브라키스토크론 곡선

Brachistochrone curve
가장 빠른 하강 곡선은 직선 또는 다각형 선(파란색)이 아니라 사이클로이드(빨간색)이다.

물리학, 수학, 최속 강하선 곡선에서(고대 그리스어 βράχιστος χρόνος(brákhistos khrónos에서)'shortest 시간의),[1]나 곡선의 빠른 혈통 있는 거짓말로 그 비행기 사이의 한 지점 A와 아래 부분 B, 이 곳에서는 B가 아니다 바로 아래 A,에 있는 구슬을 미끄러지듯 마찰 없이. 밑에 영향이 일정한 중력 저거.노년 가장 짧은 시간에 주어진 끝점까지. 이 문제는 1696년 요한 베르누이에 의해 제기되었다.

브라키스토크론 곡선은 tautochrone 곡선과 같은 형상으로 둘 다 사이클로이드다. 그러나 두 개 각각에 사용되는 사이클로이드의 부분은 다르다. 구체적으로는 브라키스토크론(Brachistochrone)은 사이클로이드(A와 B가 같은 레벨일 때 한계치)의 완전한 회전을 사용할 수 있지만, 항상 정점에서 출발한다. 이와는 대조적으로, tautochrone 문제는 첫 번째 반 회전까지만 사용할 수 있으며, 항상 수평으로 끝난다.[2] 이 문제는 변주율최적 조절미적분학에서 나온 도구를 사용하여 해결할 수 있다.[3]

곡선은 시험체의 질량과 국부적인 중력 강도 모두에 대해 독립적이다. 곡선이 시작점 A와 끝점 B에 맞도록 파라미터만 선택된다.[4] 신체가 A에서 초기 속도를 부여받거나 마찰이 고려되면 시간을 최소화하는 곡선이 tautochrone 곡선과 다르다.

역사

요한 베르누이는 1696년 6월 액타 에루디토룸 독자들에게 브라키스토크론 문제를 제기했다.[5][6] 그는 이렇게 말했다.

나 요한 베르누이는 세계에서 가장 뛰어난 수학자들을 연설한다. 정직하고 도전적인 문제만큼 지적인 사람들에게 더 매력적인 것은 없다. 그들의 가능한 해결책이 명성을 얻고 영원한 기념물로 남을 것이다. 파스칼, 페르마 등이 설정한 예를 따라, 나는 우리 시대의 가장 훌륭한 수학자들 앞에 그들의 방법과 지성의 힘을 시험해 볼 문제를 놓아 전체 과학계의 감사를 얻기를 바란다. 만약 누군가가 제안된 문제의 해결책을 나에게 알려준다면, 나는 그를 칭찬할 가치가 있다고 공개적으로 선언할 것이다.

베르누이는 문제성명을 다음과 같이 썼다.

수직면에서 A와 B의 두 점을 볼 때, 중력에 의해서만 작용하는 점에 의해 추적된 곡선은 무엇이며, 이것은 A에서 시작하여 가장 짧은 시간에 B에 도달한다.

요한과 그의 형 야콥 베르누이는 같은 해답을 도출했지만 요한의 파생은 부정확했고, 야콥의 해답을 자신의 해법으로 전하려 했다.[7] 요한은 이듬해 5월 이 해답을 학술지에 발표하면서 이 해법이 후이겐스의 토토크론 곡선과 같은 곡선이라고 언급했다. 아래 주어진 방법으로 곡선의 미분 방정식을 도출한 후, 그는 계속해서 그것이 사이클로이드를 산출한다는 것을 보여주었다.[8][9] 그러나 그의 증명서는 아래의 세 개의 상수m v, 2g, D 대신 하나의 상수를 사용함으로써 망가지게 된다.

베르누이는 6개월 동안 해결책을 제시했지만 이 기간 동안 받은 것은 하나도 없었다. 라이프니츠의 요청으로 1년 6개월의 시간이 공개 연장되었다.[10] 1697년 1월 29일 오후 4시, 왕립 조폐국에서 집으로 돌아온 아이작 뉴턴은 요한 베르누이로부터 온 편지에서 그 도전을 발견했다.[11] 뉴턴은 밤을 새워 해결했고 익명으로 다음 우편으로 해결안을 부쳤다. 그 해답을 읽자마자, 베르누이는 즉시 그 작가를 인정했고, "발톱 자국으로부터 사자를 인식한다"고 외쳤다. 이 이야기는 요한 베르누이가 그것을 푸는 데 2주가 걸렸기 때문에 뉴턴의 힘을 어느 정도 짐작하게 한다.[4][12] 뉴턴은 또 "나는 외국인들에게 수학적 사물에 대해 [속담]당하고 놀림을 당하는 것을 좋아하지 않는다"고 썼고, 뉴턴은 변주 미적분학에서 최초의 것으로 여겨지는 뉴턴의 최소 저항 문제를 이미 해결했다.

