Brachistochrone-ongelma

Tämä tutkielma käsittelee Brachistochrone-ongelmana tunnettavaa minimointiongelmaa. Ongelmassa on ideana löytää kahden tason pisteen A ja B välinen käyrä, joka minimoi ajan, joka massalliselta kappaleelta kuluu liukua pisteestä A pisteeseen B. Ongelma ratkaistaan tässä työssä variaatiolaskentaa hyöd...

Täydet tiedot

Bibliografiset tiedot
Päätekijä: Okkolin, Pauliina
Muut tekijät: Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta, Faculty of Sciences, Matematiikan ja tilastotieteen laitos, Department of Mathematics and Statistics, Jyväskylän yliopisto, University of Jyväskylä
Aineistotyyppi: Pro gradu
Kieli:fin
Julkaistu: 2021
Aiheet:
Linkit: https://jyx.jyu.fi/handle/123456789/77376
_version_ 1828193065381134336
author Okkolin, Pauliina
author2 Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta Faculty of Sciences Matematiikan ja tilastotieteen laitos Department of Mathematics and Statistics Jyväskylän yliopisto University of Jyväskylä
author_facet Okkolin, Pauliina Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta Faculty of Sciences Matematiikan ja tilastotieteen laitos Department of Mathematics and Statistics Jyväskylän yliopisto University of Jyväskylä Okkolin, Pauliina Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta Faculty of Sciences Matematiikan ja tilastotieteen laitos Department of Mathematics and Statistics Jyväskylän yliopisto University of Jyväskylä
author_sort Okkolin, Pauliina
datasource_str_mv jyx
description Tämä tutkielma käsittelee Brachistochrone-ongelmana tunnettavaa minimointiongelmaa. Ongelmassa on ideana löytää kahden tason pisteen A ja B välinen käyrä, joka minimoi ajan, joka massalliselta kappaleelta kuluu liukua pisteestä A pisteeseen B. Ongelma ratkaistaan tässä työssä variaatiolaskentaa hyödyntäen ja siten työ esittelee Brachistochrone-ongelman lisäksi myös tiettyjä variaatiolaskennan perusideoita. Variaatiolaskenta on matemaattisen analyysin ala, joka tarjoaa keinoja ääriarvotehtävien ratkaisemiseen, kun minimoitavat kuvaukset ovat funktioavaruuksista reaaliluvuille määriteltyjä funktionaaleja. Tutkielmassa esitellään aluksi, kuinka sanallisesti muotoiltu ongelma saadaan johdettua matemaattiseen muotoon. Sen jälkeen perehdytään ongelman varsinaiseen ratkaisemiseen. Nykyään yleisesti tunnetaan, että Brachistochrone-ongelman ratkaiseva käyrä on sykloidi. Työssä näytetään, kuinka sykloidi variaatiolaskennan avulla lähtökohtaisesti löydetään. Keskeisin työkalu on variaatiolaskennan oleellisimpiin välineisiin kuuluva Euler-Lagrangen differentiaaliyhtälö. Työssä osoitetaan, että Brachistochrone-ongelman ratkaisun on välttämättä toteutettava Euler-Lagrangen yhtälö. Lisäksi näytetään, että jos Brachistochrone-ongelmalla on ratkaisu, se toteuttaa myös Beltrami-yhtälöksi kutsuttavan differentiaaliyhtälön. Beltrami-yhtälö ratkaisemalla saadaan näytettyä, että ongelman mahdollinen ratkaisu on sykloidi. Työn viimeinen vaihe on todistaa Brachistochrone-ongelman ratkaisun olemassaolo ja siten näyttää, että sykloidi todella ratkaisee ongelman. Olemassaolo todistetaan erään riittävän ehdon avulla, joka kertoo, milloin Euler-Lagrangen yhtälön toteuttava funktio on variaatio-ongelman ratkaisu. Työssä esiteltävä riittävä ehto hyödyntää funktioiden konveksisuutta. Riittävä ehto ei ole suoraan sovellettavissa Brachistochrone-ongelmaan, joten työssä päädytään vielä tarkastelemaan toista minimointiongelmaa, joka ratkaisemalla myös Brachistochrone-ongelma saadaan ratkaistua.
