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diff --git a/buch/papers/lambertw/Bilder/VerfolgungskurveBsp.png b/buch/papers/lambertw/Bilder/VerfolgungskurveBsp.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..53eb2f9 --- /dev/null +++ b/buch/papers/lambertw/Bilder/VerfolgungskurveBsp.png diff --git a/buch/papers/lambertw/teil4.tex b/buch/papers/lambertw/teil4.tex index 598a57e..6184369 100644 --- a/buch/papers/lambertw/teil4.tex +++ b/buch/papers/lambertw/teil4.tex @@ -6,24 +6,22 @@ \section{Beispiel Verfolgungskurve \label{lambertw:section:teil4}} \rhead{Beispiel Verfolgungskurve} -In diesem Abschnitt wird rechnerisch das Beispiel einer Verfolgungskurve beschreiben. +In diesem Abschnitt wird rechnerisch das Beispiel einer Verfolgungskurve mit der Verfolgungsstrategie 1 beschreiben. -\subsection{Ziel bewegt sich auf einer Gerade -\label{lambertw:subsection:malorum}} -Das zu verfolgende Ziel \(A\) wandert auf einer Gerade, wobei diese Gerade der \(y\)-Achse entspricht. Der Verfolger \(P\) startet auf einem beliebigen Punkt auf dem ersten Quadrant.Um die Rechnungen zu vereinfachen wir die Geschwindigkeit \(v\) auf 1 gesetzt. Diese Anfangspunkte oder Anfangsbedingungen können wie folgt formuliert werden: +Das zu verfolgende Ziel \(\overrightarrow{Z}\) wandert auf einer Gerade mit konstanter Geschwindigkeit \(v = 1\), wobei diese Gerade der \(y\)-Achse entspricht. Der Verfolger \(\overrightarrow{V}\) startet auf einem beliebigen Punkt im ersten Quadrant und bewegt sich auch mit konstanter Geschwindigkeit. Diese Anfangspunkte oder Anfangsbedingungen können wie folgt formuliert werden: \begin{equation} - A + \overrightarrow{Z} = \left( \begin{array}{c} 0 \\ v \cdot t \end{array} \right) = \left( \begin{array}{c} 0 \\ t \end{array} \right) ; - P + \overrightarrow{V} = \left( \begin{array}{c} x \\ y \end{array} \right) \label{lambertw:Anfangspunkte} \end{equation} -Wenn man diese Startpunkte in die Gleichung der Verfolgungskurve einfügt ergibt sich folgender Ausdruck: +Wenn man diese Startpunkte in die Gleichung der Verfolgungskurve \eqref{lambertw:pursuerDGL} einfügt ergibt sich folgender Ausdruck: \begin{equation} \frac{\left( \begin{array}{c} 0-x \\ t-y \end{array} \right)}{\sqrt{x^2 + (t-y)^2}} \circ @@ -79,12 +77,12 @@ Wenn man nun beidseitig die Quadratwurzel zieht, dann ergibt sich im Vergleich z = 0 \label{lambertw:equation5} \end{equation} -Um die Ableitung nach der Zeit wegzubringen wird beidseitig mit \(\dot{x}\) dividiert, wobei \(\frac{\dot{y}}{\dot{x}} = \frac{dy}{dt}/\frac{dx}{dt} = \frac{dy}{dx}\) entspricht. +Um die Ableitung nach der Zeit wegzubringen, wird beidseitig mit \(\dot{x}\) dividiert, wobei \(\frac{\dot{y}}{\dot{x}} = \frac{dy}{dt}/\frac{dx}{dt} = \frac{dy}{dx}\) entspricht. \[ x \frac{\dot{y}}{\dot{x}} + (t-y) \frac{\dot{x}}{\dot{x}} = 