결국 5명의 수학자는 다음과 같은 해법으로 응답했다. 뉴턴, 야콥 베르누이, 고트프리트 라이프니즈, 에렌프리트 발터츠치른하우스, 기욤 라흐피탈. 그 해결책들 중 4가지(l'Hppital's 제외)는 요한 베르누이(Johann Bernouli)와 같은 저널에 게재되었다. Jakob Bernouli는 그의 논문에서 그 해결책이 사이클로이드라는 것을 보여주기 전에 최소한 아래의 것과 비슷한 시간 동안 그 상태에 대한 증거를 제시했다.[8] 뉴턴의 학자 톰 화이트사이드에 따르면, 그의 동생을 능가하기 위한 시도로, Jakob Bernouli는 브라키스토크론 문제의 더 어려운 버전을 만들어냈다. 그것을 해결하면서 그는 레온하르트 오일러에 의해 정제된 새로운 방법들을 후자가 (1766년) 변동미적분이라고 부르는 것으로 발전시켰다. Joseph-Louis Lagrange는 현대 미적분학을 초래한 추가 작업을 했다.

앞서 1638년 갈릴레오는 자신의 두 개의 새로운 과학에서 한 지점에서 벽으로 가장 빠르게 하강하는 경로에 대해 비슷한 문제를 해결하려고 노력했었다. 그는 원의 호가 그 화음의 어떤 수보다 빠르다는 결론을 이끌어 내셨다.[13]

앞에서부터 모든 [렌템 옴니움 벨로시탐]의 가장 빠른 길은 한 지점에서 다른 지점으로 가는 가장 짧은 길, 즉 직선이 아니라 원의 호라고 추론할 수 있다.

...

따라서 새겨진 다각형이 원에 가까워질수록 A에서 C까지 하강하는 데 필요한 시간이 짧아진다. 사분면에 대해 입증된 것은 더 작은 호에도 적용된다. 추론은 동일하다.

개의 새로운 과학의 정리 6 직후, 갈릴레오는 가능한 오류와 "더 높은 과학"의 필요성에 대해 경고한다. 이 대화에서 갈릴레오는 자신의 작품을 검토한다. 갈릴레오는 사이클로이드를 연구하여 그 이름을 붙였지만, 그것과 그의 문제 사이의 연결고리는 수학의 발전을 기다려야 했다.

Diagrams for Wikipedia entry regarding Galileo's Conjecture

갈릴레오의 추측으로는 "모든 [동체용] 중에서 가장 짧은 시간은 [4분의 1 원의 원호] 호 ADB를 따라 떨어지는 시간일 것이며, 유사한 성질은 가장 낮은 한계 B에서 위로 가져간 모든 작은 호를 지탱하는 것으로 이해될 것이다."라고 한다. 결과적으로, 그림 1에서 "두 개의 세계 최고 시스템에 관한 대화"에서 갈릴레오는 A에서 B로 가는 다른 길을 택했을 때보다 짧은 시간에 사분의 일원의 원형 호를 따라 미끄러지는 신체가 B에 도달할 것이라고 주장한다. 이와 유사하게, 그림 2에서, 호 AB의 어떤 지점으로부터, 그는 작은 호 EB를 따라가는 시간이 E에서 B까지의 다른 경로보다 적을 것이라고 주장한다. 실제로 A에서 B로 또는 E에서 B로 가는 가장 빠른 경로는 사이클로이드 호로, B에서 B로 가는 경로는 그림 3에 나와 있다. 두 곡선은 그림 4.에 중첩되어 있다. 참고로 갈릴레오의 추측에는 끝 지점인 B에서 수평으로 곡선의 접선이 있는 반면 브라키스토크론은 시작 지점인 E에서 접선 수직이 된다. 그 결과 그림 4의 원형 호와 사이클로이드 호는 E와 B 사이의 어느 지점에서 교차해야 한다. [14]

요한 베르누이의 해결책

소개

베르누이는 L'Hôpital, (21/12/1696)에게 보낸 편지에서 가장 빠른 강하 곡선의 문제를 고려할 때 불과 이틀 후에 호기심 어린 친화력이나 다른 문제와의 연관성이 발견되어 해결책의 '간접적 방법'으로 이어진다고 말했다. 그리고 얼마 지나지 않아 그는 '직접적인 방법'을 발견했다. [15]

직접법

요한 베르누이는 1697년 3월 30일자 바젤 공공도서관에서 열린 앙리 바스네지에게 보낸 편지에서 브라키스토크론이 '룰렛'이라고도 불리는 '공통 사이클로이드'라는 것을 보여주기 위해 두 가지 방법(항상 '직접'과 '간접'으로 지칭)을 발견했다고 진술했다. 라이프니츠의 조언에 따라 1697년 5월 액타 에루디토룸 립스대에 간접법만 포함시켰다. 그는 이것이 결론을 의심하는 누구에게나 설득하기에 충분하다고 믿었기 때문이기도 하다고 썼는데, 부분적으로는 "고 후이겐스 씨"가 자신의 논문에서 제기한 광학계의 두 가지 유명한 문제를 조명 위에서 해결했기 때문이라고 한다. 같은 편지에서 그는 뉴턴이 자신의 방법을 은폐했다고 비난했다.

그는 간접적인 방법 외에도 그가 받은 문제에 대한 다섯 개의 다른 답변도 발표했다.

