กลับไปหน้าบทความ

อ่าน 6 นาที

ข้อจำกัดแบบ Pfaffian

CS1 แหล่งที่มาภาษาฝรั่งเศส (fr)/CS1 แหล่งที่มาภาษาเยอรมัน (de)/แหล่งที่มาของภาษาละติน CS1 (la)/CS1 maint: พารามิเตอร์การทำงานที่มี ISBN/ทฤษฎีการควบคุม/จลนศาสตร์ของหุ่นยนต์

ที่ไหนแอล{\displaystyle L}คือจำนวนสมการในระบบข้อจำกัด และเอรส,เอร{\displaystyle A_{rs},A_{r}}เป็นฟังก์ชันของที,คุณ1,…,คุณn{\displaystyle t,u_{1},\dots ,u_{n}}เท่านั้น...

ข้อจำกัดแบบ Pfaffian

ในทางพลศาสตร์ข้อจำกัดแบบ Pfaffianเป็นวิธีหนึ่งในการอธิบายระบบพลศาสตร์ในรูปแบบ:

=1nเอคุณ+เอที=0;=1,,แอล{\displaystyle \sum _{s=1}^{n}A_{rs}du_{s}+A_{r}dt=0;\;r=1,\ldots ,L}[ 1 ]

ที่ไหนแอล{\displaystyle L}คือจำนวนสมการในระบบข้อจำกัด และเอ,เอ{\displaystyle A_{rs},A_{r}}เป็นฟังก์ชันของที,คุณ1,,คุณn{\displaystyle t,u_{1},\dots ,u_{n}}เท่านั้น กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ เป็นรูปแบบเดียวบนอาร์1+n{\displaystyle \mathbb {R} ^{1+n}}.

ประเภท

ข้อจำกัดแบบ Pfaffian สามารถหาปริพันธ์ได้ก็ต่อเมื่อเป็นข้อจำกัดแบบ holonomicเท่านั้น มิฉะนั้นจะไม่สามารถหาปริพันธ์ได้หรือ เป็นข้อ จำกัดแบบ nonholonomic

ข้อจำกัดแบบ Pfaffian เรียกว่าscleronomousหรือscleronomicก็ต่อเมื่อสัมประสิทธิ์เอ,เอ{\displaystyle A_{rs},A_{r}}ไม่ขึ้นอยู่กับเวลา มิฉะนั้นจะเป็นแบบรีโอโนมัสหรือรีโอโนมิ

ข้อจำกัดแบบ Pffafian จะเป็นแบบ acatastaticก็ต่อเมื่อเอ=0{\displaystyle A_{r}=0}มิเช่นนั้นแล้ว มันจะ นำไป สู่หายนะ

สิ่งเหล่านี้รวมกันแล้วก่อให้เกิดข้อจำกัดแบบ Pffafian 8 ประเภท ซึ่งทั้งหมดเป็นไปได้: {ไม่สามารถหาปริพันธ์ได้, สามารถหาปริพันธ์ได้} × {scleronomous, rheonomous} × {acatastatic, catastatic}

ระบบข้อจำกัดแบบ Pffafian จะเรียกว่า scleronomous/acatastic ก็ต่อเมื่อข้อจำกัดทั้งหมดของระบบนั้นเป็น scleronomous/acatastic

ข้อจำกัดแบบ Pfaffian ตั้งชื่อตามJohann Friedrich Pfaffผู้ศึกษาปัญหาของ Pfaff : จงหาเงื่อนไขที่จำเป็นและเพียงพอสำหรับระบบข้อจำกัดแบบ Pfaffian ที่สามารถหาปริพันธ์ได้ ในปี 1815 Pfaff ได้ตีพิมพ์วิธีการทั่วไปในการหาปริพันธ์ของสมการเชิงอนุพันธ์ย่อยอันดับหนึ่ง (PDE) แนวคิดคือการแปลง PDE ดังกล่าวให้เป็นรูปแบบที่สามารถหาปริพันธ์ได้n{\displaystyle n}ตัวแปรไปยังฟอร์ม 1ω{\displaystyle \omega }ในn/2{\displaystyle \lceil n/2\rceil }ตัวแปร จากนั้นทำการอินทิเกรตω{\displaystyle \omega }[ 2 ] [ 3 ]ปัญหานี้มีความสำคัญในการพัฒนาเรขาคณิตเชิงอนุพันธ์สมัยใหม่[ 4 ] [ 5 ]เหตุการณ์สำคัญ ได้แก่ ( Clebsch , 1866), [ 6 ] ( Frobenius , 1877), [ 7 ] ( Darboux , 1882), [ 8 ] ( Cartan , 1899) [ 9 ]ดู เงื่อนไขความสามารถในการหา ปริพันธ์สำหรับระบบเชิงอนุพันธ์เพื่อหาคำตอบ

