Квант

30

Плавные последовательности

В этой заметке мы обсуждим характерные сообразения, возникшие при решении задач, где на последовательность или функцию наложены некоторые локальные orphanения — ей запрещено резко менять или круг поворачивать — и требуется оценить, насколько большим может оказаться колебание в целом.

Игра «гонки» и вторые разности

Вероятно, многие из наших читателей знают игру «гонки», описанную в книге M. Гарднера. «Matематические новеллы».

Напомним правила игры. На клетчатой бумаге рисунется более-менее произвольная изогнутая область (трек), у одного края трека для каждой игрока отмещается своей точка с тарта, у другого края — линия ф и и ша. Автомобилисты по очереди делают ходы в один из узлов сетки, причем изменять скорость разрешается только на единицу: если предыдущий ход автоматически был AB→\overrightarrow{AB}, то следующий ход BC→\overrightarrow{BC} либо точно такой же (BC→=AB→\overrightarrow{BC} = \overrightarrow{AB}), либо заканчивается в одном из воспоминаних с CC узлов. Ходить можно только по отрезкам, целиком лежащим в пределах трека: тот, кто слишком «разогнался» и вылетел за границу, пропускает ход и начинает с единичной скоростью (так же проводится и старт, рис. 1).

По сравнению с другими играми на клетчатой бумаге (например, с «морским бомем») эта игра замечательна не только близостью к реальной ситу-

цин, но и разнообразием: ведь каждый новый трек — это новая игра.

Найти наиболее удачный путь на сложном треке — задача далего не простая. Такие задачи очень характерны для теории оптимального управления — сравнительно молодой и быстро развивающейся области математики. Мы не будет касаться общих сообщений, относится к этой теории, а рассмотрим одну конкретиную задачу, наeyerную игрой «гонки».

Задача 1. На клетчатой бумаге на одной горизонтальной линии семки ll отмещен отрезок A0A1A_0A_1 длины 1 (сторона одной клетки). Нужно, начав с эмодогом отрезка, построить путь, в котором:

  1. каждый следующий шаг AkAk+1A_kA_{k+1} либо макой же, как предыдущий AkAk+1→=Ak−1Ak→\overrightarrow{A_kA_{k+1}} = \overrightarrow{A_{k-1}A_k}, либо отличается от него на одну единицу в ее рхили в и и з (в отличие от «гонок», скорость смещения вправо всегда остается одинаковой: 1 клетка за каждой шаг);

  2. последний отрезок AnAn+1A_nA_{n+1} лежит на той же пряной, что и первой A0A1A_0A_1.

На какую наиболее высокую высоту, при заданном nn, может подняться макой путь над пряной l?

Эту задачу легко, конечно, сформировать и без клетчатой бумаги. Если считать, что отрезки A0A1A_0A_1 и AnAn+1A_nA_{n+1} — это отрезки [0, 1] и [n,n+1n, n+1] оси OxOx (рис. 2), то путь впол-

31

не определяется последовательностью координат y0,y1,y2,…,yn−1,yn,yn+1y_0, y_1, y_2, \dots, y_{n-1}, y_n, y_{n+1} точек Ak=(k;yk)A_k = (k; y_k), причем эта последовательность должна удовлетворять таким условиям:

a) разность разностей yk+1−yky_{k+1} - y_k и yk−yk−1y_k - y_{k-1} соседних членов последовательности, т. е. вморая разность
yk+1−2yk+yk−1=(yk+1−yk)−(yk−yk−1)y_{k+1} - 2y_k + y_{k-1} = (y_{k+1} - y_k) - (y_k - y_{k-1})
при каждой kk, 1≤k≤n1 \leq k \leq n, не превыходит 1;

  1. y0=y1=yn=yn+1=0y_0 = y_1 = y_n = y_{n+1} = 0, а все другие yky_k — целые числа. В задаче спрашивается, какое наиболее значение может иметь наиболее или этой последовательности.

Путь, о котором говорится в первой формулировке, — в некотором смысле «график» последовательности {yk}\{y_k\}. Далее бы мы начали сразу с алгебраической формулировки, его очень полезно было бы «выдумать»: он помогает найти представить смысл условия a).

Перейдем к решению задачи.

Чтобы удовлетворить условия 1), «верхушка» ломаной AmAm+1A_m A_{m+1} должна быть горизонтальной. Ясно, что можно рассматривать только симметричные пути: если AmAm+1A_m A_{m+1} — самое верхнее звено, то более длинную из частей A1…AmA_1 \dots A_m и Am+1…AnA_{m+1} \dots A_n можно укоротить, заменив ее симметриным отражением другой части относительно серединой перпендикулара к отрезку AmAm+1A_m A_{m+1}.

