Nevíte-li si rady s jakýmkoliv matematickým problémem, toto místo je pro vás jako dělané.
Nástěnka
❗22. 8. 2021 (L) Přecházíme zpět na doménu forum.matweb.cz!
❗04.11.2016 (Jel.) Čtete, prosím, před vložení dotazu, děkuji!
❗23.10.2013 (Jel.) Zkuste před zadáním dotazu použít některý z online-nástrojů, konzultovat použití můžete v sekci CAS.
Nejste přihlášen(a). Přihlásit
Dobrý den,
já vím, v pravidlech se jasně píše, že fórum nesmí být použito jako "automat na řešení celých příkladů", já vím.
Nicméně.
Narazil jsem na závažný problém, kde si nevím rady.
Je to slovní úloha na variační počet:
Žvýkačka je připevněná na okraje čtvercového rámečku o hranách délky 1, jehož rohy jsou v bodech (0,0), (1,0), (1,1), (0,1). V termodynamické rovnováze žvýkačka zaujme minimální povrch. Nicméně z povětrnostních důvodů má omezení
kde u(x,y) označuje výšku povrchu žvýkačky nad rovinou rámečku. Jaký přibližně tvar žvýkačka zaujme?
*
Moje úvaha:
Je to jasný variační počet, úloha na hledání extremály s vazbou, kde vazba je dána tím hrozivým dvojným integrálem.
I bez povětrnostních vlivů určitě nebude určitě žvýkačka napnutá v celém ohraničujícím čtverci všude stejně a pravděpodobně ani nebude mít v celé ploše stejnou tloušťku. Nejsem si jistý, jestli bude nejvíce napjatá uprostřed "blány", nebo naopak u okrajů rámečku.
Nevím, jaký tato komplikovaně zadaná vazba může mít vliv na tvar žvýkačky. Podle mě by za "normálních" povětrnostních podmínek měl na "blánu" žvýkačky "foukat vítr", čímž tu "blánu" vychýlí, "nafoukne" do jednoho směru. "Zdravý lidský rozum ("ZLR")" mi říká, že by se ta žvýkačka měla zdeformovat nejpravděpodobněji do tvaru jakési "prostorové Gaussovy křivky", nebo jak to nazvat. Tedy že nejvychýlenější bude ta "blána" přesně uprostřed a směrem k okrajům se výchylka zmenší.
Jenže takováhle komplikovaně zadaná vazba může znamenat úplně jiný směr a rozložení "větru", než je "normální vítr".
Navíc tento výraz označuje pouze "vazbu", ale na vyřešení celé úlohy je zřejmě nezbytné znát funkcionál této variační úlohy, což dává další problém - jak popsat nějakým funkcionálem toto slovní zadání ("Žvýkačka je připevněná na okraje čtvercového rámečku o hranách délky 1...").
Myslím, že úloha by měla být řešitelná i bez znalosti diferenciálních rovnic pro řešení membrány (takovou ani neznám).
*
Doufám, že takto podaný problém není jen netolerovaným dotazem "tady je zadání příkladu, napište mi řešení".
Budu rád za jakoukoli radu, nápad.
Offline
Nápad: ten rámeček se žvýkačkou, i když zatím neznám působení vazby, nemusí být nutně kolmo ke směru větru, ale může být různě natočen, případně být rovnoběžný se směrem větru. Pak bychom dosáhli "šikmého", resp. žádného "vyboulení".
Offline
↑ 2M70:
Ahoj, ja bych hledal funkci u ve tvaru
.
Tim bude zajisteno "prichyceni" ke stranam ramecku. Povetrnostni omezeni pak daji hodnotu
.
Zbyle koeficienty
bych urcil minimalizaci funkcionalu
, kde 
tzn.
pro vsechna 
...asi to pak ale bude nejaka oskliva soustava nelinearnich integralnich rovnic :./
Offline
Ahojte
↑ 2M70:
k tomu šialenému integrálu
2M70 napsal(a):
V termodynamické rovnováze žvýkačka zaujme minimální povrch.
t.j. žuvačka bude natiahnutá v rovine rámčeka, a teda by bolo
keďže povrch žuvačky sa nachádza v rovine rámčeka, t.j. má všade nulovú výšku. Väzba
hovorí len toľko že z tejto roviny bude žuvačka mierne vychýlená a prípustný stavový priestor
pre hľadanie optimálnej polohy bude taký, že objem medzi plochou žuvačky a rovinou rámčeka bude
v určitom zmysle konštantný; pričom najväčšiu váhu vo väzbe má výška žuvačky nad povrchom rámčeka okolo stredu.
Váha
Zároveň sa zdá že pôjde o veľmi malé vychýlenie keďže objem pod vychýlením je maličký (0.01) oproti ploche rámčeka.