ปัญหาของ Pfaff นั้นไม่ใช่เรื่องง่าย เพราะเป็นไปได้ที่ข้อจำกัดที่ไม่เป็นไปตามหลักโฮโลโนมิกสองข้อจะรวมกันแล้วสร้างระบบข้อจำกัดที่เป็นไปตามหลักโฮโลโนมิกได้ ตัวอย่างเช่น บนอาร์3{\displaystyle \mathbb {R} ^{3}}แบบฟอร์ม 1yzx=0{\displaystyle dy-zdx=0}และy(z+1)x=0{\displaystyle dy-(z+1)dx=0}ทั้งสองเป็นรูปแบบสัมผัสดังนั้นจึงไม่สามารถหาปริพันธ์ได้สูงสุด แต่ระบบที่ประกอบด้วยทั้งสองรูปแบบนี้สามารถหาปริพันธ์ได้ โดยที่ระนาบปริพันธ์ของระบบนั้นคือเส้นตรงที่ขนานกับแกนz

ข้อจำกัดโฮโลโนมิก

เมื่อกำหนดระบบโฮโลโนมิกที่อธิบายโดยชุดสมการข้อจำกัดโฮโลโนมิก แล้ว

เอฟ(คุณ1,คุณ2,คุณ3,,คุณn,ที)=0;=1,,แอล{\displaystyle f_{r}(u_{1},u_{2},u_{3},\ldots ,u_{n},t)=0;\;r=1,\ldots ,L}

ที่ไหน{คุณ1,คุณ2,คุณ3,,คุณn}{\displaystyle \{u_{1},u_{2},u_{3},\ldots ,u_{n}\}}คือพิกัดทั่วไปn ตัว ที่อธิบายระบบ และโดยที่แอล{\displaystyle L}คือจำนวนสมการในระบบข้อจำกัด เราสามารถหาอนุพันธ์โดยใช้กฎลูกโซ่สำหรับแต่ละสมการได้:

=1nเอฟคุณคุณ+เอฟทีที=0;=1,,แอล{\displaystyle \sum _{s=1}^{n}{\frac {\partial f_{r}}{\partial u_{s}}}du_{s}+{\frac {\partial f_{r}}{\partial t}}dt=0;\;r=1,\ldots ,L}

ข้อจำกัดแบบ Pfaffian สามารถแสดงได้ในรูปของสนามของพื้นผิวที่มีขนาด

ข้อจำกัดแบบนอนโฮโลโนมิก

ถ้าข้อจำกัดนั้นเป็นแบบไม่โฮโลโนมิก แต่เป็นอันดับแรกในความเร็ว ก็สามารถเขียนในรูปแบบแพฟเฟียนได้เช่นกัน นั่นคือ ถ้าในแต่ละเอฟ(คุณ1,คุณ2,คุณ3,,คุณn,คุณ˙1,,คุณ˙n,ที)=0;=1,,แอล{\displaystyle f_{r}(u_{1},u_{2},u_{3},\ldots ,u_{n},{\dot {u}}_{1},\dots ,{\dot {u}}_{n},t)=0;\;r=1,\ldots ,L}เงื่อนไขที่เกี่ยวข้องคุณ˙{\displaystyle {\dot {u}}}ถ้าเงื่อนไขเหล่านั้นเป็นเชิงเส้น ก็จะเป็นข้อจำกัดแบบ Pfaffian ตัวอย่างเช่นคุณ˙1คอสคุณ3คุณ˙2บาปคุณ31=0{\displaystyle {\dot {u}__{1}\cos u_{3}-{\dot {u}__{2}\sin u_{3}-1=0}เทียบเท่ากับคุณ1คอสคุณ3คุณ2บาปคุณ3ที=0{\displaystyle du_{1}\cos u_{3}-du_{2}\sin u_{3}-dt=0}.

