Kvant

Bản dịch tự động sơ bộ, chất lượng thấp: có thể còn lỗi và câu chữ chưa tự nhiên. Bản này sẽ được thay bằng bản dịch tốt hơn. Bản gốc →

30

S. Krotov

Về chuyển động quỹ đạo tối ưu

Nhiều bạn đã phải giải bài toán để xác định quỹ đạo chuyển động tối ưu - bài toán gõ “để xác định quỹ đạo mà - dựa trên việc xác định điều kiện giao thông - người ta có thể đi từ điểm A đến điểm B trong thời gian tối thiểu.” Ở thời điểm hiện tại, chúng ta đang thảo luận về một phương pháp cho phép thực hiện một nhiệm vụ nhất định thuộc loại này chỉ bằng một.

Hãy bắt đầu với bài toán đơn giản. Hãy tưởng tượng một cậu bé thấy mình ở một thời điểm nào đó t0t_0 của trường trung bình tại điểm A. Chúng ta biết rằng từ điểm A này, cậu bé có thể di chuyển với tốc độ vv theo bất kỳ hướng nào (chúng tôi muốn nói rằng các điều kiện để cậu bé chuyển động từ điểm A là như nhau theo mọi hướng). Hãy đặt câu hỏi sau: cậu bé có thể đi về đâu sau một khoảng thời gian ngắn Δt\Delta t?

Chúng ta sẽ giả định rằng ở phía đối diện của khoảng thời gian này, cậu bé bắt đầu

31

không thay đổi hướng đi và tốc độ của nó không đổi. Trong trường hợp này, đáp số rất quan trọng: cậu bé có thể đến bất kỳ điểm nào trên đường tròn với tâm ở vị trí ban đầu - tại điểm AA - và bán kính v⋅Δtv \cdot \Delta t.

Bây giờ chúng ta hãy giả sử rằng một cậu bé đang trong quá trình chuyển động có thể bất cứ lúc nào, tại bất kỳ điểm nào trên quỹ đạo của cậu ấy, ngay lập tức thay đổi hướng của tốc độ một cách tùy ý, giữ cho nó không đổi về độ lớn (trong trường hợp này chúng ta sẽ phải ban cho cậu bé sức mạnh siêu nhiên). Và trong trường hợp này, đáp số để đặt câu hỏi bài toán khá đơn giản: vì độ dài của tất cả các quỹ đạo có thể có của cậu bé bằng v⋅Δtv \cdot \Delta t, điểm cuối của một quỹ đạo tùy ý có thể kết thúc tại bất kỳ điểm nào của đường tròn bán kính v⋅Δtv \cdot \Delta t với tâm là điểm AA. Điều này xuất phát từ thực tế là chuyển động của cậu bé, tức là khoảng cách giữa điểm bắt đầu và điểm cuối của một quỹ đạo tùy ý trên một đường thẳng, dọc theo giá trị abscid, không lớn hơn chiều dài của quỹ đạo, bằng v⋅Δtv \cdot \Delta t. Do đó, vùng có thể tiếp cận (hãy gọi nó là tập hợp các điểm trong trường mà cậu bé có thể ở đó theo thời gian t0+Δtt_0 + \Delta t) sẽ là một đường tròn có bán kính v⋅Δtv \cdot \Delta t.

Chúng ta hãy lưu ý rằng đối với bất kỳ điểm bên trong nào của vùng khả năng tiếp cận (ví dụ: điểm BB trong Hình 1), có thể chỉ ra vô số quỹ đạo mà cậu bé có thể đi tới đó. Đối với bất kỳ điểm nào trên ranh giới của vùng khả năng tiếp cận (ví dụ: điểm CC trong Hình 1), có một quỹ đạo duy nhất là “đâm trúng” (đến điểm CC - dọc theo bán kính ACAC).

Nếu trong tương lai (tại t>t0+Δtt > t_0 + \Delta t) các điều kiện để cậu bé chuyển động trên sân vẫn giữ nguyên, thì ở những lần tiếp theo, ranh giới của vùng có thể tiếp cận cũng sẽ là hình tròn (với tâm là điểm AA). Ranh giới của khu vực có thể tiếp cận ở phía trước của tất cả các chuyển động có thể có hoặc đơn giản là ở phía trước. Trong cuộc thảo luận trước, mặt trước là một hình tròn, bán kính của nó tăng với tốc độ vv. Hình dạng đơn giản này của mặt trước là do các điều kiện để cậu bé chuyển động từ điểm AA (và từ bất kỳ điểm nào trong vùng 过剩ness) theo mọi hướng đều giống nhau. Dễ dàng nhận thấy rằng trong trường hợp chuyển động tổng quát hơn, mặt trước có các tính chất sau:

  1. sớm hay muộn mặt trận sẽ đi qua bất kỳ điểm nào (có nghĩa là những điểm mà nhìn chung có thể đi tới);

  2. không có phương pháp chuyển tiếp thì có thể lùi xa hơn về phía trước tùy theo thời điểm;

