Jeep-problemet. Kjell Elfström

Relevanta dokument
Optimering av depåpositioner för den minimala bensinförbrukningen i öknen

Optimering av bränsledepåer för effektiv resa i öknen

+ 5a 16b b 5 då a = 1 2 och b = 1 3. n = 0 där n = 1, 2, 3,. 2 + ( 1)n n

x 2 5x + 4 2x 3 + 3x 2 + 4x + 5. d. lim 2. Kan funktionen f definieras i punkten x = 1 så att f blir kontinuerlig i denna punkt? a.

Om existens och entydighet av lösningar till ordinära differentialekvationer

Institutionen för Matematik, KTH Torbjörn Kolsrud

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Tentamensuppgifter, Matematik 1 α

x 2 5x + 4 2x 3 + 3x 2 + 4x + 5. d. lim 2. Kan funktionen f definieras i punkten x = 1 så att f blir kontinuerlig i denna punkt? a.

Institutionen för Matematik, KTH Lösningar till tentamen i Analys i en variabel för I och K (SF1644) 1/ e x h. (sin x) 2 1 cos x.

Bisektionsalgoritmen. Kapitel Kvadratroten ur 2

Mer om integraler. Kapitel I. I.1 Integraler

Mer om reella tal och kontinuitet

Svar till S-uppgifter Endimensionell Analys för I och L

Kontinuerliga funktioner. Ytterligare en ekvivalent formulering av supremumaxiomet

x 2 5x + 4 2x 3 + 3x 2 + 4x + 5. d. lim 2. Kan funktionen f definieras i punkten x = 1 så att f blir kontinuerlig i denna punkt? a.

Lösningsförslag till tentan i 5B1115 Matematik 1 för B, BIO, E, IT, K, M, ME, Media och T,

Lösningsförslag till Tentamen i SF1602 för CFATE 1 den 20 december 2008 kl 8-13

KOMPLETTERANDE UPPGIFTER TILL MATEMATISK ANALYS - EN VARIABEL AV FORSLING OCH NEYMARK

Mälardalens högskola Akademin för utbildning, kultur och kommunikation

III. Analys av rationella funktioner

Lösningar kapitel 10

Optimering med bivillkor

Tentamen i matematik. f(x) = 1 + e x.

där x < ξ < 0. Eftersom ξ < 0 är högerledet alltid mindre än Lektion 4, Envariabelanalys den 30 september 1999 r(1 + 0) r 1 = r.

Sidor i boken f(x) = a x 2 +b x+c

6. Samband mellan derivata och monotonitet

Lösningsförslag obs. preliminärt, reservation för fel

2 (6) k 0 2 (7) n 1 F k F n. k F k F n F k F n F n 1 2 (8)

Material till kursen SF1679, Diskret matematik: Lite om kedjebråk. 0. Inledning

Svar till S-uppgifter Endimensionell Analys för I och L

6 Derivata och grafer

Chalmers tekniska högskola Datum: kl Telefonvakt: Christoffer Standar LMA033a Matematik BI

Uppgift 1-6. Endast svar krävs. Uppgift Fullständiga lösningar krävs. 150 minuter för Del B och Del C tillsammans.

Tillämpningar av integraler: Area, skivformeln för volymberäkning, båglängd, rotationsarea, integraler och summor

SF1625 Envariabelanalys

Om konvergens av serier

LMA515 Matematik, del B Sammanställning av lärmål

konstanterna a och b så att ekvationssystemet x 2y = 1 2x + ay = b

Denna tentamen består av två delar. Först sex enklare uppgifter, som vardera ger maximalt 2 poäng. Andra delen består av tre uppgifter, som

FULLSTäNDIGHETSAXIOMET, SATSEN OM MELLANLIGGANDE VäRDE OCH SATSEN OM STöRSTA OCH MINSTA VäRDE

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A. e 50k = k = ln 1 2. k = ln = ln 2

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

ARITMETIK 3. Stockholms universitet Matematiska institutionen Avd matematik Torbjörn Tambour

Mälardalens högskola Akademin för utbildning, kultur och kommunikation

e x x + lnx 5x 3 4e x (0.4) x 0 e 2x 1 a) lim (0.3) b) lim ( 1 ) k. (0.3) c) lim 2. a) Lös ekvationen e x = 0.

