem czs przebyci ocink rogi s bezie wynosić 1 + y x x = vx 1 + y x x. Niech CA,B 1 [, b] ozncz przestrzeń funkcji y : [, b] R klsy C1 tkich, że, y = A, b, yb = B orz niech C0 1[, b] ozncz przestrzeń funkcji ci g lych y : [, b] R tkich, że y = yb = 0. Niech F : CA,B 1 [, b] R b ezie owzorowniem nym wzorem b 1 + y F y = x x Jeśli y jest wykresem krzywej przy której czs otrci z punktu A o punktu B jest njkrótszy, to y jest minimum globlnym funkcji F. Ztem l owolnej funkcji ϕ C0 1[, b] mmy y + tϕ C1 A,B [, b] orz owzorownie 1, 1 t F y + tϕ przyjmuje minimum w punkcie t = 0. Dltego t F y + tϕ t=0 = 0. Równni Euler-Lgrenge Twierzenie.1. Postwowe twierzenie rchunku wricyjnego Niech f : [, b] R bezie funkcj cig l tk, że Wtey ft = 0 l t [, b]. ftϕt t = 0 l ϕ C 0 [, b]. Niech L : R 3 R bezie osttecznie g lkim owzorowniem. Definiujemy funkcjon l I : C A,B [, b] R wzorem Iu := Lx, ux, u x x l u C A,B [, b].

Twierzenie.. Jeśli funkcj cig l u : [, b] R jest punktem minimlnym funkcjon lu I, to l owolnej funkcji ϕ C0 1 [, b] spe lnion jest równość 1 u x, ux, u xϕx + u x, ux, u xϕ x x = 0. C lkujc równnie 1 przez cześci wizimy, że owolny punkt minimlny funkcjon lu I spe lni nstepuj c równość u x, ux, u xϕx x x u x, ux, u xϕx x = 0 l x [, b], co n postwie postwowego twierzeni rchunku wricyjnego implikuje, że spe lnione jest nstepuj ce równnie Euler-Lgrnge 3 u x, ux, u x x 3 Tożsmość Beltrmiego u x, ux, u x l x [, b]. Twierzenie 3.1. Tożsmość Beltrmiego Niech u : [, b] R bezie osttecznie g lk funkcj spe lnijc równnie Euler-Lgrnge 3. Wówczs Lx, ux, u x u x x u x, ux, u x = x x, ux, u x l x [, b]. Dowó. Stosujc wzór n różniczkownie funkcji z lożonej otrzymujemy nstepuj c równość x Lx, ux, u x = x x, ux, u x + u x u Lx, ux, u x + u x u Lx, ux, u x. Ponto, stosujc wzór n różniczkownie iloczynu funkcji mmy u x x u x, ux, u x = u x u x, ux, u x + u x x u x, ux, u x. Oejmujc powyższe równości stronmi i uwzglenij c 3 otrzymujemy Lx, ux, u x u x x x x, ux, u x = u x, ux, u x, co jest żn równości. 4 Równnie cykloiy Niech L : R 3 R bezie owzorowniem nym wzorem 1 + z Lx, y, z = l x, y, z R 3. gy 3

Jeśli y : [, b] R jest funkcj, któr wyzncz roge njszybszego stczni sie msy punktowej z punktu A o B, to funkcj y jest punktem minimlnym funkcjon lu b 1 + y F y = x x. Stosujc tożsmość Beltrmiego otrzymujemy 1 + y x y x 1 + y x = C, co po uproszczeniu je Rozwizuj c to równnie otrzymujemy yx1 + y x = 1 gc =: k l x [, b]. xθ = 1 k θ sin θ orz yθ = 1 k 1 cos θ l θ R. Powyższe wzory s równnimi prmetrycznymi cykloiy krzywej, jk opisuje tor punktu leżcego n obwozie ko l, które toczy sie bez poślizgu po prostej. Ztem brchi- Rysunek : Sposób konstrukcji cykloiy, := 1 k stochron jest frgmentem opowienio przesklownej cykloiy, czyli krzywej γ : R R nej wzorem γt = θ sin θ, 1 cos θ l θ R, l której prmetr > 0 jest tk obrny, by γθ 0 = B l pewnego t 0 R. 5 Zs Fermt Zs Fermt: promień świetlny, poruszjc sie z punktu A o punktu B wybier zwsze te roge n której przebycie potrzebuje njmniej czsu. Użyjemy zse Fermt o wyprowzeni zsy z lmni. Niech n 1 orz n be wspó lczynnikmi z lmni ośroków. Wtey v 1 = c/n 1 orz v = c/n. Niech x bezie 4

Rysunek 3: Prwo z lmni punktem z leżcy n grnicy ośroków prze których przechozi promień poruszjc sie z punktu A = 0, h 1 o punktu B = b, h po roze o njkrótszym czsie przebyci. Wówczs czs potrzebny n przebycie tej rogi wynosi tx = x + h 1 v 1 + Skoro czs przebyci jest njkrótszy mmy b x + h v. co implikuje, że Wtey tx x = 0 x b x v 1 x + h 1 v b x + h v 1 v = x x +h 1 b x b x +h = sin α sin β = 0. co jest oczekiwn zs z lmni. 5