ข้อจำกัดที่ไม่ใช่แบบ Pfaffian

ถ้าข้อจำกัดนั้นไม่ใช่ข้อจำกัดอันดับแรกของความเร็ว โดยทั่วไปแล้วมันจะไม่ใช่ข้อจำกัดแบบ Pfaffian ตัวอย่างเช่น ข้อจำกัดความเร็วคงที่คุณ˙12+คุณ˙221=0{\textstyle {\dot {u}__{1}^{2}+{\dot {u}__{2}^{2}-1=0}ไม่ใช่แบบ Pfaffian ในทำนองเดียวกันคุณ˙1คุณ˙21=0{\displaystyle {\dot {u}__{1}{\dot {u}__{2}-1=0}ไม่ใช่สไตล์ของ Pfaff

ถ้าข้อจำกัดเป็นอสมการ ก็จะไม่ใช่ข้อจำกัดแบบ Pfaffian ตัวอย่างเช่น ข้อจำกัดสำหรับลูกตุ้มที่มีเชือกอ่อนยาวแอล{\displaystyle L}เป็นx2+y2แอล2{\displaystyle x^{2}+y^{2}\leq L^{2}}.

ถ้าข้อจำกัดนั้นไม่ราบเรียบ ก็จะไม่ใช่ข้อจำกัดแบบ Pfaffian

ถ้าข้อจำกัดไม่ได้จำกัดอยู่แค่ตำแหน่งและความเร็ว โดยทั่วไปแล้วมันจะไม่เป็นไปตามกฎของ Pfaff อย่างไรก็ตาม มันอาจเทียบเท่ากับกฎของ Pfaff ก็ได้ ตัวอย่างเช่น พิจารณาอนุภาคที่เคลื่อนที่บนระนาบ ถ้ามันถูกจำกัดให้มีความโค้งคงที่แล้วy¨x˙x¨y˙=κ(x˙2+y˙2)3/2{\displaystyle {\ddot {y}}{\dot {x}}-{\ddot {x}}{\dot {y}}=\kappa \left({\dot {x}}^{2}+{\dot {y}}^{2}\right)^{3/2}}และมันเกี่ยวข้องกับการเร่งความเร็ว อย่างไรก็ตาม หากเราต้องการให้อนุภาคมีความเร็วที่ราบเรียบและไม่เป็นศูนย์ อนุภาคก็จะเคลื่อนที่บนวงกลม และด้วยเหตุนี้จึงเป็นข้อจำกัดแบบโฮโลโนมิก

ตัวอย่าง

ลูกตุ้ม

ลูกตุ้ม

ลองพิจารณาลูกตุ้ม เนื่องจากข้อจำกัดในการเคลื่อนที่ของน้ำหนักโดยแขนของลูกตุ้ม เวกเตอร์ความเร็วจึงเป็น...วี{\displaystyle {\overrightarrow {V}}}แรงของน้ำหนักจะต้องตั้งฉากกับเวกเตอร์ตำแหน่งตลอดเวลาแอล{\displaystyle {\overrightarrow {L}}}เนื่องจากเวกเตอร์เหล่านี้ตั้งฉากกันเสมอผลคูณดอทของเวกเตอร์จึงต้องเป็นศูนย์ ทั้งตำแหน่งและความเร็วของมวลสามารถกำหนดได้ในรูปของเวกเตอร์x{\displaystyle x}-y{\displaystyle y}ระบบพิกัด:

แอลวี=[xy][x˙y˙]=0{\displaystyle {\overrightarrow {L}}\cdot {\overrightarrow {V}}={\begin{bmatrix}x\\y\end{bmatrix}}\cdot {\begin{bmatrix}{\dot {x}}\\{\dot {y}}\end{bmatrix}}=0}

เมื่อทำให้ผลคูณดอทง่ายขึ้นจะได้:

xx˙+yy˙=xxที+yyที=0{\displaystyle x{\dot {x}}+y{\dot {y}}=x{\frac {{\text{d}}x}{{\text{d}}t}}+y{\frac {{\text{d}}y}{{\text{d}}t}}=0}

เราคูณทั้งสองข้างด้วยที{\displaystyle {\text{d}}t}ส่งผลให้สมการข้อจำกัดอยู่ในรูปแบบ Pfaffian ดังนี้:

xx+yy=0{\displaystyle x{\text{d}}x+y{\text{d}}y=0}

รูปแบบ Pfaffian นี้มีประโยชน์ เนื่องจากเราสามารถอินทิเกรตมันเพื่อแก้สมการข้อจำกัดแบบโฮโลโนมิกของระบบได้ หากมีอยู่ ในกรณีนี้ การอินทิเกรตค่อนข้างง่าย:

xx+yy=0=x2+y2+ซี{\displaystyle \int x{\text{d}}x+\int y{\text{d}}y=0=x^{2}+y^{2}+C}

