ข้อจำกัดแบบ Pfaffian
ในทางพลศาสตร์ข้อจำกัดแบบ Pfaffianเป็นวิธีหนึ่งในการอธิบายระบบพลศาสตร์ในรูปแบบ:
ที่ไหนคือจำนวนสมการในระบบข้อจำกัด และเป็นฟังก์ชันของเท่านั้น กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ เป็นรูปแบบเดียวบน.
ประเภท
ข้อจำกัดแบบ Pfaffian สามารถหาปริพันธ์ได้ก็ต่อเมื่อเป็นข้อจำกัดแบบ holonomicเท่านั้น มิฉะนั้นจะไม่สามารถหาปริพันธ์ได้หรือ เป็นข้อ จำกัดแบบ nonholonomic
ข้อจำกัดแบบ Pfaffian เรียกว่าscleronomousหรือscleronomicก็ต่อเมื่อสัมประสิทธิ์ไม่ขึ้นอยู่กับเวลา มิฉะนั้นจะเป็นแบบรีโอโนมัสหรือรีโอโนมิก
ข้อจำกัดแบบ Pffafian จะเป็นแบบ acatastaticก็ต่อเมื่อมิเช่นนั้นแล้ว 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 ดังกล่าวให้เป็นรูปแบบที่สามารถหาปริพันธ์ได้ตัวแปรไปยังฟอร์ม 1ในตัวแปร จากนั้นทำการอินทิเกรต[ 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 บนแบบฟอร์ม 1และทั้งสองเป็นรูปแบบสัมผัสดังนั้นจึงไม่สามารถหาปริพันธ์ได้สูงสุด แต่ระบบที่ประกอบด้วยทั้งสองรูปแบบนี้สามารถหาปริพันธ์ได้ โดยที่ระนาบปริพันธ์ของระบบนั้นคือเส้นตรงที่ขนานกับแกนz
ข้อจำกัดโฮโลโนมิก
เมื่อกำหนดระบบโฮโลโนมิกที่อธิบายโดยชุดสมการข้อจำกัดโฮโลโนมิก แล้ว
ที่ไหนคือพิกัดทั่วไปn ตัว ที่อธิบายระบบ และโดยที่คือจำนวนสมการในระบบข้อจำกัด เราสามารถหาอนุพันธ์โดยใช้กฎลูกโซ่สำหรับแต่ละสมการได้:
ข้อจำกัดแบบ Pfaffian สามารถแสดงได้ในรูปของสนามของพื้นผิวที่มีขนาด
ข้อจำกัดแบบนอนโฮโลโนมิก
ถ้าข้อจำกัดนั้นเป็นแบบไม่โฮโลโนมิก แต่เป็นอันดับแรกในความเร็ว ก็สามารถเขียนในรูปแบบแพฟเฟียนได้เช่นกัน นั่นคือ ถ้าในแต่ละเงื่อนไขที่เกี่ยวข้องถ้าเงื่อนไขเหล่านั้นเป็นเชิงเส้น ก็จะเป็นข้อจำกัดแบบ Pfaffian ตัวอย่างเช่นเทียบเท่ากับ.
ข้อจำกัดที่ไม่ใช่แบบ Pfaffian
ถ้าข้อจำกัดนั้นไม่ใช่ข้อจำกัดอันดับแรกของความเร็ว โดยทั่วไปแล้วมันจะไม่ใช่ข้อจำกัดแบบ Pfaffian ตัวอย่างเช่น ข้อจำกัดความเร็วคงที่ไม่ใช่แบบ Pfaffian ในทำนองเดียวกันไม่ใช่สไตล์ของ Pfaff
ถ้าข้อจำกัดเป็นอสมการ ก็จะไม่ใช่ข้อจำกัดแบบ Pfaffian ตัวอย่างเช่น ข้อจำกัดสำหรับลูกตุ้มที่มีเชือกอ่อนยาวเป็น.
