ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΑΝΟΙΧΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΙΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ Ενότητα 7: Συναρτησιακά καμπύλων με ασυνέχεια στις παραγώγους Νίκος Καραμπετάκης
Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2
Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3
Διατύπωση ικανών (Legendre - Jacobi) και αναγκαίων (Euler - Lagrange) συνθηκών για την εύρεση τοπικού ακρότατου ενός συναρτησιακού το οποίο εξαρτάται από μια διανυσματική συνάρτηση μιας μεταβλητής x(t), και την παράγωγο της η οποία όμως παρουσιάζει ασυνέχεια σε ένα πεπερασμένο πλήθος σημείων π.χ. J(t, x(t), x (t)). Συνθήκες εγκαρσιότητας που πρέπει να πληρούνται από τις αρχικές και τις τελικές συνθήκες της συνάρτησης x(t) ώστε να έχει ακρότατο το συναρτησιακό J(t, x(t), x (t)). Συνθήκες Weierstrass-Erdmann που πρέπει να πληρούνται στα σημεία ασυνέχειας της παραγώγου της x(t). 4
Διατύπωση αναγκαίων συνθηκών Euler-Lagrance για την ύπαρξη τοπικού ακρότατου ενός συναρτησιακού J(t, x(t), x (t)). Διατύπωση ικανών συνθηκών Legendre-Jacobi για την ύπαρξη τοπικού ακρότατου ενός συναρτησιακού J(t, x(t), x (t)). Τερματική συνθήκη/ες ή συνθήκη/ες εγκαρσιότητας και μελέτη ειδικών περιπτώσεων για τις αρχικές και τελικές τιμές της x(t). Συνθήκες Weierstrass-Erdmann για τα σημεία ασυνέχειας της παραγώγου της x(t). 5
Έστω J x = t ff t, x t, x(t) dt t 0 x 0 =: x(t 1 ) x(t + 1 ) x + 0 J x = F t ff t, x t, x(t) dt + t, x t, x(t) dt = J1 x + J 2 x t 0 Εάν x t είναι σχετικό ακρότατο της J x τότε το x t είναι σχετικό ακρότατο της J 1 x, x t 0, και της J 2 x, x, t f F x t, x, x d F dt x t, x, x = 0 6
δj x, δx = 0 δj 1 x, δx + δj 2 x, δx = 0 + F, x, x F x, x, x δx 1 + F x, x, x x δ + + + t 0 t f F x t, x, x d dt F x t, x, x δxdt 7
+ F, x, x + F x, x, x + δx 1 F x, x, x + x + δ = 0 + t 0 t f F x t, x, x d dt F x t, x, x δxdt 8
F x, x, x + F x, x, x + δx 1 + F, x, x δx 1 F x, x, x x δ 9
Περίπτωση 1 η. Τα, x είναι γραμμικά ανεξάρτητα. + F x, x, x F, x, x F, x, x + F x, x, x + F x, x, x + F x, x, x + δx 1 x x + δ = 0 10
Περίπτωση 1 η. Τα, x F t x 1, x, x είναι γραμμικά ανεξάρτητα. = F t x 1, x, x + F, x, x F, x, x + F t x 1, x, x F t x 1, x, x + x = x + F x F και F x x θα πρέπει να είναι συνεχείς στα γωνιακά σημεία. Γωνιακές Συνθήκες Weierstrass-Erdmann 11
Περίπτωση 2 η. Τα, x σχετίζονται μέσω της σχέσης x = θ. + F x, x, x F, x, x F, x, x + F x, x, x + F x, x, x + F x, x, x + δx 1 x x + δ = 0 δx 1 = θ δ 12
Περίπτωση 2 η. Τα, x σχετίζονται μέσω της σχέσης x = θ. F + t x 1, x, x F, x, x F, x, x + F t x 1, x, x + F x, x, x + F x, x, x + θ t1 δ + x x + δ = 0 13