The Brachistochrone problem

LÖSNINGSFÖRSLAG TILL TENTAMEN 2 SF1664

1 Att läsa matematik.

INGA HJÄLPMEDEL. Lösningarna skall vara försedda med ordentliga och tydliga motiveringar. f(x) = arctan x.

Matematik E (MA1205)

i utvecklingen av (( x + x ) n för n =1,2,3º. = 0 där n = 1,2,3,

1. Förklara, utifrån definitioner, trigonometriska samband samt det faktum att π 12 = 1 2 π6, varför följande likhet måste gälla exakt : p 2+ arccos

Explorativ övning 5 MATEMATISK INDUKTION

Högskolan i Skövde (SK, JS) Svensk version Tentamen i matematik Lösningsförslag till del I

Tentamen i matematik. f(x) = ln(ln(x)),

1. Inledning, som visar att man inte skall tro på allt man ser. Betrakta denna följd av tal, där varje tal är dubbelt så stort som närmast föregående

SF1625 Envariabelanalys

Modul 4 Tillämpningar av derivata

Sidor i boken Figur 1: Sträckor

Lösningsskisser för TATA

LÖSNINGSFÖRSLAG TILL TENTAMEN 2 SF1664

Prov i matematik Distans, Matematik A Analys UPPSALA UNIVERSITET Matematiska institutionen

Tentamen : Lösningar. 1. (a) Antingen har täljare och nämnare samma tecken, eller så är täljaren lika med noll. Detta ger två fall:

Chalmers tekniska högskola Datum: kl Telefonvakt: Carl Lundholm MVE475 Inledande Matematisk Analys

Institutionen för Matematik. SF1625 Envariabelanalys. Lars Filipsson. Modul 1

5. Förklara varför sannolikheten att en slumpvis vald lottorad har 7 rätt är x + x 2 innehåller termen 14x. Bestäm

Rita även upp grafen till Fourierseriens summa på intervallet [ 2π, 3π], samt ange summans värde i punkterna π, 0, π, 2π. (5) S(t) = c n e int,

TATM79: Föreläsning 8 Arcusfunktioner

MATEMATIK Datum: Tid: förmiddag Hjälpmedel: inga. Mobiltelefoner är förbjudna. A.Heintz Telefonvakt: Christoffer Standar, Tel.

Moment 8.51 Viktiga exempel , 8.34 Övningsuppgifter 8.72, 8.73

LAB 3. INTERPOLATION. 1 Inledning. 2 Interpolation med polynom. 3 Splineinterpolation. 1.1 Innehåll. 3.1 Problembeskrivning

5B1134 Matematik och modeller Lösningsförslag till tentamen den 11 oktober 2004

Chalmers tekniska högskola Datum: kl Telefonvakt: Jonny Lindström MVE475 Inledande Matematisk Analys

Blixtkurs i komplex integration

9 Skissa grafer. 9.1 Dagens Teori

Institutionen för matematik KTH. Tentamensskrivning, , kl B1210 och 5B1230 Matematik IV, för B, M, och I.

Mer om kontinuitet. Kapitel K. K.1 Övre och undre gräns

Explorativ övning 5 MATEMATISK INDUKTION

Lösningsförslag envariabelanalys

Modul 1 Mål och Sammanfattning

DIFFERENTIALEKVATIONER. INLEDNING OCH GRUNDBEGREPP

Tentamen Matematisk grundkurs, MAGA60

Uppföljning av diagnostiskt prov Repetition av kursmoment i TNA001-Matematisk grundkurs.

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A. e x2 /4 2) = 2) =

) + γy = 0, y(0) = 1,

Några satser ur talteorin

Existens och entydighet

Sekant och tangent Om man drar en rät linje genom två punkter på en kurva får man en sekant. (Den gröna linjen i figuren).

Kursens Kortfrågor med Svar SF1602 Di. Int.

TAMS79: Föreläsning 10 Markovkedjor

x (t) = 2 1 u = Beräkna riktnings derivatan av f i punkten a i riktningen u, dvs.

med angivande av definitionsmängd, asymptoter och lokala extrempunkter. x 2 e x =

Lektion 6, Envariabelanalys den 14 oktober Låt oss krympa f:s definitionsmängd till en liten omgivning av x = x 2.