2M70 napsal(a):
I bez povětrnostních vlivů určitě nebude určitě žvýkačka napnutá v celém ohraničujícím čtverci všude stejně a pravděpodobně ani nebude mít v celé ploše stejnou tloušťku. Nejsem si jistý, jestli bude nejvíce napjatá uprostřed "blány", nebo naopak u okrajů rámečku.
Týmto by som sa netrápil vôbec, pokiaľ nie je uvedené inak, predpokladal by som homogénnosť žuvačky
a rovnomernú napätosť pozdĺž celej plochy žuvačky. Okrem toho v týchto úlohách, hlavne v cvičeniach pre nejaký
kurz sa predpokladá membrána takmer vždy nekonečne tenká.
2M70 napsal(a):
Nevím, jaký tato komplikovaně zadaná vazba může mít vliv na tvar žvýkačky. Podle mě by za "normálních" povětrnostních podmínek měl na "blánu" žvýkačky "foukat vítr", čímž tu "blánu" vychýlí, "nafoukne" do jednoho směru. "Zdravý lidský rozum ("ZLR")" mi říká, že by se ta žvýkačka měla zdeformovat nejpravděpodobněji do tvaru jakési "prostorové Gaussovy křivky", nebo jak to nazvat. Tedy že nejvychýlenější bude ta "blána" přesně uprostřed a směrem k okrajům se výchylka zmenší.
Nafúknutie v jednom smere je pekná predstava čo sa týka sledovania výšky žuvačky nad povrchom rámčeka.
Žuvačka sa ale nafukuje trojrozmerne, nie len v smere jednej osi; taký predpoklad by mohol viesť k úlohe bez riešenia.
Skôr sa mi zdá že princíp ZLR ktorý spomínaš bude rozumnejší. Tým že je žuvačka prichytená o rámček má
určite najviac slobody na deformáciu v strede rámčeka. V závislosti od sily a smeru vetra (ktoré nepoznáme)
sa tento tvar pravdepodobne od stredu vychýli, ale keďže ide o malú deformáciu a teda malú pôsobiacu externú silu,
predpokladal by som že sa veľmi "vyboulení" od stredu neposunie.
2M70 napsal(a):
Jaký přibližně tvar žvýkačka zaujme?
Táto veta evokuje že úlohu možno netreba riešiť úplne presne hľadaním funkcionálu, ale možno len rozobrať situáciu.
Presné riešenie pravdepodobne nebude ďaleko od toho čo píšem vyššie pod komentom k ZLR.
Čo ma napadá pre presné riešenie je jedine minimalizovať potenciálnu energiu žuvačky v stavovom priestore
ohraničenom väzbou. Možnože nejaká verzia Hooke-ovho zákona by pomohla odvodiť funkcionál (nie lineárna)
ale k tomu je potrebné poznať vonkajšiu silu pôsobiacu na žuvačku.
Takže mi to príde že na presné riešenie nemáš dosť dát ale môžem byť samozrejme mimo.
Offline
↑ jardofpr:
Ahojte,
díky moc za detailní a vyčerpávající rozbor problému !!!
Asi bude opravdu nejlepší nějaký teoretický popis toho, co udělá vítr s napnutoou žvýkačkou.
Zbývá snad už jen "dekódovat" ten integrál. Za předpokladu, že výška nad rovinou rámečku má největší váhu, tak je tato výška velmi malá.
Napadá mě, že sinus je v reálném případě vždy maximálně 1. Ale nevím, proč je v integrandu ten součin sinů vlastně uveden.
A shrnutí - jaký tvar bude mít nejpravděpodobněji ta žvýkačka, na kterou "fouká vítr"?
Offline
2M70 napsal(a):
Asi bude opravdu nejlepší nějaký teoretický popis toho, co udělá vítr s napnutoou žvýkačkou.
To záleží od toho ako to máte riešiť, len to slovo "približne" mi pripadá že sa nemusí myslieť priame riešenie.
2M70 napsal(a):
Napadá mě, že sinus je v reálném případě vždy maximálně 1. Ale nevím, proč je v integrandu ten součin sinů vlastně uveden.
Na to sa môžeš pozerať ako na niečo čo vyplynulo zo skúmania poveternostných podmienok ktoré potom viedli
k spomenutej väzbe. Na odpoveď prečo tam tento súčin je by to chcelo vidieť zdôvodnenie.
2M70 napsal(a):
A shrnutí - jaký tvar bude mít nejpravděpodobněji ta žvýkačka, na kterou "fouká vítr"?
Uvádzam dva príklady funkcie
ktoré spĺňajú väzbu a mohli by predstavovať priehyb žuvačky pod rôznym
smerom vetra. Môžeš sa presvedčiť že väzbu spĺňajú výpočtom integrálu.
Napr. pri vetre kolmom na rovinu rámčeka by to mohlo vyzerať nejak takto
Obrázok
Pri vetre zo strany trebárs nejak takto, viac-menej vychýlenie stredu.