0 \] -Nach dem kürzen ergibt sich folgende DGL: +Nach dem Kürzen und Vereinfachen ergibt sich folgende DGL: \begin{equation} x y^{\prime} + t - y = 0 @@ -146,21 +144,109 @@ Diese kann mit den selben Methoden gelöst werden, diesmal in Kombination mit de &= \int \frac{1}{2} (e^{ln(x)+C} - e^{-(ln(x)+C)}) \\ &= - C_1 + C_2 x^2 - C_3 ln(x) + \frac{e^C}{4} x^2 - \frac{ln(x)}{2 \cdot e^C} + C_1 \\ + &= + C_1 + C_2 x^2 - \frac{ln(x)}{8 \cdot C_2} \end{align*} -Das Resultat wie ersichtlich ist folgende Funktion welche mittels Anfangsbedingungen parametrisiert werden kann: + +\begin{figure} + \centering + \includegraphics{papers/lambertw/Bilder/VerfolgungskurveBsp.png} + \caption[Graph der Verfolgungskurve]{Graph der Verfolgungskurve wobei, ({\color{red}rot}) die Funktion \ensuremath{y(x)} ist, ({\color{darkgreen}grün}) der quadratische Teil und ({\color{blue}blau}) dem \ensuremath{ln(x)}-Teil entspricht. + \label{lambertw:BildFunkLoes} + } +\end{figure} + +Das Resultat, wie ersichtlich, ist folgende Funktion \eqref{lambertw:funkLoes} welche mittels Anfangsbedingungen parametrisiert werden kann: \begin{equation} - y(x) + {\color{red}{y(x)}} = - C_1 + C_2 x^2 - C_3 ln(x) + C_1 + C_2 {\color{darkgreen}{x^2}} {\color{blue}{-}} \frac{\color{blue}{ln(x)}}{8 \cdot C_2} \label{lambertw:funkLoes} \end{equation} -Für die Koeffizienten \(C_1, C_2\) und \(C_3\) ergibt sich ein Anfangswertproblem, welches für deren Bestimmung gelöst werden muss. Zuerst soll aber eine qualitative Intuition, oder Idee für das Aussehen der Funktion \(\bf{y(x)}\) geschaffen werden: +Für die Koeffizienten \(C_1\) und \(C_2\) ergibt sich ein Anfangswertproblem, welches für deren Bestimmung gelöst werden muss. Zuerst soll aber eine qualitative Intuition, oder Idee für das Aussehen der Funktion \(\bf{y(x)}\) geschaffen werden: \begin{itemize} \item Für grosse \(x\)-Werte welche in der Regel in der Nähe von \(x_0\) sein sollten, ist der quadratisch Term in der Funktion dominant und somit für immer kleiner werdende \(x\) geht der Verfolger in Richtung \(y\)-Achse wobei seine Steigung stetig sinkt, was Sinn macht wenn der Verfolgte entlang der \(y\)-Achse steigt. \item Für \(x\)-Werte in der Nähe von \(0\) ist das asymptotische Verhalten des Logarithmus dominant, dies macht auch Sinn da sich der Verfolgte auf der \(y\)-Achse bewegt und der Verfolger im nachgeht. \item - Aufgrund des Monotoniewechsels in der Kurve muss die Kurve auch ein Minimum aufweisen. Es stellt sich nun die Frage: Wo befindet sich dieser Punkt? Durch eine logische Überlegung kann eine Abschätzung darüber getroffen werden und zwar, dass dieser dann entsteht, wenn \(A\) und \(P\) die gleiche \(y\)-Koordinaten besitzen. In diesem Moment ändert die Richtung der \(y\)-Komponente der Geschwindigkeit und somit auch sein Vorzeichen. + Aufgrund