TENTAMEN 8 jan 2013 Tid: Kurs: Matematik 1 HF1901 (6H2901) 7.5p Lärare:Armin Halilovic

Sekantens riktningskoefficient (lutning) kan vi enkelt bestämma genom. k = Men hur ska vi kunna bestämma tangentens riktningskoefficient (lutning)?

Spiralkurvor på klot och Jacobis elliptiska funktioner

Lösningar till tentamen i kursen Envariabelanalys

Transkript:

F r å g a L u n d o m m a t e m a t i k Matematikcentrum Matematik NF Jeep-problemet Kjell Elfström Problemet En jeep kan sammanlagt ta 200 liter bensin i tanken och i lösa dunkar. Jeepen kan gå 2,5 km på liter bensin och skall köras till en punkt 000 km in i en öken. Bränsle finns bara vid startpunkten så föraren måste placera ut bensin i depåer längs färdvägen för att klara färden. Frågan är hur mycket bränsle det går åt och var depåerna skall placeras. Problemets matematiska formulering Låt oss kalla den maimala volym bränsle som bilen kan frakta för en volymsenhet och den sträcka bilen kommer på en volymsenhet för en längdenhet. Vi förlägger färden till -aeln så att startpunkten och målet har koordinaterna 0 respektive d, där d är avståndet mellan punkterna. Vi antar att den sammanlagda körsträckan är s längdenheter och att den initiala depån innehåller b volymsenheter. Då är d s b. Om X(t) är jeepens position efter t längdenheter så är X en kontinuerlig funktion av t, X(0) = 0, X(s) = d och 0 X(t) < d då 0 < t < s. Vi säger att X är en b-kurva om färden är möjlig att genomföra med b volymsenheter i den initiala depån. Figur visar hur kurvan t X(t) kan se ut. Hela kurvan ligger på -aeln men har i figuren sträckts ut för att göras synlig. De vertikala delarna motsvarar enstaka punkter, som har längden 0. 0 d Figur : = X(t) Problemet kan nu formuleras som att för ett givet värde på d finna en b-kurva X som minimerar b. Det kan tyckas vara naturligt att kräva att kurvan bara byter riktning ändligt många gånger. I problemets lösning kommer vi med kurva att mena en sådan naturlig kurva och ge ett bevis för att det finns en naturlig kurva som ger lika liten eller mindre bensinförbrukning än alla andra naturliga kurvor. Det är sant att det inte finns någon annan (onaturlig) kurva, som ger en lägre bensinförbrukning. Detta diskuteras i avsnittet om Banachs formel. Copyright c 202 by Kjell Elfström

Lösningen Problemet löstes av N. J. Fine 947 [2]. Den lösning som presenteras här har jag inspirerats till av en artikel från 970 av D. Gale [3]. I stället för att direkt lösa problemet löser vi först det duala problemet, att för ett givet värde på b finna en b-kurva X som maimerar d. En strategi är att flytta den ursprungliga depån vid punkten 0 till en punkt litet närmare målet. Den nya depån blir naturligtvis mindre eftersom en del bränsle går åt vid förflyttningen. Färden utgörs av ett antal tur- och returresor och slutligen en enkelresa från 0 till. Därefter blir utgångspunkt för den fortsatta färden. Depån vid flyttas fram till en ny punkt ännu litet närmare målet och så fortsätter färden tills målet d är nått och bensinen är slut. Definition Låt t vara ett reellt tal. Heltalsdelen [t] av t defininieras som det största heltalet n, sådant att n t. Decimaldelen (t) av t definieras genom (t) = t [t]. Sätt nu n = [b] och definiera punkterna k, k = 0,,...,n, så att och n = (b) 2n + k k+ =, k = 0,,2,...,n. 2k + Vi skall visa att det är möjligt att ta sig från utgångspunkten 0 till d = 0 genom att successivt placera depåer i punkterna n, n,...,. Om b = n är ett positivt heltal så är (b) = 0 och därför n = 0. I det fallet placerar vi den första nya depån i punkten n. Om b = 0 står jeepen i 0 från början. (b)/7 /5 /3 3 2 0 0 Figur 2: Depåer då n = 3 Lemma Låt k vara ett naturligt tal och c ett reellt tal i intervallet (0,]. Antag att det finns b = k + c volymsenheter vid punkten och att punkten ligger c/(2k + ) längdenheter från. Det går då att resa från till på ett sådant sätt att det efter resan finns en depå med k volymsenheter i. Bevis Föraren gör k tur- och returresor från till. Före varje resa fyller han volymsenhet i bilen. Framme i deponerar han allt som finns kvar utom det som behövs för återfärden. Efter tur- och returresorna fyller han i de återstående c volymsenheterna, gör en enkelresa till och deponerar det som är kvar. Färden motsvarar 2k + enkelresor som var och en kräver c/(2k + ) volymsenheter. Därför har c volymsenheter förbrukats och de resterande k volymsenheterna finns i depån vid. Lemma visar att det är möjligt att ta sig från 0 till 0. Låt nämligen som innan n = [b]. Om b inte är ett heltal så är 0 < (b) <. Sätter vi k = n, c = (b), = 0 och = n visar lemmat att en ny depå med n volymsenheter kan skapas i n. Om b = n är ett heltal så är n = 0. I vilket fall som helst så finns det nu en depå med n volymsenheter i n. Om sedan c = säger lemmat att om det finns en depå med k + volymsenheter i = k+ går det att åka till = k och där skapa en ny depå med k volymsenheter. 2