Obrázok
Tieto samozrejme sú našité na to aby vyzerali ako prehnutá membrána približne ale nie sú vytvorené
pod nejakým konkrétnym elastickým zákonom,t.j. len na ukážku.
Myslím si že by to malo vyzerať zhruba nejak podobne, intuitívne teda.
Na obrázku keď si všimneš mierku na osiach tak naozaj pôjde o maličké vychýlenie aby bola väzba splnená.
Otázkou ale stále je či to máte spočítať alebo odhadnúť.
Offline
↑ jardofpr:
Vzhledem k tomu, že je v tom zadání "jaký tvar PŘIBLIŽNĚ zaujme" a vzhledem ke komplikovanosti výpočtů bude zřejmě stačit nějak dostatečně popsat tvar té žvýkačky, ovšem bude to chtít nějak dostatečně zdůvodnit, byť třeba na základě výpočtů. Začal bych asi tak, že jde o úlohu variačního počtu a jde nám o to, aby měla žvýkačka za daných podmínek nejmenší povrch.
Ty výrazy pro u(x,y) jsou výpočty toho "vazbového" integrálu získané nějak výpočtem ve Wolframu? Divím se, že integrál šlo tak explicitně vyřešit.
Offline
↑ laszky:
Ahoj, když se nad tím zamyslím, tak i kdyby oba siny byly 1, tak je ta výchylka maximálně 1/25 = 0,04 a hrany rámečku jsou délky 1, takže to vychýlení je řádově menší a to vyboulení bude sotva patrné, i když nějaké bude.
Offline
↑ laszky:
Teď jsem si všiml - ten "tip" je velmi dobrý -
dosadím x = 0 nebo y = 0, dostanu sin 0 = 0,
nebo dosadím x = 1 nebo y = 1, dostanu taky sinus pí = 0,
což vynuluje celý vztah pro výchylku, tj. u(x,y) = 0.
Čili u hran čtverce rámečku je žvýkačka opravdu nevychýlená, což vlastně dává i "ZLR".
Offline
↑ 2M70:
Ano, tak to bylo zvolene. To plati pro libovolnou funkci
,
.
Navic v tomto pripade je uloha x-y symetricka, takze staci uvazovat pouze funkce
, 
Protoze dale plati
pro 
a
,
je jasne, ze vazebna podminka bude splnena, pro libovolnou funkci
Vypoctem jsem zjistil (pozadavek minimalniho povrchu), ze dale bude
,
.
Offline
Nějak mi není jasná ta řada napravo a koeficienty 
a koeficienty u u(x,y), tedy 
Je mi divné, že funkcí u(x,y) je více než jedna.
A ještě nevím, jak se došlo k hodnotě 1/4 ve vztahu
Ale něco mě napadlo -
uprostřed plochy je x = 1/2 a y = 1/2,
tím dostávám
čímž se integrál redukuje na
Offline
↑ 2M70:

![kopírovat do textarea $=\left(\int_{0}^{1}\sin^2(\pi x)\,\mathrm{d}x\right)^2 = \left(\int_{0}^{1}\frac{1-\cos(2\pi x)}{2}\mathrm{d}x\right)^2 = \left(\left[\frac{x}{2}-\frac{\sin(2\pi x)}{4\pi}\right]_0^1\right)^2 = \left(\frac{1}{2}\right)^2=\frac{1}{4}$](/mathtex/43/438f6772113fbb561bc9b550b1b5c9b5.gif)
Oproti tomu pro
je

![kopírovat do textarea $=\left(-\frac{1}{2}\left[\frac{\sin((k+1)\pi x)}{(k+1)\pi}-\frac{\sin((k-1)\pi x)}{(k-1)\pi}\right]_0^1\right)^2=0$](/mathtex/e9/e95981a87a4f2220ce3c72d0fd9b6f0e.gif)
Pokud tedy funkci
hledame jako linearni kombinaci funkci
, tj.
,
,
potom 

ke splneni vazebne podminky staci zvolit
, zbyla
,
, mohou byt libovolna.
Presnou hodnotu
, urcime tak, aby byl povrch zvykacky minimalni.
Offline
↑ 2M70:
je jedina,
je nekonecne mnoho.
Ale je to jako kdyby resenim nejakeho problemu byla napr. funkce
, kterou lze zapsat jako
a tys tvrdil, ze te prekvapuje, ze tam jsou nejake funkce
, dokonce nekonecne mnoho. :-)
Offline
↑ laszky:
Tak to se omlouvám, jestli to tak vypadá, ale opravdu to tak není a jen mi některé kroky výpočtů nejsou úplně zřejmé. Nevylučuji, že jsem trochu "natvrdlý" :-).
Pokud se nebudeš moc zlobit, zeptal bych se na snad už poslední otázku - jak zdůvodním zavedení parametru
? Když to napíšu jen tak bez zdůvodnění, budu pak marně vysvětlovat, jak jsem si to "vycucal z prstu" :-).
Offline