Итак, достаточно рассматривать лишь участок по дыма (отведя на него более n/2−1n/2 - 1 наклонных шагов) — с пуск к будет точного таким же.

Кстати, отсюда видно, что для четного nn максимальная высота подьема — обозначим ее hnh_n — будет такой же, как и для следующего за ним нечетного числа: hn=hn+1h_n = h_{n+1}.

Если подниматься и опускаться под углом 45∘45^\circ, то максимальная высота, как нетрудно проверить, будет [n/2]−1[n/2] - 1. Но такой способ будет наиболее лишь до n=7n = 7 (рис. 3, a). На рисунке 3, б показан путь для n=8n = 8, который поднимается на высоту 4 (а не на [8/2]−1=3[8/2] - 1 = 3).

Найти оптимальный путь нам еще раз помогут сообщения симметрины. Ясно, что поначалу выгодно максимальным образом наращивать скорость подьема: 1+2+3+…1 + 2 + 3 + \dots; но — чтобы успеть затормить — так можно поступать лишь до середины участка подьема [1; mm] (рис. 4, 5).

Эти сообщения можно строго оформить так. Оценим разности одновременного с двух стороны участка:

y1−y0=0,ym+1−ym=0,y2−y1≤1,ym−ym−1≤1,y3−y2≤2,ym−1−ym−2≤2,y4−y3≤3,ym−2−ym−3≤3,…y_1 - y_0 = 0, \quad y_{m+1} - y_m = 0, \quad y_2 - y_1 \leq 1, \quad y_m - y_{m-1} \leq 1, \quad y_3 - y_2 \leq 2, \quad y_{m-1} - y_{m-2} \leq 2, \quad y_4 - y_3 \leq 3, \quad y_{m-2} - y_{m-3} \leq 3, \dots

Тепер, чтобы получить оценку для наиболее высокей высоты hnh_n подьема, т. е. величины ym−y0=ym+1−y0y_m - y_0 = y_{m+1} - y_0, нужно сложить оценки первых разностей. Таким образом,

для n=4k−2n = 4k - 2 (например, n=18n = 18, рис. 4)

Рис. 2.

Рис. 3.

32

hn≤1+2+⋯+(k−1)+(k−1)+⋯+2+1=k(k−1);h_n \leq 1 + 2 + \dots + (k - 1) + (k - 1) + \dots + 2 + 1 = k(k - 1);
для n=4kn = 4k (например, n=20n = 20, рис. 5)

hn≤1+2+⋯+(k−1)+k+(k−1)+⋯+2+1=k(k−1)+k=k2.h_n \leq 1 + 2 + \dots + (k - 1) + k + (k - 1) + \dots + 2 + 1 = k(k - 1) + k = k^2.

Ясно — из тех же рисунков, — что эти оценки точные, т. е. что такое высоту подьема можно реализовать. В частности, h18=20,h20=25h_{18} = 20, h_{20} = 25.

Итак, мы нашли наиболее высокую высоту hnh_n при любом nn. Проверьте, что ответ можно записать в такой компактной форме: hn=[n/4]×[(n+2)/4]h_n = [n/4] \times [(n + 2)/4], или, еще короче, hn=[[n/2]]2/4h_n = [[n/2]]^2/4. (Напомним, что hn+1=hnh_{n+1} = h_n при четном nn.) Значит, при любом nn достаточно точную оценку сверху для hnh_n дает неравенство hn≤n2/16h_n \leq n^2/16.

Заметим еще, что вершины оптимальный траектории в каждой ее четвертой части лежат на одной параболе. Это происходит не случайно. Ведь если последовательность x0,x1,…,xmx_0, x_1, \dots, x_m — арифметическая прогрессия (в частиности, отрезок натурального ряда), а у последовательности y0,y1,…,ymy_0, y_1, \dots, y_m вторые разности yk+1−2yk+yk−1y_{k+1} - 2y_k + y_{k-1} равны между собой, то точки (x0;y0),(x1;y1),…,(xm;ym)(x_0; y_0), (x_1; y_1), \dots, (x_m; y_m) лежат на одной параболе*). Именно так обстоятель дело в нашем случае (рис. 4, 5): в первой и последней четвертях траектории yk+1−2yk+yk−1=2yk+n2/16y_{k+1} - 2y_k + y_k-1 = 2y_k + n^2/16.

*) Ср. «Квант», 1973, № 2, с. 28—29.

+yk−1=1+y_{k-1} = 1, а в средних четвертях yk+1−2yk+yk−1=−1y_{k+1} - 2y_k + y_{k-1} = -1.

