متسلسلة تايلور ومقاييس التسارع || الرياضيات ∩ البرمجة

متسلسلة تايلور ومقاييس التسارع || الرياضيات ∩ البرمجة


في كتابي، مقدمة للمبرمج في الرياضيات، أصف سلسلة تايلور بأنها “مطرقة لكل مسمار”. لقد تعرفت على مسمار آخر في تصميم مقاييس تسارع الهواتف الذكية الحديثة من “ثماني قصص هندسية مذهلة” بقلم هاماك ورايان وزيك، والتي سأشاركها هنا.

تم تصميم مقاييس التسارع هذه باستخدام نظام يتضمن ثلاث لوحات تتوافق مع مكثفين. تلخيص سريع لفهمي (المحدود) لكيفية عمل المكثفات. يبدو المكثف الذي يحتوي على لوحتين موصلتين كما يلي:

متسلسلة تايلور ومقاييس التسارع || الرياضيات ∩ البرمجة

مكثف ذو لوحتين موصول بالبطارية. (مصدر)

يدفع الجهد الذي توفره البطارية الإلكترونات على طول الاتجاه السلبي، أو ما يعادل دفع “الشحنة” على طول الاتجاه الإيجابي (انظر الفرق بين تدفق الشحنة وتدفق الانتخابات). تتراكم هذه الانتخابات في اللوحة المسمى $ -Q$، ويولد الفرق في الشحن عبر اللوحين مجالًا كهربائيًا. إذا كان هذا المجال الكهربائي قويًا بدرجة كافية، فيمكن للإلكترونات القفز في الفجوة إلى اللوحة الموجبة وإكمال الدائرة. وبخلاف ذلك، تصل اللوحة إلى “السعة” ويتوقف التيار عن التدفق. وسواء حدث القفز أو توقف التيار يعتمد على مساحة اللوحة $ A$، والمسافة بين اللوحين $ d$، وخواص المادة بين اللوحات، ويسمى الأخير “ثابت العزل الكهربائي” $ \varepsilon$. (ملحوظة، لست متأكدًا من سبب عدم اعتمادها على المادة التي تتكون منها اللوحة، لكنني أتخيل أنها قد يتم دمجها في ثابت العزل الكهربائي إذا لزم الأمر) يتم تلخيص هذه العلاقة بالصيغة

$$\displaystyle C = \frac{\varepsilon A}{d}$$

بعد ذلك، يمكن لحدث خارجي أن يتسبب في تحرك الصفائح بالقرب من بعضها البعض بدرجة كافية بحيث تتمكن الإلكترونات من القفز في الفجوة ويمكن أن يبدأ التيار في التدفق. يؤدي هذا إلى تفريغ اللوحة السالبة الشحنة.

يمكن أن يعمل مقياس التسارع البسيط الخالي من سلسلة تايلور على النحو التالي:

  1. اسمح للوحة المشحونة سالبًا بالتمايل قليلاً عن طريق تثبيت طرف واحد فقط من اللوحة، كما هو موضح في الصورة مثل لوح الغوص (ناتئ).
  2. سيكون مقدار التذبذب متناسبًا مع قوة التسارع وفقًا لقانون هوك للزنبركات.
  3. عند الإزاحة بمسافة $ \delta$، تتغير السعة في اللوحة إلى $ C = \frac{\varepsilon A}{d – \delta}$.
  4. استخدم كمية التفريغ لمعرفة مقدار إزاحة اللوحة.

وهذا قادر على قياس قوة التسارع في بعد واحد، ولذلك يتم ترتيب هذه الأجهزة في محاور متعامدة للسماح بقياس التسارع في الفضاء ثلاثي الأبعاد.

المشكلة في هذا التصميم هي أن $ C = \frac{\varepsilon A}{d – \delta}$ هو تغير غير خطي في السعة بالنسبة إلى مقدار الإزاحة. لمعرفة كيف أنها غير خطية، قم بتوسيع هذه إلى سلسلة تايلور:

$$\displaystyle \begin{aligned} C &= \frac{\varepsilon A}{d – \delta} \\\ &= \frac{\varepsilon A}{d} \left ( \frac{1}{1 – \frac{\delta}{d}} \right ) \\\ &= \frac{\varepsilon A}{d} \left ( 1 + \frac{\delta}{d} + \left ( \frac{\delta}{d} \right )^2 + O_{\delta \to 0}(\delta^3) \right ) \end{محاذاة}$$

أنا أستخدم الترميز الكبير O $ O_{\delta \to 0}(\delta^3)$ لأقول بشكل أكثر صرامة أنني “أتجاهل” جميع الحدود المكعبة والأعلى. يمكنني القيام بذلك لأنه في هذه الأنظمة الهندسية (أنا آخذ كلام هاماك هنا)، تكون الكمية $ (\delta / d)^2$ كبيرة بشكل ذي معنى، ولكن المصطلحات اللاحقة مثل $ (\delta / d)^3$ صغيرة بشكل لا يذكر. بالطبع، يكون هذا صحيحًا فقط عندما تكون الإزاحة $ \delta$ صغيرة جدًا مقارنة بـ $ d$، ولهذا السبب يحتوي الحرف الكبير O على رمز منخفض $ \delta \to 0$.