Περίπτωση 2 η. Τα, x σχετίζονται μέσω της σχέσης x = θ. F, x, x F, x, x + Η F F x F, x, x = F, x, x + F x, x, x + F x, x, x + F x, x, x F x, x, x + x x + x θ δ = 0 θ x + θ = θ x θ θα πρέπει να είναι συνεχής στα γωνιακά σημεία. 14
Να βρεθεί ο πιο σύντομος δρόμος που ενώνει τα σημεία x 0 = 1, x 1 = 0 και έχει ασυνέχεια της παραγώγου σε ένα σημείο της καμπύλης θ t = t + 1, t 0,1. 2 J x = 0 1 1 + x(t) 2 1 2 F( x) Έχει ελάχιστο για την άκρα καμπύλη x t = c 1 t + c 2. dt x t = c 1t + c 2 t 0, c 3 t + c 4 t, 1 15
Συνοριακές Συνθήκες x 0 = c 1 0 + c 2 = 1 c 2 = 1 x 1 = c 3 1 + c 4 = 0 c 4 = c 3 Συνέχεια καμπύλης και σημεία τομής με την θ t = t + 1 2 c 1 + c 2 = c 3 + c 4 = + 1 2 16
Γωνιακές Συνθήκες Weierstrass-Erdmann F, x, x = F, x, x + 1 + x(t 1 ) 2 1 2 = 1 + x(t + 1 ) 2 1 2 F x, x, x 1 + x F x, x, x + x(t 1 ) 2 1 2 x + 1 + x(t + 1 ) 2 1 2 x x + θ x θ θ = x t + 1 θ 1 + c 1 2 1 2 c 1 1 + c 1 2 1 2 c 1 1 = 1 + c 3 2 1 2 c 3 1 + c 3 2 1 2 c 3 1 17
x 1 t = 3t + 1 t 0, 1 4 1 3 t + 1 3 t 1 4, 1 Γωνία πρόσπτωσης πάνω στην ευθεία θ t είναι ίση με την γωνία ανάκλασης. tan ω 1 = x t 1 θ 3 ( 1) = 1 + x θ 1 + ( 3)( 1) = 1 2 tan ω 2 = x t + 1 θ + 1 + x + θ + t = 1 3 ( 1) 1 1 + ( 1 = 1 3 )( 1) 2 18
Να βρεθεί συνάρτηση x t με μη συνεχείς παραγώγους σε σημεία και συνοριακές συνθήκες x 0 = 0, x 2 = 1 η οποία ελαχιστοποιεί το συναρτησιακό 0 d dt 2 x t J x = F x t, x, x 1 x t 0 2 x 2 t d dt F 1 x(t) x t F x t, x, x 2 2 x t 2 1 2 dt = 0 x t d dt 2 x t + 2 x t 3 4 x t 2 2 x t 2 + 2 x t 3 = 0 = 0 19
d dt 4 x t 3 6 x t 2 + 2 x t 12 x t 2 x t 12 x t x t = 0 ή = 0 x t + 2 x t = 0 2 x t 6 x t 2 6 x t + 1 = 0 x t = c 1 x t = c 1 t + c 2 6 x t 2 6 x t + 1 = 0 x t = 1 6 3 ± 3 x t = 1 6 3 ± 3 t + c 2 20
x 1 t = c 1 t + c 2 Συνοριακές Συνθήκες x 1 0 = 0 c 1 0 + c 2 = 0 c 2 = 0 x 1 2 = 1 c 1 2 + c 2 = 1 c 1 = 1 2 x 2 t = 1 6 3 ± 3 t + c 3 Συνοριακές Συνθήκες x 2 0 = 0 1 6 3 ± 3 0 + c 3 = 0 c 3 = 0 x 2 2 = 1 1 3 ± 3 2 + c 6 3 = 1 1 3 ± 3 = 1 2 ΑΤΟΠΟ 21
x 1 t = 1 2 t Αυστηρή συνθήκη του Legendre R t = 2 F x 2 t, x t, x t = 12 x t 2 12 x t + 2 R t = 12c 1 2 12c 1 + 2 Ασθενές τοπικό ελάχιστο R t > 0 c 1, 1 6 3 3 1 6 3 + 3, + Ασθενές τοπικό μέγιστο R t < 0 c 1 1 6 3 3, 1 6 3 + 3 J x 1 = 0 2 x 1 (t) 2 1 x 1 (t) 2 dt = 0 2 1 2 2 1 1 2 2 dt = 1 8 22
Αυστηρή συνθήκη του Jacobi P t = 2 F x 2 t, x t, x t = 0 Q t = 2 F x x t, x t, x t = 0 R t = 2 F x 2 t, x t, x t = 12c 2 1 12c 1 + 2 = c 23
Αυστηρή συνθήκη του Jacobi P t dq t dt u t d dt R t u t = c u t = 0 u t = d 1 t + d 2 0 u 0 = 0 = d 2 u 0 = 1 = d 1 d 1 = 1, d 2 = 0 και άρα η λύση είναι η u t = t 0, t 0,2. 24