Мы увидим, что и в других задачах, где ограничения накладываются на вторые разности, оптимальная траектория также склеена из парабола.

Непрерывный анализ.
Скорости и ускорения

Задача 2. Электровоззамена в моче OO, пропуская с места, но, дав «задний ход», через nn секунды снова вернулся в моче OO и оставился в ней. На какое наиболее расстояние hh он может удалиться за это время от мочи OO, если абсолитная величина его ускорения ни в какой момент не превышает а см/сек2^2?

Эта задача — полный анализ 1, с той разницей, что вместо дискретной последовательности y0,y1,…,yny_0, y_1, \dots, y_n теперь решить о функции y(t)y(t) непрерывно в него аргумента tt (здесь tt — время; будем считать, что tt пробегает отрезок от 0 до nn). Аналогом первых разностей является скорость (первая произведение y′(t)y'(t) от координаты y(t)y(t)), аналогом вторых разностей — ускорение (вторая произведение y′′(t)=(y′(t))′y''(t) = (y'(t))'). Мы решим эту задачу, пользоваться физическими терминами; те, кто уже знаком с произvodной и интегралом, легко переведут условия задачи и ее решение на языке математического анализа.

Докажем, что ответ в этой задаче таков: an2/16an^2/16 (см).

33

Пусть электровоз доступа самого далего от точки OO положения MM в некоторый момент времени mm, 0⩽m⩽n0 \leqslant m \leqslant n. Ясно, что скорость его в этот момент равна нулю. Можно считать, что m⩽n/2m \leqslant n/2 (в случае m>n/2m > n/2 мы будем следить за движением электровоза на отрезке времени от mm до nn, а не от 00 до mm — ведь до и после момента mm движение проискодит совершенно аналогично).

Оценим скорость электровоза v(t)v(t) при 0⩽t⩽m0 \leqslant t \leqslant m. Поскольку v(0)=0v(0) = 0, то v(t)⩽atv(t) \leqslant at. С другой стороны, поскольку v(m)=0v(m) = 0, то v(t)⩽a(m−t)v(t) \leqslant a(m-t). Отсюда следует, что перемещение h=∣OM∣h = |OM| — площадь под графиком скорости v(t)v(t) на отрезке времени [0,m][0, m] — не превышает площади треугольника с основанием mm и высотой am/2am/2, т. е. h⩽am2/4⩽an2/16h \leqslant am^2/4 \leqslant an^2/16. Ясно, что эта оценка — точная, причем график оптимального перемещения в каждой четверти отрезка 0⩽t⩽n0 \leqslant t \leqslant n — парабола (рис. 6, а—в).

Мы видим, что для «непрерывного» варианта (заданц 2) ответ и решение получается более простыми, чем для «дискретного» (заданц 1).

Большинство реализации задач оптимального управления при их математическом оформлении также допускают и непрерывный, и дискретный варианты. При этом непрерывные модели обычно легче исследовать теоретически, и результаты имеют более красивую форму. Но иногда дискретность задачи дискретется существом делала или упрощает корректную постановку математической задачи; да и для расчетов на цифровых ЭВМ приходится переходить обчично к неокоторому дискретному приближению непрерывной задачи.

В следующем пункте мы видны вернемся к дискретной задаче, но теперь числа последовательности будут расположены на окружности.

Числа на окружности.
Формулировка результата

Задание 3. На окружности расположены nn действительных чисел, одно из которых равно 1, а сумма всех равна 0. Доказать, что:

a) найдут два соседних числа, различующихся не менее чем на 4/n;
b) найдет число, отличное от среднего арифметического двух севих соседей не менее чем на 16/n216/n^2.

Далее мы очень кратко изложим решение, позволяющее получить для каждой nn точки в оценки в утверждениях a) и b). Эти налучшие возможности оценки таковы:

a) максимальная из разностей между соседними числами не меньше 4n\frac{4}{n}, если nn четно, и не меньше 4nn2−1\frac{4n}{n^2-1}, если nn нечетно (заметим, что 4nn2−1>4n\frac{4n}{n^2-1} > \frac{4}{n});
b) максимальное отклонение числа от среднего арифметического двух севих соседей не меньше соответствующего 16n2,16nn3+n−2\frac{16}{n^2}, \frac{16n}{n^3+n-2}, 16n2+4\frac{16}{n^2+4} или 16nn3+n+2\frac{16n}{n^3+n+2}, если nn даем при делении на 4 остаток 0,1, 2 или 3.