des Monotoniewechsels in der Kurve muss es auch ein Minimum aufweisen. Es stellt sich nun die Frage: Wo befindet sich dieser Punkt? Durch eine logische Überlegung kann eine Abschätzung darüber getroffen werden und zwar, dass dieser dann entsteht, wenn \(A\) und \(P\) die gleiche \(y\)-Koordinaten besitzen. In diesem Moment ändert die Richtung der \(y\)-Komponente der Geschwindigkeit und somit auch sein Vorzeichen. \end{itemize} +Alle diese Eigenschafte stimmen mit dem überein, was man von einer Kurve dieser Art erwarten würde, siehe \ref{lambertw:BildFunkLoes}. Nun stellt sich die Frage wie die Kurve wirklich aussieht, dies wird durch das Einsetzen folgender Anfangsbedingungen erreicht: +\begin{equation} + y(x)\big \vert_{t=0} + = + y(x_0) + = + y_0 + \:;\: + \frac{dy}{dx}\bigg \vert_{t=0} + = + y^{\prime}(x_0) + = + \frac{y_0}{x_0} +\end{equation} +Leitet man die Funktion \eqref{lambertw:funkLoes} nach x ab und setzt die Anfangsbedingungen ein, dann ergibt sich folgendes Gleichungssystem: +\begin{subequations} + \begin{align} + y_0 + &= + C_1 + C_2 x^2_0 - \frac{ln(x_0)}{8 \cdot C_2} \\ + \frac{y_0}{x_0} + &= + 2 \cdot C_2 x_0 - \frac{ln(x_0)}{8 \cdot C_2} + \end{align} +\end{subequations} +... Mit folgenden Formeln geht es weiter: +\begin{align*} + \eta + &= + \left(\frac{x}{x_0}\right)^2 + \:;\: + r_0 + = + \sqrt{x_0^2+y_0^2} \\ + y + &= + \frac{1}{4}\left(\left(y_0+r_0\right)\eta+\left(r_0-y_0\right)ln\left(\eta\right)-r_0+3y_0\right) \\ + y^\prime + &= + \frac{1}{2}\left(\left(y_0+r_0\right)\frac{x}{x_0^2}+\left(r_0-y_0\right)\frac{1}{x}\right) \\ + -4t + &= + \left(y_0+r_0\right)\left(\eta-1\right)+\left(r_0-y_0\right)ln\left(\eta\right) \\ + -4t+\left(y_0+r_0\right) + &= + \left(y_0+r_0\right)\eta+\left(r_0-y_0\right)ln\left(\eta\right) \\ + e^{-4t+\left(y_0+r_0\right)} + &= + e^{\left(y_0+r_0\right)\eta}\cdot\eta^{\left(r_0-y_0\right)} \\ + e^{\frac{-4t}{r_0-y_0}+\frac{y_0+r_0}{r_0-y_0}} + &= + e^{\frac{y_0+r_0}{r_0-y_0}\eta}\cdot\eta\ \\ + \chi + &= + \frac{y_0+r_0}{r_0-y_0}; \cdot\chi \\ + \chi\cdot e^{\chi-\frac{4t}{r_0-y_0}} + &= + \chi\eta\cdot e^{\chi\eta} \\ + W\left(\chi\cdot e^{\chi-\frac{4t}{r_0-y_0}}\right) + &= + \chi\eta \\ + \frac{W\left(\chi\cdot e^{\chi-\frac{4t}{r_0-y_0}}\right)}{\chi} + &= + \eta \\ + \frac{W\left(\chi\cdot e^{\chi-\frac{4t}{r_0-y_0}}\right)}{\chi} + &= + \left(\frac{x}{x_0}\right)^2 \\ + x\left(t\right) + &= + \sqrt{\frac{W\left(\chi\cdot e^{\chi-\frac{4t}{r_0-y_0}}\right)}{\chi}} +\end{align*} +\begin{equation} + y(t) + = + \frac{1}{4}\left(\left(y_0+r_0\right)\frac{W\left(\chi\cdot e^{\chi\ -\ \frac{4t}{r_0-y_0}}\right)}{\chi}+\left(r_0-y_0\right)\cdot\mathrm{ln}\ \left(\frac{W\left(\chi\cdot e^{\chi\ -\ \frac{4t}{r_0-y_0}}\right)}{\chi}\right)-r_0+3y_0\right) + \label{lambertw:funkNachT} +\end{equation} |
