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

  • کلچر سیریز: گلانڈنگ کے لیے ایک مکمل گائیڈ

    Iain M. Banks’ Culture Series میں، شہریوں کے پاس ایک جینیاتی طور پر انجینیئر شدہ عضو ہوتا ہے جسے منشیات کا غدود کہا جاتا ہے جو کہ نفسیاتی مادوں کو براہ راست ان کے خون کے بہاؤ میں طلب کرتا ہے۔ دس ناولوں میں ہر گلانڈنگ مادہ کا ذکر یا بیان کیا گیا ہے: مادہ…

  • Yapay Zeka Anlatılarında Ortayı Bulmak

    Bir başka büyük yapay zeka değişimi daha yaşanıyor. Teknoloji o kadar hızlı ilerliyor ki kolektif tepkilerimiz duygusal olarak abartılıyor. 2022’nin ortalarında çoğu insan hiçbir şeyin Turing testini geçebileceğini düşünmüyordu. 2023’te sohbet robotlarımız oldu. 2024’te temsilcilerimiz oldu ama kimse kodlama konusunda yapay zekaya güvenmedi. Claude Kodunu 2025’te aldık ve bir takvim yılında “Kendim için yapay zeka…

  • पृथ्वीवरील सर्वात सुंदर जागा

    दक्षिण आफ्रिकेत एक अशी जागा आहे जिथे एक मोठी नदी असंख्य वाहिन्यांमध्ये विभागली जाते, एक मोठी आणि अनेक लहान. हे असे करते कारण नदीच्या खोऱ्यात जवळजवळ कोणताही गाळ नाही, फक्त खडक आहे, जसे की दक्षिण आफ्रिकेच्या बऱ्याच भागांमध्ये आहे, म्हणून जेव्हा नदीला पूर येतो तेव्हा पाणी सर्वत्र पसरते आणि मऊ चिखलयुक्त पूर मैदाने असलेल्या नद्यांप्रमाणे…

  • 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

  • Emoji phare du monarque, emoji cornichon, emoji visage fissuré

    Nouvel Emoji : visage craquelé, signe du pouce vers la gauche, signe du pouce vers la droite, papillon monarque, cornichon, phare, météore, gomme, filet avec poignée. Bonjour des tranchées de formatage d’Internet. Si vous lisez, félicitations ! Cela signifie que nous avons presque terminé un nouveau cycle d’essais de compression de l’étendue stupéfiante et terrifiante de…

  • ਇੱਕ ਸਖ਼ਤ ਖੇਡ ਲਓ, ਅਤੇ ਇਸਨੂੰ ਛੋਟਾ ਕਰੋ

    ਤੁਸੀਂ ਬੇਸ਼ੱਕ ਜਾਣਦੇ ਹੋ ਕਿ ਧਿਆਨ ਦਾ ਘੇਰਾ ਸੁੰਗੜ ਰਿਹਾ ਹੈ। ਯੂਟਿਊਬ -> ਸ਼ਾਰਟਸ, ਇੰਸਟਾਗ੍ਰਾਮ ਰੀਲਜ਼, ਟਿਕਟੌਕਸ, ਆਦਿ ਨੇ ਦੁਨੀਆ ਨੂੰ ਆਪਣੇ ਕਬਜ਼ੇ ਵਿੱਚ ਕਰ ਲਿਆ ਹੈ। ਤੁਸੀਂ ਸ਼ਾਇਦ ਘੱਟ ਜਾਣਦੇ ਹੋਵੋਗੇ ਕਿ ਇਹ ਅਸਲ ਸੰਸਾਰ ਦੇ ਵਪਾਰਕ ਮਾਡਲਾਂ ਨੂੰ ਪ੍ਰਭਾਵਿਤ ਕਰ ਰਿਹਾ ਹੈ। ਹੇ, ਜੂਡ, ਇਸਨੂੰ ਬੁਰਾ ਨਾ ਬਣਾਓ ਇੱਕ ਉਦਾਸ ਗੀਤ ਲਓ ਅਤੇ…

Deixe um comentário

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