على ما يبدو، العمل إلى الوراء من خلال اللاخطية في تغيير السعة أمر صعب بما فيه الكفاية لتبرير تغيير تصميم النظام. (لا أعرف سبب صعوبة ذلك، لكنني أتصور أن الأمر يتعلق بالقيود الهندسية لأجهزة القياس؛ يرجى المشاركة إذا كنت تعرف المزيد)

تصميم النظام الذي يتجنب ذلك هو نظام ثلاثي الألواح بدلاً من نظام ثنائي الألواح. في هذا النظام، تتحرك اللوحة الوسطى ذهابًا وإيابًا بين لوحتين ثابتتين متصلتين بمصدر جهد. عندما تبتعد عن أحدهما وتقترب من الآخر، فإن السعة المتزايدة على أحد الجانبين تتوازن مع السعة المنخفضة على الجانب الآخر. توضح متسلسلة تايلور كيف أن هذين التغييرين يلغيان الحد التربيعي فقط.

إذا كان $ C_1 = \frac{\varepsilon A}{d – \delta}$ يمثل السعة المتغيرة للوحة اليسرى (تتحرك اللوحة الوسطى بالقرب منها)، و$ C_2 = \frac{\varepsilon A}{d + \delta}$ يمثل اللوحة اليمنى (تتحرك اللوحة الوسطى بعيدًا عنها)، ثم نقوم بتوسيع الفرق في السعات عبر متسلسلة تايلور (باستخدام متسلسلة تايلور مقابل $ 1/(1-x)$ لكليهما، ولكن في الحالة $ 1 + \delta/d$ يكون $ 1 / (1 – (-x))$).

$$\displaystyle \begin{aligned} C_1 – C_2 &= \frac{\varepsilon A}{d – \delta} – \frac{\varepsilon A}{d + \delta} \\\ &= \frac{\varepsilon A}{d} \left ( \frac{1}{1 – \frac{\delta}{d}} – \frac{1}{1 + \frac{\delta}{d}} \right ) \\\ &= \frac{\varepsilon A}{d} \left ( 1 + \frac{\delta}{d} + \left ( \frac{\delta}{d} \right )^2 + O_{\delta \to 0}(\delta^3) – 1 + \frac{\delta}{d} – \left ( \frac{\delta}{d} \right )^2 + O_{\delta \to 0}(\delta^3) \right ) \\\ &= \frac{\varepsilon A}{d} \left ( \frac{2\delta}{d} + O_{\delta \to 0}(\delta^3) \right ) \end{محاذاة}$$

مرة أخرى، نظرًا لأن الحدود التكعيبية والحدود الأعلى صغيرة جدًا، فيمكننا “تجاهل” تلك الأجزاء. ما تبقى هو استجابة خطية للتغير في إزاحة اللوحة الوسطى. وهذا يجعل القياس أسهل بكثير. ولأننا نقيس الفرق في السعة، فإن هذا التصميم يسمى “المكثف التفاضلي”.

على الرغم من أن الرياضيات مرتبة في الماضي، إلا أنني أتعجب من الطريقة التي يمكن للمرء أن يتصور بها هذا التصميم من الصفر. هل لاحظ المخترع أن التماثلات في تقريبيات متسلسلة تايلور يمكن ترتيبها بحيث تنفي بعضها البعض؟ هل كان هناك نوع آخر من “الحدس الجسدي” في اللعب؟

حتى المرة القادمة!





Source link

Postagens Similares

  • Taste of Beauty – 植物ベースの高級ダイニング

    ファウンテン バレーにあるテイスト オブ ビューティーは、新鮮な季節の食材を見て、嗅いで、触れて、味わうことができるアートとなる植物ベースの高級レストランです。 メニューは、私たちが故郷と呼ぶこの地球の息を呑むような美しさを思い出させるようにデザインされています。それぞれの料理は地理的な風景を描写し、世界中の料理の風味をブレンドしています。すべての文化と料理がつながっているのと同じように、私たちは母なる自然に対して同じ責任を共有しています。 レストランでは、5 コースと 8 コースのテイスティング メニューを提供しており、各メニューでビーガンまたはベジタリアンを選択できます。両方を試飲できるように、それぞれ1つずつ注文することにしました。 あなたが私のような筋金入りの肉食家であれば、野菜だけのメニューに何百ドルも費やすという考えはお金の無駄のように思えるかもしれません。ただし、オレンジカウンティで最高の高級レストランの 1 つを試してみるのをやめないでください。どの料理もとても美味しく、プレゼンテーションも素晴らしかったです。 4人分のディナーは628.68ドルでした。レストランでは 18% のサービス料が追加されましたが、これはチップだと思いました。しかし、クレジットカードの領収書にサインしようとすると、さらにチップの欄がありました。レストランが請求書に 18% のチップ/サービス料を追加したことは気にしませんでした。ただし、クレジットカードの領収書にチップの一文を追加するのは少し不快でした。それ以外では、テイスト オブ ビューティーは、植物ベースのダイニングに興味がある人にとってはとても興味深いものです。 Source link