  3. đối với mỗi điểm của mặt trước, theo quy luật, bạn có thể chỉ ra một quỹ đạo duy nhất kết thúc ở đó;

  4. khi xác định mặt trước tại các thời điểm tiếp theo (nghĩa là khi xác định sự thay đổi của mặt trước theo thời gian), tất cả các điểm của mặt trước ban đầu sẽ đồng thời đóng vai trò là điểm AA, sao cho tại bất kỳ thời điểm nào mặt trước sẽ là một đường bao gồm một tập hợp các vòng tròn, tâm của chúng nằm trên mặt trước ban đầu và bán kính được xác định bởi các điều kiện “chạy xa” khỏi các điểm tương ứng của mặt trước (Hình 2);

  5. Chúng ta hãy lấy hai vị trí của mặt trước - MM và M′M', cách nhau một khoảng thời gian Δt\Delta t (xem Hình 2). Đối với bất kỳ điểm EE nào của mặt trước MM, có một điểm duy nhất E′E' của mặt trước M′M' mà tại đó người ta có thể thêm vào lúc Δt\Delta t; chỉ có một quỹ đạo chuyển động. Tất cả các điểm khác của mặt trước M′M' chỉ có thể được thêm từ điểm EE trong thời gian dài.

Phương pháp xem xét chuyển động bằng cách xây dựng mặt trước chuyển động theo thời gian ở trên có thể được áp dụng thành công khi lời giải bài toán xác định quỹ đạo chuyển động tối ưu. Nếu như

  1. chúng ta biết mặt trước thay đổi như thế nào theo thời gian, nghĩa là chúng ta có thể xây dựng nó vào từng thời điểm,

  2. để giảm bớt một trong toàn bộ quỹ đạo chuyển động dẫn đến một điểm tùy ý của mặt trước, sau đó bài toán việc xác định đường chuyển động tối ưu được giải quyết như sau: chúng tôi thiết lập loại mặt trước theo thời gian, xác định thời điểm mà mặt trước đạt đến điểm trong phạm vi của chúng tôi và xây dựng một quỹ đạo nhận ra việc chạm chính xác điểm này của mặt trước.

Để sử dụng ở trên, hãy xem xét một phụ trợ bài toán.

Vấn đề. Cậu bé sống trên bờ Vịnh OR MOR (Hình 3). Bờ vịnh tạo thành một trung tâm. Nhà cậu bé ở điểm AA. Khoảng cách từ nhà đến bờ là hh, và khoảng cách từ nhà đến điểm OO (xem Hình 3) là ll. Cậu bé yêu cá từ bờ biển OM. Hỏi người đó nên chọn chỗ cho cá cách điểm OO bao nhiêu để từ nhà đến nơi này trong thời gian ngắn nhất? Tại sao

33

Hình 6.

lịch sử từ đó đến điểm AA bằng ∣AE∣=v⋅Δt1|AE| = v \cdot \Delta t_1 (∣AE∣=∣AE′∣|AE| = |AE'|). Có thể dễ dàng xác minh rằng theo thời gian Δt\Delta t mặt trước sẽ là một đường cong M′K′KMM'K'KM, trong đó M′K′M'K' và KMKM là tiếp tuyến của hình bán nguyệt bán kính u⋅Δtu \cdot \Delta t. tập trung tại AA. Các tiếp tuyến này tạo một góc α\alpha với bờ sao cho sin⁡α=u/v\sin \alpha = u/v. (Trong tương lai, mặt trước sẽ là một đường cong M′K′KMM'K'KM và một hình tròn có bán kính AMAM (AM′AM') với tâm tại điểm AA, nằm trên bờ. Nhưng chúng tôi chỉ quan tâm đến phần mặt trước nằm trong vùng “sông”. Tại bất kỳ thời điểm nào khác, mặt trước sẽ giống với mặt trước M′K′KMM'K'KM mà chúng tôi đã xây dựng.

Bây giờ đã rõ làm thế nào để tìm ra quỹ đạo tác động tối ưu (tức là quỹ đạo tác động trong thời gian ngắn nhất) từ điểm AA đến điểm BB của dòng sông, nằm cách bờ một khoảng hh. Quỹ đạo này sẽ là một đường đứt nét ACB (xem Hình 5), đoạn CB vuông góc với mặt trước đi qua điểm BB. Điểm CC là điểm của bờ mà từ đó điểm nhỏ sẽ bắt đầu tan chảy. Nếu khoảng cách dọc bờ biển từ điểm AA đến điểm BB là ∣AD∣=l|AD| = l thì ∣AC∣=∣AD∣−∣CD∣=l−h|AC| = |AD| - |CD| = l - h tg α=l−huv2−u2\alpha = l - h \frac{u}{\sqrt{v^2 - u^2}}.

