المرجع الالكتروني للمعلوماتية
المرجع الألكتروني للمعلوماتية

الرياضيات
عدد المواضيع في هذا القسم 9761 موضوعاً
تاريخ الرياضيات
الرياضيات المتقطعة
الجبر
الهندسة
المعادلات التفاضلية و التكاملية
التحليل
علماء الرياضيات

Untitled Document
أبحث عن شيء أخر

الأحلاف المتكافئة وغير المتكافئة
23-5-2022
Euler Graph
27-2-2022
مراحل تدوين التاريخ السلامي
30-4-2020
تمييز الاستفتاء من الانتخاب
25-10-2015
Freeman John Dyson
22-1-2018
ما هو حد ما نصفه أو نسميه به من الأسماء الحسنى؟
7-10-2014

LINEAR TIME-OPTIMAL CONTROL-EXAMPLES  
  
315   02:36 مساءاً   date: 8-10-2016
Author : Lawrence C. Evans
Book or Source : An Introduction to Mathematical Optimal Control Theory
Page and Part : 35-40

EXAMPLE 1: ROCKET RAILROAD CAR. We recall this example, introduced in §1.2. We have

For

According to the Pontryagin Maximum Principle, there exists h≠0 such that

We will extract the interesting fact that an optimal control α switches at most one time.

We must compute etM. To do so, we observe

and therefore Mk = 0 for all k ≥ 2. Consequently,

The Maximum Principle asserts

and this implies that

                 α (t) = sgn(−th1 + h2)

for the sign function

Therefore the optimal control α switches at most once; and if h1 = 0, then α∗ is constant.

Since the optimal control switches at most once, then the control we constructed by a geometric method in §1.3 must have been optimal.

EXAMPLE 2: CONTROL OF A VIBRATING SPRING. Consider next the simple dynamics

where we interpret the control as an exterior force acting on an oscillating weight  (of unit mass) hanging from a spring. Our goal is to design an optimal exterior forcing α(.) that brings the motion to a stop in minimum time.

We have n = 2, m = 1. The individual dynamical equations read:

which in vector notation become

for |α(t)| ≤ 1. That is, A = [−1, 1].

Using the maximum principle. We employ the Pontryagin Maximum Principle, which asserts that there exists h ≠ 0 such that

To extract useful information from (M) we must compute X(.). To do so, we observe that the matrix M is skew symmetric, and thus

According to condition (M), for each time t we have

Therefore

α(t) = sgn(−h1 sin t + h2 cos t).

Finding the optimal control. To simplify further, we may assume h21+h22 =1. Recall the trig identity sin(x + y) = sin x cos y + cos x sin y, and choose δ such that

−h1 = cos δ, h2 = sin δ. Then

α (t) = sgn(cos δ sin t + sin δ cos t) = sgn(sin(t + δ)).

We deduce therefore that α∗ switches from +1 to −1, and vice versa, every π units of time.

Geometric interpretation. Next, we figure out the geometric consequences.

When α ≡ 1, our (ODE) becomes

In this case, we can calculate that

Consequently, the motion satisfies (x1(t) − 1)2 + (x2)2(t) ≡ r21, for some radius r1,  and therefore the trajectory lies on a circle with center (1, 0), as illustrated.

If α ≡ −1, then (ODE) instead becomes

in which case

Thus (x1(t)+1)2 +(x2)2(t) = r22 for some radius r2, and the motion lies on a circle with center (−1, 0).

In summary, to get to the origin we must switch our control α(.) back and forth between the values ±1, causing the trajectory to switch between lying on circles centered at (±1, 0). The switches occur each π units of time.

References

[B-CD] M. Bardi and I. Capuzzo-Dolcetta, Optimal Control and Viscosity Solutions of Hamilton-Jacobi-Bellman Equations, Birkhauser, 1997.

[B-J] N. Barron and R. Jensen, The Pontryagin maximum principle from dynamic programming and viscosity solutions to first-order partial differential equations, Transactions AMS 298 (1986), 635–641.

[C1] F. Clarke, Optimization and Nonsmooth Analysis, Wiley-Interscience, 1983.