Det går alltså att åka från n till n och där skapa en depå med n volymsenheter, sedan åka till n 2 och skapa en depå med n 2 volymsenheter och fortsätta på det sättet tills målet 0 nåtts. Färden från depån före k till k kräver k tur- och returresor och en enkelresa. Definition 2 Vi definierar funktionen D genom D(t) = + 3 + 5 + + 2[t] + (t) 2[t] +, t 0. Den ovan beskrivna färden för jeepen till en punkt D(b) längdenheter från utgångspunkten. Detta är i själva verket det maimala värdet av d för ett givet värde på b. Innan vi bevisar det behöver vi några hjälpresultat. Lemma 2 Funktionen D är strängt väande och dess värdemängd är [0, ). Bevis Att D är strängt väande är självklart. Jämförelse med den harmoniska serien visar att k= /(2k ) är divergent. Det följer att D(n) då n. Vidare är det klart att D(t) 0. Om 0 låter vi n vara det största heltalet sådant att D(n). Då är = D(n) + c/(2n + ), där 0 c <. Med t = n + c är = D(t) vilket visar att tillhör värdemängden till D. Definition 3 Låt X : [a,b] R vara en funktion. Då R skall vi med n X () mena antalet rötter t [a,b] till ekvationen X(t) =. Om ekvationen har oändligt många rötter sätter vi n X () =. Är det klart vilken funktion X som avses skriver vi bara n(). Om X är en jeepkurva så är n() ändlig för alla och noll utanför intervallet [0,d]. Figur 3 visar funktionen n som hör till kurvan X i figur. y 7 6 5 4 3 2 0 0 d Figur 3: y = n() Lemma 3 Antag att 0 < d och att n() m då < <. Då är den sammanlagda längden av de delar av kurvan X som ligger i [, ] minst m( ). Bevis Vi påminner om att vi förutsätter att kurvan bara byter riktning ändligt många gånger. Antag att kurvan inte byter riktning i intervallet [, ] utom möjligen i punkterna = ξ 0 < ξ < < ξ n < ξ n =. Se figur 4. Den kan dock byta riktning flera gånger i var och en av dessa punkter och även komma in i och ut ur intervallet flera gånger. Enligt förutsättningarna passerar kurvan varje intervall (ξ k,ξ k ), k =,2,...,n, minst m gånger. Lemmat följer av att den sammanlagda längden av dessa intervall är. 3