Bây giờ chúng ta hãy tính đến điều đó, theo điều kiện bài toán, tốc độ dòng chảy của sông là w≠0w \neq 0. Mặt trước sẽ trông như thế nào sau thời gian Δt\Delta t kể từ khi bắt đầu chuyển động? Rõ ràng, điểm MM của mặt trước (xem Hình 5) sẽ giữ nguyên; tâm hình bán nguyệt bán kính u⋅Δtu \cdot \Delta t sẽ dịch chuyển từ điểm AA sang trái (theo hướng ww) đến một khoảng cách ∣AO∣=w⋅Δt|AO| = w \cdot \Delta t. Mặt tiền ở vùng “sông” sẽ là đường cong M′N′NMM'N'NM (Hình 6 thể hiện phần NM của mặt tiền); tiếp tuyến MNMN tạo một góc α1\alpha_1 với bờ sao cho

sin⁡α1=u/(w+v).\sin \alpha_1 = u/(w + v).

Về cơ bản, chúng tôi chia việc xây dựng các điểm của phần MNMN của mặt trước thành hai giai đoạn: đối với mỗi điểm MiM_i của bờ, trong đó điểm nhỏ kết thúc sau thời gian Δti\Delta t_i, chúng tôi xây dựng một “mặt trận phụ” - ranh giới của khu vực sông mà điểm nhỏ có thể kết thúc sau thời gian Δt−Δti\Delta t - \Delta t_i. Ranh giới này là hình bán nguyệt có bán kính u⋅(Δt−Δti)u \cdot (\Delta t - \Delta t_i) có tâm tại điểm MiM_i. Sau đó, chúng ta di chuyển các hình bán nguyệt này sang trái (theo hướng ww) một khoảng bằng w⋅(Δt−Δti)w \cdot (\Delta t - \Delta t_i). tiếp tuyến của tất cả các hình bán nguyệt dịch chuyển như vậy là phần MNMN của mặt trước.

Do đó, để đi từ điểm AA đến điểm BB trong thời gian ít nhất, vật nhỏ phải tan chảy từ điểm C1C_1 của bờ, nằm ở bên phải điểm CC (xem Hình 6) ở khoảng cách ∣CC1∣=wτ|CC_1| = w\tau, trong đó τ\tau là thời gian mà vật nhỏ sẽ tan chảy. (Rõ ràng đoạn C1BC_1B của quỹ đạo tối ưu phải song song với đoạn ANAN.) Khoảng cách giữa các điểm AA và C1C_1 là

x=∣AC1∣=∣AD∣+∣DC1∣=l+∣DC1∣.x = |AC_1| = |AD| + |DC_1| = l + |DC_1|.

Hãy tìm độ dài của đoạn DC1DC_1:

∣DC1∣=∣CC1∣−∣CD∣=wτ−h tgα1;|DC_1| = |CC_1| - |CD| = w\tau - h \ tg \alpha_1;

của ΔBDC\Delta BDC nằm

huτ=cos⁡α1⇒τ=hucos⁡α1=\frac{h}{u\tau} = \cos \alpha_1 \Rightarrow \tau = \frac{h}{u \cos \alpha_1} =

=hu(w+v)(w+v)2−u2= \frac{h}{u} \frac{(w + v)}{\sqrt{(w + v)^2 - u^2}}

(nhớ lại sin⁡α1=u/(w+v)\sin \alpha_1 = u/(w + v) cos⁡α1=1−sin⁡2α1\cos \alpha_1 = \sqrt{1 - \sin^2 \alpha_1}); Như vậy

∣DC1∣=hwucos⁡α1−hsin⁡α1cos⁡α1=|DC_1| = \frac{hw}{u \cos \alpha_1} - \frac{h \sin \alpha_1}{\cos \alpha_1} =

=h(w2−u2+wv)u(w+v)2−u2.= \frac{h(w^2 - u^2 + wv)}{u \sqrt{(w + v)^2 - u^2}}.

Vì vậy, để đến được phao BB trong thời gian ngắn nhất, phao nhỏ phải tan chảy từ điểm C1C_1, ở khoảng cách xa

x=l+h(w2−u2+wv)u(w+v)2−u2.x = l + h \frac{(w^2 - u^2 + wv)}{u \sqrt{(w + v)^2 - u^2}}.

Phương pháp lời giải động học bài toán mà chúng tôi đã xem xét bằng cách xây dựng mặt trước của tất cả các chuyển động có thể xảy ra dựa trên bức tranh vật lý nổi tiếng về sự phân bố các khả năng trong môi trường; mặt trước trong trường hợp này là ranh giới thực của khu vực nơi nhiễu loạn xảy ra tại một thời điểm nhất định. Dễ dàng nhận thấy rằng khi tìm kiếm quỹ đạo tối ưu, chúng ta đã lợi dụng mối quan hệ lý thuyết tồn tại giữa mặt trước và tia, cụ thể là tia là tuyến tính mà nhiễu loạn truyền đi trong thời gian ngắn nhất. Nguyên lý xây dựng mặt trước mà chúng tôi đề xuất không gì khác hơn là nguyên lý Heugen - một phương pháp xây dựng mặt trước truyền sóng khả năng.