На рисунках 7 и 8 изображены оптимальные последовательности (при n=30n=30):

34

для последовательности на рисунке 7 разность между любыми двумя соседними числами не меньше 2/15 (это — 4/n при n=30); для последовательности на рисунке 8 отклонение каждого числа от среднего арифметического двух соседей не меньше 2/113 и, как и в первой задаче, точки в каждой четверти отрезка лежат на одной параболе. Доказательство результатов a) и 6) мы проведем ниже лисы для n=30 (для других n оно примерно такое же). Тем самым мы получим решение цикла задач М398 из «Задачника «Кванта»»).

Обозначим данные числа через y−14,y−13,…,y15y_{-14}, y_{-13}, \dots, y_{15} так, что y0=1y_0=1. Для задачи a) получить нужную оценку нетрудно: если ∣yk+1−yk∣≤α|y_{k+1}-y_k| \leq \alpha для всех k=−14,…,15k=-14, \dots, 15, то, суммируя оценки разностей, как и в задаче 1, получим yk≥1−∣k∣αy_k \geq 1-|k|\alpha. Но сумма Σyk\Sigma y_k равна нулю, поэтому

0=Σyk≥30−2(1+2+⋯+14)α−15α=30−152α,0 = \Sigma y_k \geq 30 - 2(1+2+\dots+14)\alpha - 15\alpha = 30 - 15^2\alpha,

откуда α≥2/15\alpha \geq 2/15.

Перейдем к задаче 6). Заметим, что в линияна yk+1+yk−12−yk\frac{y_{k+1}+y_{k-1}}{2}-y_k, которое мы должны оценить, — это просто положения «второй разности» (yk+1−yk)−(yk−yk−1)(y_{k+1}-y_k)-(y_k-y_{k-1}).

Нормировка и повторение. Попробуем действовать с помощью двухратного применения задачи a).

Пусть yk+1−yk=yk′y_{k+1}-y_k=y'_k, max⁡k∣yk′∣=α∗∗\max_k |y'_k|=\alpha^{**}. Согласно a), α≥2/15\alpha \geq 2/15. К последовательности zk=yk′/αz_k=y'_k/\alpha мы можем вновь применить a) (нетрудно убедиться, что сумма всех 30 чисел zkz_k равна нулю и что максимальное из zkz_k равно единице); поэтому max⁡k∣zk+1−zk∣≥2/15\max_k |z_{k+1}-z_k| \geq 2/15, а следовательно,

max⁡k∣yk+1−2yk−yk−1∣2=(α/2)max⁡k∣zk−zk−1∣≥(1/15)α≥2/225.\max_k \frac{|y_{k+1}-2y_k-y_{k-1}|}{2} = (\alpha/2) \max_k |z_k-z_{k-1}| \geq (1/15)\alpha \geq 2/225.

Эта оценка примерно вводе хуже требуемой (в общем случае так же получится оценка 8/n28/n^2 вместе 16/n216/n^2).

Идея более тонкой оценки проста: нужно, исходя из оценки ∣yk+1−2yk+yk−1∣≤2β|y_{k+1}-2y_k+y_{k-1}| \leq 2\beta для вторых разностей, точнее оценить первые разности, затем оценить сами числа yky_k (пользовать тем, что y0=1y_0=1) и, наконец, из равенства Σyk=0\Sigma y_k=0 получить оценку сизу для β.

Симметризация и комбинрование оценки.. Прежде чем перейти к осуществлению нашей плана, заметим, что можно ограничиться рассмотрением лишь симметричных последовательностей: таких, для которых yk=yk−1y_k=y_k-1. В самом деле, из любой последовательности yky_k, удовлетворяющей условием y0=1y_0=1, Σyk=0\Sigma y_k=0, ∣yk+1−|y_{k+1}-

*) См. «Квант», 1976, № 8.

**) Здесь и ниже k пробегает значение −14≤k≤15-14 \leq k \leq 15. Для k=15 мы полагаем yk+1=y−14y_{k+1}=y_{-14}, — ведь соседнее с y15y_{15} число на окружности — это y−14y_{-14}.

−2yk+yk−1≤2β-2y_k+y_{k-1} \leq 2\beta, мы можем получить симметриную последовательность zk=yk+yk−12z_k = \frac{y_k+y_k-1}{2}, удовлетворяющую, как нетрудно проверить, всем этим условиям. (В наших обозначениях y0=y−0=y15=y−15=1y_0=y_{-0}=y_{15}=y_{-15}=1.)