first_indexed 2021-08-17T20:03:29Z
format Pro gradu
free_online_boolean 1
fullrecord [{"key": "dc.contributor.advisor", "value": "Juutinen, Petri", "language": "", "element": "contributor", "qualifier": "advisor", "schema": "dc"}, {"key": "dc.contributor.author", "value": "Okkolin, Pauliina", "language": "", "element": "contributor", "qualifier": "author", "schema": "dc"}, {"key": "dc.date.accessioned", "value": "2021-08-17T05:59:59Z", "language": null, "element": "date", "qualifier": "accessioned", "schema": "dc"}, {"key": "dc.date.available", "value": "2021-08-17T05:59:59Z", "language": null, "element": "date", "qualifier": "available", "schema": "dc"}, {"key": "dc.date.issued", "value": "2021", "language": "", "element": "date", "qualifier": "issued", "schema": "dc"}, {"key": "dc.identifier.uri", "value": "https://jyx.jyu.fi/handle/123456789/77376", "language": null, "element": "identifier", "qualifier": "uri", "schema": "dc"}, {"key": "dc.description.abstract", "value": "T\u00e4m\u00e4 tutkielma k\u00e4sittelee Brachistochrone-ongelmana tunnettavaa minimointiongelmaa. Ongelmassa on ideana l\u00f6yt\u00e4\u00e4 kahden tason pisteen A ja B v\u00e4linen k\u00e4yr\u00e4, joka minimoi ajan, joka massalliselta\nkappaleelta kuluu liukua pisteest\u00e4 A pisteeseen B.\nOngelma ratkaistaan t\u00e4ss\u00e4 ty\u00f6ss\u00e4 variaatiolaskentaa hy\u00f6dynt\u00e4en ja siten ty\u00f6 esittelee Brachistochrone-ongelman lis\u00e4ksi my\u00f6s tiettyj\u00e4 variaatiolaskennan\nperusideoita. Variaatiolaskenta on matemaattisen analyysin ala, joka tarjoaa keinoja \u00e4\u00e4riarvoteht\u00e4vien ratkaisemiseen, kun minimoitavat kuvaukset ovat\nfunktioavaruuksista reaaliluvuille m\u00e4\u00e4riteltyj\u00e4 funktionaaleja.\n\n\nTutkielmassa esitell\u00e4\u00e4n aluksi, kuinka sanallisesti muotoiltu ongelma saadaan johdettua matemaattiseen muotoon. Sen j\u00e4lkeen perehdyt\u00e4\u00e4n ongelman varsinaiseen ratkaisemiseen. Nyky\u00e4\u00e4n yleisesti tunnetaan, ett\u00e4 Brachistochrone-ongelman ratkaiseva k\u00e4yr\u00e4 on sykloidi. \nTy\u00f6ss\u00e4 n\u00e4ytet\u00e4\u00e4n, kuinka sykloidi variaatiolaskennan\navulla l\u00e4ht\u00f6kohtaisesti l\u00f6ydet\u00e4\u00e4n.\nKeskeisin ty\u00f6kalu on variaatiolaskennan \noleellisimpiin v\u00e4lineisiin kuuluva Euler-Lagrangen\ndifferentiaaliyht\u00e4l\u00f6. Ty\u00f6ss\u00e4 osoitetaan, ett\u00e4 Brachistochrone-ongelman ratkaisun on v\u00e4ltt\u00e4m\u00e4tt\u00e4 toteutettava Euler-Lagrangen yht\u00e4l\u00f6. Lis\u00e4ksi n\u00e4ytet\u00e4\u00e4n, ett\u00e4 jos Brachistochrone-ongelmalla on ratkaisu, se toteuttaa my\u00f6s Beltrami-yht\u00e4l\u00f6ksi kutsuttavan differentiaaliyht\u00e4l\u00f6n. Beltrami-yht\u00e4l\u00f6 ratkaisemalla saadaan n\u00e4ytetty\u00e4, ett\u00e4 ongelman mahdollinen ratkaisu on sykloidi.\n\n\nTy\u00f6n viimeinen vaihe on todistaa Brachistochrone-ongelman ratkaisun olemassaolo ja siten n\u00e4ytt\u00e4\u00e4, ett\u00e4 sykloidi todella ratkaisee ongelman.