به محفل ریاضی ایرانیان خوش آمدید! لطفا برای استفاده از تمامی امکانات عضو شوید
+2 امتیاز
2,191 بازدید
در دانشگاه توسط Mohammad1 (11 امتیاز)
ویرایش شده توسط AmirHosein

با عرض سلام و احترام. نزدیکترین نقاط رویهٔ $z^2-xy=1$ را به مبدا چگونه باید بدست آورد؟ روش حل کلی اینگونه سوالاتی که نزدیکترین یا دورترین نقاط رویه‌ای نسبت به مبدا را می‌خواهند، چگونه است؟ با تشکر.

1 پاسخ

+1 امتیاز
توسط AmirHosein (19,733 امتیاز)

این پرسش و نمونه‌های مشابه‌شان ساده هستند. توجه کنید که چیزی که دنبالش هستید را این گونه می‌توانید بازگویی کنید. یک نقطهٔ ثابت دارید $A$، و یک مجموعه (می‌توانید هر چیزی حتی نارویه باشد) $S$. این دو شیء می‌توانند در فضایی با بعد دلخواه باشند و فقط به ۳ بعد محدود نیست. در مثال شما ۳ بعدی هستند. داریم $A=(0,0,0)$ و $S=\lbrace (x,y,z,)\in\mathbb{R}^3\mid z^2-xy-1=0\rbrace$. فرض کنید $(x,y,z)$ یک نقطه در $S$ باشد، فاصلهٔ این نقطه از $A$ می‌شود

$$\sqrt{(x-x_A)^2+(y-y_A)^2+(z-z_A)^2}$$

اکنون شما می‌خواهید پرسش بهینه‌سازی زیر را حل کنید.

$$\min(\sqrt{(x-x_A)^2+(y-y_A)^2+(z-z_A)^2})\;\text{ s.t. }\;(x,y,z)\in S$$

یعنی یافتن کمینهٔ تابع سه‌متغیرهٔ بالا که $x_A$ و $y_A$ و $z_A$ ثابت هستند ولی $x$ و $y$ و $z$ می‌توانند بر روی $S$ تغییر کنند. توجه کنید که تابعی که می‌خواهیم کمینه کنیم زمانی کمینه می‌شود که بدون جذرش کمینه شود (زیر جذر نامنفی است). و این نکته به شکل اگر و تنها اگر است. پس در پرسش شما هدف به شکل زیر بازنویسی می‌شود.

$$\min(x^2+y^2+z^2)\;\text{ s.t. }\;z^2-xy-1=0$$

اکنون باید به یاد چیزی افتاده باشید! ضریب‌های لاگرانژ. در همین سایت تعداد زیادی پست پیرامون ضریب‌های لاگرانژ هست پس بدون مقدمه سراغ دنبالهٔ حل می‌رویم. یک متغیر کمکی می‌افزائیم و تابع جدید $H$ زیر را تعریف می‌کنیم.

$$H(x,y,z)=(x^2+y^2+z^2)+\lambda(z^2-xy-1)$$

نقطه‌ای که کمینهٔ شما در آن رخ خواهد داد جزو نقطه‌های بحرانی این تابع خواهد بود. پس دستگاه مشتق‌های پاره‌ای (جرئی) را تشکیل و حل می‌کنیم. $\frac{\partial H}{\partial x}=\frac{\partial H}{\partial y}=\frac{\partial H}{\partial z}=\frac{\partial H}{\partial \lambda}=0$. این دستگاه دارای چهار پاسخ حقیقی است. این چهار نقطه را در تابع فاصلهٔ اصلی می‌گذاریم. دوتا از آنها مقدار ۱ و دوتای دیگر مقدار $\sqrt{2}$ را می‌دهند. پس کمترین فاصلهٔ ممکن برابر با ۱ است و در دقیقا دو نقطه رُخ می‌دهد، نقطه‌های $(0,0,1)$ و $(0,0,-1)$. در زیر محاسبه‌ها با کمک نرم‌افزار Maple آورده شده‌اند. البته این محسابه‌ها با دست نیز به سادگی انجام می‌شدند. بعلاوه رسم یک شکل نیز افزوده‌شده‌است.

H:=((x-0)^2+(y-0)^2+(z-0)^2)+lambda*(z^2-x*y-1);
F:=[seq(diff(H,j)=0,j in [x,y,z,lambda])];
sols:=[solve(F,{x,y,z,lambda},real)];
for j in sols do
eval((x-0)^2+(y-0)^2+(z-0)^2,j);
end do;
pPoints:=plots:-pointplot3d([[0,0,0],[0,0,-1],[0,0,1],[1,-1,0],[-1,1,0]],color=[yellow,blue,blue,red,red],symbol=solidsphere,symbolsize=20):
pSurface:=plots:-implicitplot3d(z^2-x*y-1=0,x=-2..2,y=-2..2,z=-2..2,style=surface,color=cyan,transparency=0.5):
plots:-display(pPoints,pSurface,scaling=constrained,view=[-2..2,-2..2,-2..2]);

شکل مورد نظر در زیر آمده‌است. نقطهٔ $A$ به رنگ زرد، رویهٔ مورد نظر با رنگ آبی آسمانی و با حالت نیمه‌شفاف، نقطه‌هایی که کمینه در آنها رخ می‌دهد با آبی و دو نقطهٔ اضافه با رنگ قرمز نمایش داده‌شده‌اند.

توضیحات تصویر

برای ترجمه ی یک جمله از انگلیسی به فرانسوی دو چیز ضروری است. اول، باید جمله ی انگلیسی را تماما بفهمیم. دوم، باید با اصطلاحات ویژه ای که در زبان فرانسوی هستند آشنا باشیم. این وضعیت خیلی شبیه هنگامی است که سعی داریم شرط را که با کلمات بیان شده است با نمادهای ریاضی بیان کنیم. اول، باید آن را تمام درک کنیم. دوم، باید با اصطلاحات ریاضی ریاضی آشنا باشیم.
...