ถ้าข้อจำกัดนั้นไม่ราบเรียบ ก็จะไม่ใช่ข้อจำกัดแบบ Pfaffian
ถ้าข้อจำกัดไม่ได้จำกัดอยู่แค่ตำแหน่งและความเร็ว โดยทั่วไปแล้วมันจะไม่เป็นไปตามกฎของ Pfaff อย่างไรก็ตาม มันอาจเทียบเท่ากับกฎของ Pfaff ก็ได้ ตัวอย่างเช่น พิจารณาอนุภาคที่เคลื่อนที่บนระนาบ ถ้ามันถูกจำกัดให้มีความโค้งคงที่แล้วและมันเกี่ยวข้องกับการเร่งความเร็ว อย่างไรก็ตาม หากเราต้องการให้อนุภาคมีความเร็วที่ราบเรียบและไม่เป็นศูนย์ อนุภาคก็จะเคลื่อนที่บนวงกลม และด้วยเหตุนี้จึงเป็นข้อจำกัดแบบโฮโลโนมิก
ตัวอย่าง
ลูกตุ้ม

ลองพิจารณาลูกตุ้ม เนื่องจากข้อจำกัดในการเคลื่อนที่ของน้ำหนักโดยแขนของลูกตุ้ม เวกเตอร์ความเร็วจึงเป็น...แรงของน้ำหนักจะต้องตั้งฉากกับเวกเตอร์ตำแหน่งตลอดเวลาเนื่องจากเวกเตอร์เหล่านี้ตั้งฉากกันเสมอผลคูณดอทของเวกเตอร์จึงต้องเป็นศูนย์ ทั้งตำแหน่งและความเร็วของมวลสามารถกำหนดได้ในรูปของเวกเตอร์-ระบบพิกัด:
เมื่อทำให้ผลคูณดอทง่ายขึ้นจะได้:
เราคูณทั้งสองข้างด้วยส่งผลให้สมการข้อจำกัดอยู่ในรูปแบบ Pfaffian ดังนี้:
รูปแบบ Pfaffian นี้มีประโยชน์ เนื่องจากเราสามารถอินทิเกรตมันเพื่อแก้สมการข้อจำกัดแบบโฮโลโนมิกของระบบได้ หากมีอยู่ ในกรณีนี้ การอินทิเกรตค่อนข้างง่าย:
โดยที่ C คือค่าคงที่ของการอินทิเกรต
และตามธรรมเนียม เราอาจเขียนได้ดังนี้:
คำศัพท์ยกกำลังสองเพียงเพราะมันต้องเป็นจำนวนบวก เนื่องจากเป็นระบบทางกายภาพมิติทั้งหมดจึงต้องเป็นจำนวนจริง ที่จริงแล้วคือความยาวของแขนลูกตุ้ม
หุ่นยนต์
ในการวางแผนการเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์ ข้อจำกัด แบบPfaffianคือชุดของข้อจำกัดk ข้อจำกัด ที่เป็นอิสระเชิงเส้นและเป็นเชิงเส้นตามความเร็ว กล่าวคือ มีรูปแบบดังนี้แหล่งที่มาหนึ่งของข้อจำกัดของ Pfaffian คือการกลิ้งโดยไม่ลื่นไถลใน หุ่น ยนต์ล้อเลื่อน[ 10 ]
ล้อหมุน
ล้อตั้งตรงบนระนาบ (บางครั้งอาจนึกภาพเป็นจักรยานล้อเดียวหรือเหรียญตั้งตรงที่กลิ้งอยู่) เป็นระบบที่ไม่ใช่โฮโลโนมิกที่มีข้อจำกัดแบบ Pfaffian เพียงข้อเดียว
อนุญาตมุมการบังคับเลี้ยวสัมพันธ์กับแกน และและให้ เป็นตำแหน่งที่ล้อสัมผัสกับระนาบ เนื่องจากล้อสามารถเคลื่อนที่ได้เฉพาะในทิศทางที่มันชี้ไปเท่านั้น เราจึงได้ข้อจำกัดเนื่องจากเป็นรูปแบบ 1มิติ ข้อจำกัดจึงเป็นดังนี้ :=dx\sin \theta -dy\cos \theta }