\nOlemassaolo todistetaan er\u00e4\u00e4n riitt\u00e4v\u00e4n ehdon avulla, joka kertoo, milloin Euler-Lagrangen yht\u00e4l\u00f6n toteuttava funktio on variaatio-ongelman ratkaisu. Ty\u00f6ss\u00e4 esitelt\u00e4v\u00e4 riitt\u00e4v\u00e4 ehto hy\u00f6dynt\u00e4\u00e4 funktioiden konveksisuutta. Riitt\u00e4v\u00e4 ehto ei ole suoraan sovellettavissa Brachistochrone-ongelmaan, joten ty\u00f6ss\u00e4 p\u00e4\u00e4dyt\u00e4\u00e4n viel\u00e4\ntarkastelemaan toista minimointiongelmaa, joka ratkaisemalla my\u00f6s Brachistochrone-ongelma saadaan ratkaistua.", "language": "fi", "element": "description", "qualifier": "abstract", "schema": "dc"}, {"key": "dc.description.provenance", "value": "Submitted by Paivi Vuorio (paelvuor@jyu.fi) on 2021-08-17T05:59:59Z\nNo. of bitstreams: 0", "language": "en", "element": "description", "qualifier": "provenance", "schema": "dc"}, {"key": "dc.description.provenance", "value": "Made available in DSpace on 2021-08-17T05:59:59Z (GMT). No. of bitstreams: 0\n Previous issue date: 2021", "language": "en", "element": "description", "qualifier": "provenance", "schema": "dc"}, {"key": "dc.format.extent", "value": "43", "language": "", "element": "format", "qualifier": "extent", "schema": "dc"}, {"key": "dc.format.mimetype", "value": "application/pdf", "language": null, "element": "format", "qualifier": "mimetype", "schema": "dc"}, {"key": "dc.language.iso", "value": "fin", "language": null, "element": "language", "qualifier": "iso", "schema": "dc"}, {"key": "dc.rights", "value": "In Copyright", "language": "en", "element": "rights", "qualifier": null, "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.other", "value": "minimointiongelmat", "language": "", "element": "subject", "qualifier": "other", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.other", "value": "brakistokroni", "language": "", "element": "subject", "qualifier": "other", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.other", "value": "Euler-Lagrangen yht\u00e4l\u00f6", "language": "", "element": "subject", "qualifier": "other", "schema": "dc"}, {"key": "dc.title", "value": "Brachistochrone-ongelma", "language": "", "element": "title", "qualifier": null, "schema": "dc"}, {"key": "dc.type", "value": "master thesis", "language": null, "element": "type", "qualifier": null, "schema": "dc"}, {"key": "dc.identifier.urn", "value": "URN:NBN:fi:jyu-202108174539", "language": "", "element": "identifier", "qualifier": "urn", "schema": "dc"}, {"key": "dc.type.ontasot", "value": "Pro gradu -tutkielma", "language": "fi", "element": "type", "qualifier": "ontasot", "schema": "dc"}, {"key": "dc.type.ontasot", "value": "Master\u2019s thesis", "language": "en", "element": "type", "qualifier": "ontasot", "schema": "dc"}, {"key": "dc.contributor.faculty", "value": "Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta", "language": "fi", "element": "contributor", "qualifier": "faculty", "schema": "dc"}, {"key": "dc.contributor.faculty", "value": "Faculty of Sciences", "language": "en", "element": "contributor", "qualifier": "faculty", "schema": "dc"}, {"key": "dc.contributor.department", "value": "Matematiikan ja tilastotieteen laitos", "language": "fi", "element": "contributor", "qualifier": "department", "schema": "dc"}, {"key": "dc.contributor.department", "value": "Department of Mathematics and Statistics", "language": "en", "element": "contributor", "qualifier": "department", "schema": "dc"}, {"key": "dc.contributor.organization", "value": "Jyv\u00e4skyl\u00e4n yliopisto", "language": "fi", "element": "contributor", "qualifier": "organization", "schema": "dc"}, {"key": "dc.contributor.organization", "value": "University of