[C2] F. Clarke, Methods of Dynamic and Nonsmooth Optimization, CBMS-NSF Regional Conference Series in Applied Mathematics, SIAM, 1989.

[Cr] B. D. Craven, Control and Optimization, Chapman & Hall, 1995.

[E] L. C. Evans, An Introduction to Stochastic Differential Equations, lecture notes avail-able at http://math.berkeley.edu/˜ evans/SDE.course.pdf.

[F-R] W. Fleming and R. Rishel, Deterministic and Stochastic Optimal Control, Springer, 1975.

[F-S] W. Fleming and M. Soner, Controlled Markov Processes and Viscosity Solutions, Springer, 1993.

[H] L. Hocking, Optimal Control: An Introduction to the Theory with Applications, OxfordUniversity Press, 1991.

[I] R. Isaacs, Differential Games: A mathematical theory with applications to warfare and pursuit, control and optimization, Wiley, 1965 (reprinted by Dover in 1999).

[K] G. Knowles, An Introduction to Applied Optimal Control, Academic Press, 1981.

[Kr] N. V. Krylov, Controlled Diffusion Processes, Springer, 1980.

[L-M] E. B. Lee and L. Markus, Foundations of Optimal Control Theory, Wiley, 1967.

[L] J. Lewin, Differential Games: Theory and methods for solving game problems with singular surfaces, Springer, 1994.

[M-S] J. Macki and A. Strauss, Introduction to Optimal Control Theory, Springer, 1982.

[O] B. K. Oksendal, Stochastic Differential Equations: An Introduction with Applications, 4th ed., Springer, 1995.

[O-W] G. Oster and E. O. Wilson, Caste and Ecology in Social Insects, Princeton UniversityPress.

[P-B-G-M] L. S. Pontryagin, V. G. Boltyanski, R. S. Gamkrelidze and E. F. Mishchenko, The Mathematical Theory of Optimal Processes, Interscience, 1962.

[T] William J. Terrell, Some fundamental control theory I: Controllability, observability,  and duality, American Math Monthly 106 (1999), 705–719.

 




الجبر أحد الفروع الرئيسية في الرياضيات، حيث إن التمكن من الرياضيات يعتمد على الفهم السليم للجبر. ويستخدم المهندسون والعلماء الجبر يومياً، وتعول المشاريع التجارية والصناعية على الجبر لحل الكثير من المعضلات التي تتعرض لها. ونظراً لأهمية الجبر في الحياة العصرية فإنه يدرّس في المدارس والجامعات في جميع أنحاء العالم. ويُعجب الكثير من الدارسين للجبر بقدرته وفائدته الكبيرتين، إذ باستخدام الجبر يمكن للمرء أن يحل كثيرًا من المسائل التي يتعذر حلها باستخدام الحساب فقط.وجاء اسمه من كتاب عالم الرياضيات والفلك والرحالة محمد بن موسى الخورازمي.


يعتبر علم المثلثات Trigonometry علماً عربياً ، فرياضيو العرب فضلوا علم المثلثات عن علم الفلك كأنهما علمين متداخلين ، ونظموه تنظيماً فيه لكثير من الدقة ، وقد كان اليونان يستعملون وتر CORDE ضعف القوسي قياس الزوايا ، فاستعاض رياضيو العرب عن الوتر بالجيب SINUS فأنت هذه الاستعاضة إلى تسهيل كثير من الاعمال الرياضية.

تعتبر المعادلات التفاضلية خير وسيلة لوصف معظم المـسائل الهندسـية والرياضـية والعلمية على حد سواء، إذ يتضح ذلك جليا في وصف عمليات انتقال الحرارة، جريان الموائـع، الحركة الموجية، الدوائر الإلكترونية فضلاً عن استخدامها في مسائل الهياكل الإنشائية والوصف الرياضي للتفاعلات الكيميائية.
ففي في الرياضيات, يطلق اسم المعادلات التفاضلية على المعادلات التي تحوي مشتقات و تفاضلات لبعض الدوال الرياضية و تظهر فيها بشكل متغيرات المعادلة . و يكون الهدف من حل هذه المعادلات هو إيجاد هذه الدوال الرياضية التي تحقق مشتقات هذه المعادلات.