0 = ξ 0 ξ ξ 2 ξ 3 ξ4 = d Figur 4: = X(t), Sats För ett givet b 0 är D(b) det maimala värdet av d. Bevis Vi har redan visat att det finns en b-kurva som når till punkten D(b). Det återstår att visa att d D(b) för alla b-kurvor. Sätt n = [s], där s är kurvans längd, och låt k, k = 0,,...,n, vara den punkt i [0,d], som är sådan att den sammanlagda längden av de delar av kurvan som ligger till höger om k är k längdenheter. Då är 0 n < n < < < 0 = d. Den sammanlagda längden av de delar av kurvan som ligger mellan k+ och k är längdenhet. Om 0 < < k går det åt en viss mängd bränsle för färden från till k. För den delen av färden som sker till höger om k krävs minst k volymsenheter bensin. För att forsla detta bränsle förbi punkten k måste jeepen passera punkten minst k + gånger i riktning från 0 till d. Därför måste den passera punkten minst k gånger i den andra riktningen. Jeepen måste alltså befinna sig i punkten minst 2k + gånger. Den sammanlagda körsträckan i intervallet [ k+, k ], där 0 k n, är därför enligt lemma 3 minst (2k + )( k k+ ) längdenheter. Eftersom körsträckan är längdenhet visar detta att (2k + )( k k+ ), dvs k k+, k = 0,,...,n. 2k + Körsträckan i [0, n ] är s n = (s) längdenheter och vi får på samma sätt n = n 0 (s) 2n +. Eftersom d = 0 = ( 0 ) + ( 2 ) + + ( n n ) + n så är d + 3 + + 2n + (s) 2n + = D(s). Enligt lemma 2 är D väande och eftersom s b följer det att d D(b). Definition 4 Enligt lemma 2 är D inverterbar. Vi sätter B = D. I beviset till lemma 2 såg vi att B() = n + (2n + )( D(n)), där n är det största heltalet sådant att D(n). Sats 2 För ett givet d 0 är B(d) det minimala värdet av b. Bevis Om b 0 = B(d) så är d = D(b 0 ) och sats ger att jeepen kan komma d längdenheter in i öknen på b 0 volymsenheter bensin. Enligt lemma 2 är D(b) < D(b 0 ) = d då b < b 0, vilket visar att b 0 är den minimala volymen. 4

I det inledande problemet är en volymsenhet 200 liter, en längdenhet 500 km och jeepen skall köra 2 längdenheter in i öknen. Den minimala bensinvolymen är B(2) volymsenheter. Eftersom D(7) = + 3 + 5 + 7 + 9 + + 3 = 88069 45045 < 2 och D(8) = D(7) + 5 = 9072 45045 > 2 så är n = 7 det största heltal för vilket D(n) 2. Det följer att B(2) = 7 + (2 7 + )(2 D(7)) = 7 + 202 3003 = 23042 3003, vilket motsvarar 4608400/3003 534,6 liter. Deponeringspunkterna k = 2 D(k), där k = 7, 6,...,, är 202/45045, 422/3465, 67/35, 34/05, 7/5, 2/3, och ligger omkring 22,4, 60,9, 06,3, 6,9, 233,3, 333,3 och 500,0 km från startpunkten. Funktionerna D och B Det är ett välkänt faktum att k= där γ 0,5772 är Eulers konstant. Eftersom D(n) = k= ln n γ då n, k 2 2k = k= k k= 2 2k = k= k 2 k= k följer det att D(n) 2 ln n γ 2 + ln 2 då n och det är sedan enkelt att visa att D(t) 2 ln t γ 2 + ln 2 då t. Med t = B() får vi 2 ln B() γ + ln 4 då, dvs 4e γ 2 B() då. 2 2 3 4 5 6 7 Figur 5: = D(t) t 5

Banachs formel Definition 5 En kontinuerlig kurva X : [a, b] R kallas rektifierbar om s = sup X(t k ) X(t k ) <, k= där supremum tas över alla indelningar : a = t 0 < t < < t n < t n = b av [a,b]. Talet s kallas i så fall för längden av kurvan. Man säger också att funktionen X är av begränsad variation och kallar s för totalvariationen av X. Sats 3 Låt X : [a, b] R vara en kontinuerlig rektifierbar kurva med längden s. Då är n = n X integrerbar i Lebesgues mening och Denna sats bevisades 925 av S. Banach []. n()d = s. Korollarium Låt X : [a, b] R vara en kontinuerlig rektifierbar kurva, s(t) längden av restriktionen av X till intervallet [a,t] och n = n X. Om < så är där M = {t [a,b] ; X(t) }. n()d = M ds(t), I lösningen till jeep-problemet var det bara i lemma 3 det användes att kurvan endast byter riktning ändligt många gånger. Korollarium visar att lemmat är sant för alla rektifierbara kurvor. Bibliografi [] S Banach, Sur les lignes rectifiables et les surfaces dont l aire est finie, Fundamenta Mathematicae, VII (925) 225 236 [2] N J Fine, The jeep problem, American Mathematical Monthly, 54 (947) 24 3 [3] D Gale, The jeep once more, or jeeper by the dozen, American Mathematical Monthly, 77 (970) 493 50 6