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-rw-r--r-- | buch/papers/lambertw/teil0.tex | 118 |
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diff --git a/buch/papers/lambertw/teil0.tex b/buch/papers/lambertw/teil0.tex index 2b83d59..36ef7c3 100644 --- a/buch/papers/lambertw/teil0.tex +++ b/buch/papers/lambertw/teil0.tex @@ -3,20 +3,108 @@ % % (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil % -\section{Teil 0\label{lambertw:section:teil0}} -\rhead{Teil 0} -Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam -nonumy eirmod tempor invidunt ut labore et dolore magna aliquyam -erat, sed diam voluptua \cite{lambertw:bibtex}. -At vero eos et accusam et justo duo dolores et ea rebum. -Stet clita kasd gubergren, no sea takimata sanctus est Lorem ipsum -dolor sit amet. - -Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam -nonumy eirmod tempor invidunt ut labore et dolore magna aliquyam -erat, sed diam voluptua. -At vero eos et accusam et justo duo dolores et ea rebum. Stet clita -kasd gubergren, no sea takimata sanctus est Lorem ipsum dolor sit -amet. +\section{Was sind Verfolgungskurven? +\label{lambertw:section:Was_sind_Verfolgungskurven}} +\rhead{Was sind Verfolgungskurven?} + +Verfolgungskurven tauchen oft auf bei Fragen wie welchen Pfad begeht ein Hund während er einer Katze nachrennt. +Ein solches Problem hat im Kern immer ein Verfolger und sein Ziel. +Der Verfolger verfolgt sein Ziel, das versucht zu entkommen. +Der Pfad, der der Verfolger während der Verfolgung begeht, wird Verfolgungskurve genannt. +Um diese Kurve zu bestimmen, kann das Verfolgungsproblem als Differentialgleichung formuliert werden. +Diese Differentialgleichung entspringt der Verfolgungsstrategie des Verfolgers. + + +\subsection{Verfolger und Verfolgungsstrategie +\label{lambertw:subsection:Verfolger}} +Wie bereits erwähnt, wird der Verfolger durch seine Verfolgungsstrategie definiert. +Wir nehmen an, dass sich der Verfolger stur an eine Verfolgungsstrategie hält. +Dabei gibt es viele mögliche Strategien, die der Verfolger wählen könnte. +Die möglichen Strategien entstehen durch Festlegung einzelner Parameter, die der Verfolger kontrollieren kann. +Der Verfolger hat nur einen direkten Einfluss auf seinen Geschwindigkeitsvektor. +Mit diesem kann er neben Richtung und Betrag auch den Abstand zwischen Verfolger und Ziel kontrollieren. +Wenn zwei dieser drei Parameter durch die Strategie definiert werden, ist der dritte nicht mehr frei. +Daraus folgt, dass eine Strategie zwei dieser drei Parameter festlegen muss, um den Verfolger komplett zu beschreiben. + +\begin{table} + \centering + \begin{tabular}{|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|} + \hline + \text{}&\text{Geschwindigkeit}&\text{Abstand}&\text{Richtung}\\ + \hline + \text{Strategie 1} + & \text{konstant} & \text{-} & \text{direkt auf Ziel hinzu}\\ + + \text{Strategie 2} + & \text{-} & \text{konstant} & \text{direkt auf Ziel hinzu}\\ + + \text{Strategie 3} + & \text{konstant} & \text{-} & \text{etwas voraus Zielen}\\ + \hline + \end{tabular} + \caption{mögliche Verfolgungsstrategien} + \label{lambertw:table:Strategien} +\end{table} + +\begin{figure} + \centering + \includegraphics[scale=0.1]{./papers/lambertw/Bilder/pursuerDGL2.pdf} + \caption{Vektordarstellung Strategie 1} + \label{lambertw:grafic:pursuerDGL2} +\end{figure} + +In der Tabelle \eqref{lambertw:table:Strategien} sind drei mögliche Strategien aufgezählt. +Im Folgenden wird nur noch auf die Strategie 1 eingegangen. +Bei dieser Strategie ist die Geschwindigkeit konstant und der Verfolger bewegt sich immer direkt auf sein Ziel zu. +In der Abbildung \eqref{lambertw:grafic:pursuerDGL2} ist das Problem dargestellt, +wobei $\vec{V}$ der Ortsvektor des Verfolgers, $\vec{Z}$ der Ortsvektor des Ziels und $\dot{\vec{V}}$ der Geschwindigkeitsvektor des Verfolgers ist. +Die konstante Geschwindigkeit kann man mit der Gleichung +\begin{equation} + |\dot{\vec{V}}| + = \operatorname{const} = A + \quad A\in\mathbb{R}>0 +\end{equation} +darstellen. Der Geschwindigkeitsvektor wiederum kann mit der Gleichung +\begin{equation} + \frac{\vec{Z}-\vec{V}}{|\vec{Z}-\vec{V}|}\cdot|\dot{\vec{V}}| + = + \dot{\vec{V}} +\end{equation} +beschrieben werden. +Die Differenz der Ortsvektoren $\vec{V}$ und $\vec{Z}$ ist ein Vektor der vom Punkt $V$ auf $Z$ zeigt. +Da die Länge dieses Vektors beliebig sein kann, wird durch Division durch den Betrag, die Länge auf eins festgelegt. +Aus dem Verfolgungsproblem ist auch ersichtlich, dass die Punkte $V$ und $Z$ nicht am gleichen Ort starten und so eine Division durch Null ausgeschlossen ist. +Wenn die Punkte $V$ und $Z$ trotzdem am gleichen Ort starten, ist die Lösung trivial. +Nun wird die Gleichung mit $\dot{\vec{V}}$ skalar multipliziert, um das Gleichungssystem von zwei auf eine Gleichung zu reduzieren. Somit ergeben sich +\begin{align} + \frac{\vec{Z}-\vec{V}}{|\vec{Z}-\vec{V}|}\cdot|\dot{\vec{V}}|\cdot\dot{\vec{V}} + &= + |\dot{\vec{V}}|^2 + \\ + \label{lambertw:pursuerDGL} + \frac{\vec{Z}-\vec{V}}{|\vec{Z}-\vec{V}|}\cdot \frac{\dot{\vec{V}}}{|\dot{\vec{V}}|} + &= + 1 \text{.} +\end{align} +Die Lösungen dieser Differentialgleichung sind die gesuchten Verfolgungskurven, insofern der Verfolger die Strategie 1 verwendet. + +\subsection{Ziel +\label{lambertw:subsection:Ziel}} +Als nächstes gehen wir auf das Ziel ein. +Wie der Verfolger wird auch unser Ziel sich strikt an eine Fluchtstrategie halten, welche von Anfang an bekannt ist. +Diese Strategie kann als Parameterdarstellung der Position nach der Zeit beschrieben werden. +Zum Beispiel könnte ein Ziel auf einer Geraden flüchten, welches auf einer Ebene mit der Parametrisierung + +\begin{equation} + \vec{Z}(t) + = + \left( \begin{array}{c} 0 \\ t \end{array} \right) +\end{equation} + +beschrieben werden könnte. +Mit dieser Gleichung ist das Ziel auch schon vollumfänglich definiert. +Die Fluchtkurve kann eine beliebige Form haben, jedoch wird die zu lösende Differentialgleichung für die Verfolgungskurve immer komplexer. + + |