  • Dustin Mierau

    Un sitio web para mis pensamientos, fotografías, biblioteca, arte y trabajo.Navega alrededor. Deja una marca. Programas Blog Reloj Globo Biblioteca Fotos Cartera Rompecabezas Rolodex Sellos Hablar Terminal TELEVISOR Blog Hola, me he creado un sitio web. Fotos Biblioteca Arco — Ugo Bienvenu En arco iris – Radiohead Recuerdos de acceso aleatorio – Daft Punk Accidente…

  • 尔湾 Nep Cafe 的 Dot Com 午餐

    Nep 咖啡馆将传统风味与现代烹饪技术融为一体,提供创新的现代越南美食。他们有两个地点。一个在芳泉谷,第二个在尔湾,这是我们吃午餐的地方。 Nep 的越南美食方法具有创新性,超越传统界限,呈现当代越南餐饮体验。对于那些想要探索越南美食的当前和未来趋势的人来说,这家咖啡馆是理想的目的地。 Nep 提供大多数传统越南菜肴,但它们以现代、高档的方式呈现。 我们的午餐以海鲜酸橘汁腌鱼开胃菜开始,由扇贝、虾、鱿鱼制成,搭配由泰国辣椒、芒果和椰子制成的汤姆百胜酱。它与一些米片搭配用作容器。将酸橘汁腌鱼放入薯片中,然后将其全部吃掉。非常好吃! 接下来是 Nep 的大蒜面条。这道菜由大蒜黄油酱油、柠檬草沙爹和大蒜制成,会让您想起为什么越南菜是世界上最好的菜之一。这道菜可以选择虾肉或蟹肉。我们和虾一起去了。它被完美地烧焦了,和面条很相配。 最后一道菜是我们来到Nep的第一个原因:Bánh Mì Chao。这道菜包括各种肉类(最受欢迎的通常是牛肉bò né)、香肠、鸡蛋和煎锅上的肉酱,与面包一起食用。它基本上是一个解构的越南潜艇。 我们的 Bánh Mì Chao 配有黑胡椒酱菲力牛排、两个单面鸡蛋、猪肉卷、肉酱和西红柿。面包放在侧边的篮子里。可以单独吃,也可以和主菜一起吃。 两人的午餐价格为每人 40 美元多一点,比典型的越南餐厅要高,但就质量和服务水平而言,仍然物有所值。尔湾并不缺少亚洲餐厅。在这座城市里需要很多的脱颖而出。 Nep Cafe 凭借其独特的越南风味成功做到了这一点。 Source link

  • RECENSIONE: Circondato da idioti (Thomas Erikson)

    Circondato da idioti: i quattro tipi di comportamento umano e come comunicare efficacemente con ciascuno negli affari (e nella vita) di Thomas Erikson presenta un modello di quattro tipi di comportamento – Rosso (dominante, motivato), Giallo (ottimista, sociale), Verde (calmo, solidale) e Blu (analitico, attento ai dettagli) – per spiegare perché le persone si fraintendono…

  • exe.dev – ssh exe.dev

    es solo una computadora Compras un conjunto de CPU, RAM y disco. Obtienes tantas máquinas virtuales como quieras. SSH en, eres root, tienes apt y systemd. Sus servidores son persistentes, privados de forma predeterminada y se pueden compartir con IAM. También tienes un agente web, Shelley, para codificar. Source link

  • Модифікація суперкарів у South OC Cars and Coffee

    {“@context”:”http:\/\/schema.org\/”,”@id”:”https:\/\/johnchow.com\/modding-supercars-at-south-oc-cars-and-coffee\/#arve-youtube-evxsh-uppr8-2″,”type”:”VideoObjec t”,”embedURL”:”https:\/\/www.youtube-nocookie.com\/embed\/eVXSh-UppR8?feature=oembed&iv_load_policy=3&modestbranding=1&rel=0&autohide=1&playsinline=0&autoplay=0″} Деякі кажуть, що модифікувати суперкар, як McLaren Senna, це святотатство. Цей Senna належить Daily Drive Exotics і є одним із кількох модифікованих суперкарів у їхньому гаражі. Мені особисто подобається. Однак мені більше подобається Evoluto Ferrari 355 Restomod. З моменту свого дебюту в 1994 році Ferrari F355 був передовим спортивним автомобілем, і Evoluto Automobili…

Deixe um comentário

O seu endereço de email não será publicado. Campos obrigatórios marcados com *