Jyv\u00e4skyl\u00e4", "language": "en", "element": "contributor", "qualifier": "organization", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.discipline", "value": "Matematiikan opettajankoulutus", "language": "fi", "element": "subject", "qualifier": "discipline", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.discipline", "value": "Teacher education programme in Mathematics", "language": "en", "element": "subject", "qualifier": "discipline", "schema": "dc"}, {"key": "yvv.contractresearch.funding", "value": "0", "language": "", "element": "contractresearch", "qualifier": "funding", "schema": "yvv"}, {"key": "dc.type.coar", "value": "http://purl.org/coar/resource_type/c_bdcc", "language": null, "element": "type", "qualifier": "coar", "schema": "dc"}, {"key": "dc.rights.accesslevel", "value": "openAccess", "language": null, "element": "rights", "qualifier": "accesslevel", "schema": "dc"}, {"key": "dc.type.publication", "value": "masterThesis", "language": null, "element": "type", "qualifier": "publication", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.oppiainekoodi", "value": "4041", "language": "", "element": "subject", "qualifier": "oppiainekoodi", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.yso", "value": "variaatiolaskenta", "language": null, "element": "subject", "qualifier": "yso", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.yso", "value": "matemaattinen analyysi", "language": null, "element": "subject", "qualifier": "yso", "schema": "dc"}, {"key": "dc.format.content", "value": "fulltext", "language": null, "element": "format", "qualifier": "content", "schema": "dc"}, {"key": "dc.rights.url", "value": "https://rightsstatements.org/page/InC/1.0/", "language": null, "element": "rights", "qualifier": "url", "schema": "dc"}, {"key": "dc.type.okm", "value": "G2", "language": null, "element": "type", "qualifier": "okm", "schema": "dc"}]
id jyx.123456789_77376
language fin
last_indexed 2025-03-31T20:01:11Z
main_date 2021-01-01T00:00:00Z
main_date_str 2021
online_boolean 1
online_urls_str_mv {"url":"https:\/\/jyx.jyu.fi\/bitstreams\/b49a0926-80a7-4c67-968b-34ca1cb92041\/download","text":"URN:NBN:fi:jyu-202108174539.pdf","source":"jyx","mediaType":"application\/pdf"}
publishDate 2021
record_format qdc
source_str_mv jyx
spellingShingle Okkolin, Pauliina Brachistochrone-ongelma minimointiongelmat brakistokroni Euler-Lagrangen yhtälö Matematiikan opettajankoulutus Teacher education programme in Mathematics 4041 variaatiolaskenta matemaattinen analyysi
title Brachistochrone-ongelma
title_full Brachistochrone-ongelma
title_fullStr Brachistochrone-ongelma Brachistochrone-ongelma
title_full_unstemmed Brachistochrone-ongelma Brachistochrone-ongelma
title_short Brachistochrone-ongelma
title_sort brachistochrone ongelma
title_txtP Brachistochrone-ongelma
topic minimointiongelmat brakistokroni Euler-Lagrangen yhtälö Matematiikan opettajankoulutus Teacher education programme in Mathematics 4041 variaatiolaskenta matemaattinen analyysi
topic_facet 4041 Euler-Lagrangen yhtälö Matematiikan opettajankoulutus Teacher education programme in Mathematics brakistokroni matemaattinen analyysi minimointiongelmat variaatiolaskenta
url https://jyx.jyu.fi/handle/123456789/77376 http://www.urn.fi/URN:NBN:fi:jyu-202108174539
work_keys_str_mv AT okkolinpauliina brachistochroneongelma