โดยที่ C คือค่าคงที่ของการอินทิเกร

และตามธรรมเนียม เราอาจเขียนได้ดังนี้:

x2+y2=แอล2{\displaystyle x^{2}+y^{2}=L^{2}}

คำศัพท์แอล2{\displaystyle L^{2}}ยกกำลังสองเพียงเพราะมันต้องเป็นจำนวนบวก เนื่องจากเป็นระบบทางกายภาพมิติทั้งหมดจึงต้องเป็นจำนวนจริง ที่จริงแล้วแอล{\displaystyle L}คือความยาวของแขนลูกตุ้ม

หุ่นยนต์

ในการวางแผนการเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์ ข้อจำกัด แบบPfaffianคือชุดของข้อจำกัดk ข้อจำกัด ที่เป็นอิสระเชิงเส้นและเป็นเชิงเส้นตามความเร็ว กล่าวคือ มีรูปแบบดังนี้เอ(q)q˙=0{\displaystyle A(q)\,{\dot {q}}=0}แหล่งที่มาหนึ่งของข้อจำกัดของ Pfaffian คือการกลิ้งโดยไม่ลื่นไถลใน หุ่น ยนต์ล้อเลื่อน[ 10 ]

ล้อหมุน

ล้อตั้งตรงบนระนาบ (บางครั้งอาจนึกภาพเป็นจักรยานล้อเดียวหรือเหรียญตั้งตรงที่กลิ้งอยู่) เป็นระบบที่ไม่ใช่โฮโลโนมิกที่มีข้อจำกัดแบบ Pfaffian เพียงข้อเดียว

อนุญาตθ{\displaystyle \theta }มุมการบังคับเลี้ยวสัมพันธ์กับx{\displaystyle x}แกน และx{\displaystyle x}และy{\displaystyle y}ให้ เป็นตำแหน่งที่ล้อสัมผัสกับระนาบ เนื่องจากล้อสามารถเคลื่อนที่ได้เฉพาะในทิศทางที่มันชี้ไปเท่านั้น เราจึงได้ข้อจำกัดx˙บาปθy˙คอสθ=0{\displaystyle {\dot {x}}\sin \theta -{\dot {y}}\cos \theta =0}เนื่องจากเป็นรูปแบบ 1มิติ ข้อจำกัดจึงเป็นดังนี้ω:=xบาปθyคอสθ{\displaystyle \omega :=dx\sin \theta -dy\cos \theta }

ดึงข้อมูลมาจาก " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Pfaffian_constraint&oldid=1322815284 "

สรุปเนื้อหา

ข้อมูลสำคัญจากบทความ

ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ ข้อจำกัดแบบ Pfaffian

ที่ไหนแอล{\displaystyle L}คือจำนวนสมการในระบบข้อจำกัด และเอรส,เอร{\displaystyle A_{rs},A_{r}}เป็นฟังก์ชันของที,คุณ1,…,คุณn{\displaystyle t,u_{1},\dots ,u_{n}}เท่านั้น...

ประเภท

ข้อจำกัดแบบ Pfaffian สามารถหาปริพันธ์ได้ก็ ต่อเมื่อเป็น ข้อจำกัดแบบ holonomic เท่านั้น มิฉะนั้น จะไม่สามารถหาปริพันธ์ได้ หรือ เป็นข้อ จำกัด แบบ nonholonomic

ข้อจำกัดโฮโลโนมิก

เมื่อกำหนดระบบโฮโลโนมิกที่อธิบายโดยชุดสมการข้อจำกัด โฮโลโนมิก แล้ว

ข้อจำกัดแบบนอนโฮโลโนมิก

ถ้าข้อจำกัดนั้นเป็นแบบไม่โฮโลโนมิก แต่เป็นอันดับแรกในความเร็ว ก็สามารถเขียนในรูปแบบแพฟเฟียนได้เช่นกัน นั่นคือ ถ้าในแต่ละ เอฟ ร ( คุณ 1 , คุณ 2 , คุณ 3 , … , คุณ n , คุณ ˙ 1 , … , คุณ ˙ n , ที ) = 0 ; ร = 1 , … , แอล {\displaystyle...