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

  • 📚 Flybot – Kev Quirk

    Autor: Dennisa E. TayloraMoja ocena: 👍🏻👍🏻 (okej) Fizyk Philip Moray ma dobry dzień. Kończy swój wielki projekt. Obiad w stołówce jest przynajmniej jadalny. Nie może się doczekać drinka na koniec dnia i kąpieli w wannie z hydromasażem. Następnie w jego biurze pojawia się dziwne urządzenie. Kawałek technologii, którego nigdy wcześniej nie widział – i który…

  • 2020 年 8 月 17 日各州開放準備評估

    這些評估顯示了州級數據,可以幫助評估每個州重新開放的準備。 阿拉斯加州•阿拉巴馬州•阿肯色州•亞利桑那州•加利福尼亞•科羅拉多•康涅狄格•哥倫比亞特區•特拉華•佛羅裡達•喬治亞•夏威夷•愛荷華•愛達荷•伊利諾伊•印第安納•堪薩斯•肯塔基•路易斯安那•馬薩諸塞州 •馬裡蘭州•緬因•密西根州•明尼蘇達•密蘇裡•密西西比•蒙大拿•北卡羅來納州• 北達科他•馬裡蘭•緬因•密西根州•明尼蘇達•密蘇裡•密西西比•蒙大拿•北卡羅來納州• 紐澤西 • 新澤西州內華達州紐澤西州•賓州 • 羅德島州 • 南卡羅來納州 • 南達科他州 • 田納西州 • 德州 • 猶他州 • 維吉尼亞州 • 佛蒙特州 • 華盛頓州 • 威斯康辛州 • 西維吉尼亞州 • 懷俄明州 Source link

  • AI förutsäger svarstexten

    Det finns ett vanligt argument om AI som säger att den inte förstår någonting om världen. Att hur imponerande det än ser ut så är det “förutsäger bara nästa textsymbol.” Så i princip, oavsett hur imponerande AI verkar vara, är det bara att använda matematik för att göra nästa token-förutsägelse. Fallet stängt. Det är tekniskt…

  • Kwa Nini Ni Salama Kwa Waanzilishi Kuwa Wazuri

    Agosti 2015 Hivi majuzi nilipata barua pepe kutoka kwa mwanzilishi ambayo ilinisaidia kuelewa jambo muhimu: kwa nini ni salama kwa waanzilishi wa kuanzisha kuwa watu wazuri. Nilikua na wazo la katuni la mfanyabiashara aliyefanikiwa sana (katika katuni siku zote alikuwa mwanamume): mtu mkali, mvutaji sigara, mpiga meza mwenye umri wa miaka hamsini ambaye anashinda kwa…

  • 飛行機への恐怖 – Kev Quirk

    2026 年 5 月 1 日 私は最近ネイサン・ミルワード著『ロング・ライド・ホーム』を読んでいたのですが、その本の中で彼は飛行機に乗らなければならないことと飛行機への恐怖について次のように語っています。 これは私が避けたかったこと(飛行機に乗るということ)であり、私の飛行機への恐怖は、上空での制御の欠如から生じたものである(と私は思います)。 すべては他人の手に委ねられています。何も悪いことが起こらないことを祈りながら、ただそこに座っていてください。なぜなら、もしそうなったとしても、人生でやるべきこと、やるべきことのすべてを考えている自由落下の瞬間より悪いことは考えられません。物事を正したり、間違いから学ぶにはもう手遅れだからです。あなたの時代がやって来ました、そして今はもう終わりです。これは飛ぶことと同じくらい、後悔することへの恐怖なのだと思いますが。 — ネイサン・ミルワード これ 本当に 仕事で半定期的に飛行機に乗る人にとって、飛行機が怖いと話すと、人々はよく驚かれます。 分からない、多分 恐れ 強すぎる言葉ですが、確かにとても不快な気持ちになります。特に乱気流がある場合。 ネイサンと同じように、それはコントロールの喪失だと思います。はい、そうです、私はバイクに乗っているときや自動車事故で怪我をする可能性がはるかに高いです。しかし、違うのは、車や自転車で事故に遭ったとしても、私はある程度コントロールできており、(特に車の場合)軽い怪我だけで済んでしまう可能性がかなりあるということです。 一方、飛行機事故に遭った場合、私は とても 可能な限り最も恐ろしい方法で死ぬ可能性が高く、それは私を完全に恐怖させます。私の旅行の多くが大西洋を横断するため、広大な水域を越えることが、この状況をさらに悪化させることがよくあります。素晴らしい。 それを克服するには? 神は私が試したことを知っています!私はブリティッシュ・エアウェイズで自信を持って飛ぶコースを受講したことがあり、知識は増えましたが、不安はあまり解消されませんでした。 睡眠薬を試したこともありますが、イギリスで市販されているものはどれもクソで、私にはまったく効果がありません。眠くなることもありません。何人かの人が鎮静剤を勧めましたが、それは私には不快です。それは違法であるだけでなく、彼らが私に何をするのかわかりません。結構です。 私は不安を抱えた飛行家になる運命にあると思うので、ただそれに対処しなければなりません。 数週間後にまたアメリカに行く予定ですが、いつものように不安が私の腹の中で湧き上がり始めています。 ヒントをお持ちの方がいらっしゃいましたら、ぜひお聞かせください。 意見 メールで返信 もっと購読してください! 私の最新のワッフルを読むために何度もここに来る必要はありません。新しいコンテンツを公開するたびに更新情報を受信できるように購読する方法が 2 つあります。 Source link

  • बीबीसी कसे बनले « समिझडेटा

    (AIUI इ. इ.) सुरुवातीला वायरलेस सेट होते. परंतु त्यांचा वापर हेरांकडून परकीय सत्तेसाठी होऊ शकतो याची सरकारला काळजी होती. त्यामुळे वायरलेस मालकांनी परवाने काढण्याची मागणी केली. परवाने मोफत होते सरकारला फक्त कोणाकडे वायरलेस आहे हे जाणून घ्यायचे होते. फक्त बाबतीत. मग कोणीतरी प्रसारणाची कल्पना सुचली. संगीत, व्याख्याने, बातम्या, अशा प्रकारची गोष्ट. सरकारने एक योजना आणली….

Deixe um comentário

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