Теперь имеем:

y0−y1=(2y0−y1−y−1)/2≤β,y14−y15≤β,y1−y2≤3β,y13−y14≤3β,y2−y3≤5β,y12−y13≤5β,y_0-y_1=(2y_0-y_1-y_{-1})/2 \leq \beta, y_{14}-y_{15} \leq \beta, y_1-y_2 \leq 3\beta, y_{13}-y_{14} \leq 3\beta, y_2-y_3 \leq 5\beta, y_{12}-y_{13} \leq 5\beta,

y6−y7≤13β,y7−y8≤15β,y8−y9≤13β,y_6-y_7 \leq 13\beta, y_7-y_8 \leq 15\beta, y_8-y_9 \leq 13\beta,

Из первых семи неравенств находим

yk≥1−k2βy_k \geq 1-k^2\beta при 0≤k≤70 \leq k \leq 7;

из остальных

yk≥1−(72+82)β+(15−k)2βy_k \geq 1-(7^2+8^2)\beta+(15-k)^2\beta при 7≤k≤157 \leq k \leq 15. Суммируя все yky_k (напомним, что yk=y−ky_k=y_{-k}), найдем 0≥30−15(72+82)β0 \geq 30-15(7^2+8^2)\beta, откуда β≥2/113\beta \geq 2/113.

В заключение — несколько задач, в том или ином относительной связи с рассмотренными выше.

  1. В последовательности a0,a1,…,ana_0, a_1, \dots, a_n числа a0a_0 и ana_n равны нулю, а модель разности между каждой числом и средним арифметическим двух его соседей не превыходит единиц. Доказите, что ak≤k(n−k)a_k \leq k(n-k).

  2. Известно, что a0,a1,…,ana_0, a_1, \dots, a_n > aka_k, и ak+1=3ak−2ak−1a_k+1=3a_k-2a_k-1 при всех k>1k>1. Доказите, что a100>299a_{100}>2^{99}.

  3. Дан числа a1,…,a7a_1, \dots, a_7. Известно, что их сумма равна нулю и что наиболее низкие из них по абсцилотной величины a1=2a_1=2. Оцените максимум абсцилотной величины вторых разностей.

  4. Дан некоторый набор чисел a1,…,ana_1, \dots, a_n. Известно, что

0≤a1≤a2≤2a1,0 \leq a_1 \leq a_2 \leq 2a_1,

0≤a2≤a3≤2a2,0 \leq a_2 \leq a_3 \leq 2a_2,

и т. д. Доказите, что в сумме S=±a1±a2±⋯±anS=\pm a_1 \pm a_2 \pm \dots \pm a_n можно было знак так, чтобы выполнялось неравенство: 0≤S≤a10 \leq S \leq a_1.

  1. a) Пусть x0,x1,…,xnx_0, x_1, \dots, x_n и y0,y1,…,yny_0, y_1, \dots, y_n — две последовательности также, что их «вторые разности» постоянны: xk+1−2xk+xk−1=a,yk+1−2yk+yk−1=b(1≤k≤n−1)x_{k+1}-2x_k+x_{k-1}=a, y_{k+1}-2y_k+y_{k-1}=b(1 \leq k \leq n-1). Доказите, что точки (x0;y0),(x1;y1),…,(xn;yn)(x_0;y_0), (x_1;y_1), \dots, (x_n;y_n) лежат на одной параболе в плоскости OxyOxy.
  1. Доказите, что точки (x;y)(x;y), где x=a1t2+b1t+c1,y=a2t2+b2t+cx=a_1t^2+b_1t+c_1, y=a_2t^2+b_2t+c, лежат на одной параболе.
  1. Пусть функция f периодична с периодом T, имеет первый (a в задание 6) — и второй (производную, не перерывную) периодичную, кроме конечного числа точек; f непрерывна на [0, n].

  2. Пусть f определяна на отрезке [0, n], f(0)=f(n)=0f(0)=f(n)=0. Какого наиболее значения может достигать f, если a) f′(x)≤M1f'(x) \leq M_1, 6) ∣f′′(x)∣≤M2|f''(x)| \leq M_2? (Производные непрерывные вскрыд, кроме конечного числа точек; f непрерывна на [0, n].).

  3. Пусть функция f периодична с периодом T, имеет первый (a в задание 6) — и второй (производную, не перерывную) периодичную, кроме конечного числа точек; f непрерывна на [0, n].

  4. Пусть f определяна на отрезке [0, n], f(0)=f(n)=0f(0)=f(n)=0. Какого наиболее значения можетxima твердость f, если a) f′(x)≤M1f'(x) \leq M_1, 6) ∣f′′(x)∣≤M2|f''(x)| \leq M_2? (Производные непрерывные вскрыд, кроме конечного числа точек; f непрерывна на [0, n].)