Αν υποθέσουμε ότι η άκρα καμπύλη στο διάστημα 0, είναι η x 1 t = c 1 t + c 2, ενώ η άκρα καμπύλη στο διάστημα, 2 είναι η x 2 t = c 3 t + c 4. Συνοριακές συνθήκες x 1 0 = c 1 0 + c 2 = 0 c 2 = 0 x 2 2 = 2c 3 + c 4 = 1 c 4 = 1 2c 3 Συνέχεια συνάρτησης στο x 1 = c 1 + c 2 = c 3 + c 4 = x 2 c 1 = c 3 + 1 2c 3 25
F x, x, x = F x, x, x + 4 x t 3 1 6 x t 2 1 + 2 x t 1 = 4 x + t 3 1 6 x + t 2 1 + 2 x t + 1 F, x, x 4c 3 1 6c 2 1 + 2c 1 = 4c 3 3 6c 2 3 + 2c 3 F x, x, x = F, x, x + x 2 1 = x + 2 1 x = F x, x, x + x t 2 1 4 x t 3 1 6 x t 2 1 + 2 x + x t 2 1 4 x + t 3 1 6 x + t 2 1 + 2 x + x + x x + 26
c 1 2 1 c 1 2 4c 1 3 6c 1 2 + 2c 1 c 1 = c 3 2 1 c 3 2 4c 3 3 6c 3 2 + 2c 3 c 3 x 1 t = x 2 t = 1 t t 0, t 2 1 1 t t t 2 1, 2, 0 t 0,1 t 1 t 1,2, x 3 t = t t 0,1 1 t 1,2 27
Mathematica 28
οι οποίες λόγω του ότι ο συντελεστής κατεύθυνσης τους ανήκει στο διάστημα, 1 3 3 1 3 + 3, +, για τον 6 6 οποίο ο R x i > 0, i = 2,3, οδηγούν σε τοπικό ελάχιστο ίσο με J x 2 = = 0 1 J x 3 = = 0 1 0 2 x 2 t 2 1 0 2 1 0 2 dt + 0 2 x 3 t 2 1 1 2 1 1 2 dt + 1 1 x 2 2 t dt = 2 1 2 1 1 2 dt = 0 x 2 3 t dt = 2 0 2 1 0 2 dt = 0 29
30
Γενικά 31
Γενικά μπορούμε να πάμε από το σημείο (0,0) στο σημείο (2,1) με ευθείες που έχουν κλίσεις 0 και 1 t i t i+11 2 1 1 2 dt = 0 t i t i+10 2 1 0 2 dt = 0 32
Νικόλαος Καραμπετάκης, 2009, Βέλτιστος Έλεγχος Συστημάτων, Εκδόσεις Ζήτη. D.E. Kirk, 1970, Optimal Control heory, Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ. D. S. Naidu, 2002, Optimal Control Systems, CRC Press LLC. G. Erdmann, "Ueber die unstetige Lösungen in der Variationsrechnung" J. Reine Angew. Math., 82 (1877) pp. 21 30. O. Bolza, "Lectures on the calculus of variations", Chelsea, reprint (1960) (ranslated from German) L. Cesari, "Optimization - heory and applications", Springer (1983) G.M. Ewing, "Calculus of variations with applications", Dover, reprint (1985) 33
Copyright, Νικόλαος Καραμπετάκης. «. Ενότητα 7: Συναρτησιακά καμπύλων με ασυνέχεια στις παραγώγους». Έκδοση: 1.0. Θεσσαλονίκη 2014. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: http://eclass.auth.gr/courses/ocrs288/
Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά - Παρόμοια Διανομή [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί. [1] http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/
Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς το Σημείωμα Αδειοδότησης τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει) μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους.
ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΑΝΟΙΧΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΙΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ Επεξεργασία: Αναστασία Γ. Γρηγοριάδου Θεσσαλονίκη, Εαρινό εξάμηνο 2013-2014