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Problemas en el Cálculo de VariacionesAunque el cálculo puede parecer esotérico y teórico , en realidad es uno de los campos más prácticas de las matemáticas . En particular , el cálculo de variaciones se utiliza para calcular las fuerzas , minimizar los costes , cohetes diseño y control de equipos industriales . Los métodos son relativamente simples --- al menos para ciertas clases de problemas --- pero incluso los métodos más complejos son más poderosos de lo que parecen . El Problema Primal El principal ejemplo frecuentemente citado de un problema en el cálculo variacional se afirma en el problema de la reina Dido . La mítica reina se le dio la capacidad de gobernar sobre cualquier tierra que podía cubrir con la piel de una vaca. Ella tomó la piel de vaca y se corta en tiras delgadas , atándolas juntas para hacer un lazo largo . Su problema era tomar ese bucle y lo utilizan para describir el reino más grande posible. Eso es un problema en el cálculo de variaciones . A finales de 1700 , Isaac Newton estableció sobre el problema de diseño de un cuerpo que tendría una resistencia mínima al volando por el aire . Esta es la marca de los problemas variacionales . Hay una cantidad --- resistencia del aire --- que depende de otro conjunto de parámetros --- la forma de la superficie . La idea es encontrar el conjunto de parámetros que minimiza o maximiza la cantidad. El primer paso consiste en expresar la cantidad a ser minimizado como una función de los parámetros del problema . Ese primer paso que usted necesita para aplicar su conocimiento del problema; entonces usted puede aplicar las técnicas del cálculo de variaciones . Un ranchero es con lo que en algunas ovejas que quiere mantener separado del resto de sus animales . Él tiene un canal de riego recta que va a usar como un lado de un recinto, y él tiene un kilómetro de valla para el resto . Él quiere cercar el mayor pastizal posible. ¿Cómo debería diseñar su cerca ? En primer lugar, aplicar su conocimiento de fondo para expresar la cantidad que se maximiza. El área es igual a la longitud multiplicada por el ancho de la zona cerrada . Además , la longitud + 2 multiplicado por la anchura es igual a un kilómetro. Esto nos lleva a la ecuación: area = ancho - 2 multiplicado por el ancho ^ 2 Foto Ahora la expresión está listo para que usted aplique las técnicas de cálculo variacional la forma más simple de optimización es el que está en este problema. La cantidad a ser maximizada es una expresión de una sola variable , y todo lo que necesita hacer es encontrar uno máximo. El proceso simple es tomar la derivada de la cantidad a ser maximizada con respecto a la variable . . . En este caso , el derivado de la zona con respecto a la anchura d ( área) /d (ancho ) = 1 - 4 multiplicado por la anchura SET que igual a cero; Esto le permitirá identificar un punto de inflexión --- un lugar donde la función original cambia su dirección . Ajuste de la derivada de este problema es igual a cero , se encuentra que la anchura es igual a 1/4 de un kilómetro. El proceso se describe en el párrafo anterior identifica un punto de inflexión en la curva de la cantidad a ser maximizada , pero aún no se ha distinguido un máximo de un mínimo de una " rodilla " en la curva . Otra prueba es necesario. Tome la segunda derivada de la curva . Si es negativo en el punto donde la primera derivada es cero , la curva está en un máximo . Si la segunda derivada es positiva allí, a continuación, la curva tiene un mínimo . Si la segunda derivada es cero, entonces no hay ni un máximo o mínimo de la curva original en ese punto. Para el problema de ejemplo, la segunda derivada es -4 --- menos de cero --- cuyos medios que el área se maximiza cuando la anchura es de 1/4 de un kilómetro . Sólo para acabar con el problema, si el ancho es de 1/4 km, la longitud es de 1/2 km, y el área es de 1 /8 km ^ 2 . Hay decenas , si no cientos, de los libros de texto sobre el cálculo de variaciones . Este ejemplo representa el tipo más sencillo de problema. Otros problemas que se pueden resolver con el cálculo variacional incluyen cosas tales como : encontrar el paquete de 1 galón que utiliza la menor cantidad de material; encontrar la luz camino lleva a través de una lente; determinar la cantidad correcta de inventario para tener a la mano para minimizar los costos totales; el diseño de la forma de insertar en frente de un motor a reacción para hacer la entrada de aire lo más suave posible . Estos ejemplos , por supuesto, son representativos de un campo mucho más amplio de problemas de acceso a las técnicas del cálculo de variaciones . Anterior: Siguiente: colegio
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