요한 베르누이의 직접적인 방법은 브라키스토크론이 사이클로이드라는 증거로서 역사적으로 중요하다. 방법은 각 지점에서 곡선의 곡률을 결정하는 것이다. 뉴턴의 (당시 드러나지 않은)을 포함한 다른 모든 증거들은 각 지점에서 구배를 찾아내는 것에 기초하고 있다.

1718년 베르누이는 브라키스토크론 문제를 자신의 직접적 방법으로 해결하는 방법을 설명했다.[16][17]

그는 1718년에 더 이상 적용되지 않는 이유로 1697년에 출판하지 않았다고 설명했다. 이 논문은 이 방법의 깊이가 콘스탄틴 캐러테오도리에 의해 처음으로 인정받았을 때인 1904년까지 크게 무시되었는데, 그는 사이클로이드만이 가장 빠른 하강 곡선이 될 수 있다는 것을 보여준다고 말했다. 그에 따르면, 다른 해결책들은 단순히 사이클로이드가 하강하는 시간이 정지되어 있지만, 반드시 가능한 최소한의 시간은 아니라는 것을 암시했다.

분석용액

Brachistochrone Bernoulli Direct Method

신체는 중심 K가 고정된 상태에서 반지름 KC와 Ke 사이에 있는 작은 원형 호 Ce를 따라 미끄러지는 것으로 간주된다. 증거의 첫 번째 단계는 몸이 최소 시간 내에 가로지르는 특정한 원형 호인 Mmm를 찾는 것이다.

KNC 선은 N에서 AL을 교차하고, Kne 선은 N에서 교차하며, K에서 작은 각 CKe를 만든다. NK = a로 하고, KN 확장 시 변수 점 C를 정의한다. 가능한 모든 원형 호 Ce 중에서 2 radi, KM, Km 사이에서 미끄러지는 데 최소 시간이 필요한 호 Mm을 찾아야 한다. Mmm 베르누이를 찾기 위해 다음과 같이 주장한다.

Let MN = x. 그는 MD = mx, n을 정의하여 Mm = nx + na를 만들고 x는 유일한 변수이며 m은 유한하고 n은 무한히 작다는 것을 언급한다. The small time to travel along arc Mm is , which has to be a minimum (‘un plus petit’). 그는 Mm이 너무 작기 때문에 그것을 따라가는 속도가 MD의 제곱근인 M에서의 속도, 수평선 AL 아래의 M의 수직 거리라고 가정할 수 있다고 설명하지 않는다.

그 다음에, 차별화되면, 이것은 반드시

- 2= (를) x = a가 되도록 한다.

이 조건은 몸이 가능한 최단 시간에 미끄러지는 곡선을 정의한다. 곡선의 각 점, 곡선의 M, 곡률 반경, MK는 축 AL에 의해 2개의 동일한 부분으로 절단된다. 베르누이가 오래 전부터 알고 있었다고 말하는 이 속성은 사이클로이드 특유의 것이다.

마지막으로, 속도가 임의 함수 X(x)인 경우에 더 일반적인 경우를 고려하므로 최소화해야 할 시간은( + {\a)}{이다 그런 다음 최소 조건은 X=( + ) d X이(가) , X =( x + X로 기록된다. 및 NK(= a)의 함수로 MN(=x)을 제공하는 델타 x} 이로부터 곡선의 방정식은 적분 미적분학에서 얻을 수 있지만, 그는 이것을 증명하지는 않는다.

합성솔루션

그런 다음 그는 자신의 Synthetic Solution이라고 부르는 것을 계속하는데, 그것은 고전적이고 기하학적인 증거였다. 그것은 신체가 최소 시간 안에 미끄러져 내려갈 수 있는 하나의 곡선만이 있을 뿐이며, 그 곡선은 사이클로이드라는 것이다.

이 합성 시위의 이유는, 옛사람들의 방식으로, 드 라 렌트 씨를 설득하기 위해서입니다. 그는 우리의 새로운 분석을 거짓이라고 묘사하면서, 우리의 새로운 분석을 할 시간이 거의 없다. (그는 그가 곡선이 입방 포물선이라는 것을 증명할 세 가지 방법을 찾았다고 주장한다) – 요한 베르누이로부터 1697년 7월 27일자 피에르 바리뇽까지의 편지. [18]

AMMB가 A와 B를 결합하는 사이클로이드의 부분이라고 가정하고, 이 부분은 신체가 최소 시간 내에 미끄러져 내려간다. ICcJ를 A에서 B로 결합하는 다른 곡선의 일부가 되게 하라. 이 곡선은 AMMB보다 AL에 더 가까울 수 있다. 호 Mmm가 곡률 중심 K에서 각 MKm을 소계하는 경우, 동일한 각도를 소계하는 IJ의 호를 Cc로 한다. 중심 K와 함께 C를 통과하는 원형 호는 Ce이다. AL의 점 D는 수직으로 M 위에 있다. K와 D를 결합하고, 점 H는 CG가 KD를 교차하는 곳이다.

(와) 각각 Mmm와 Ce를 따라 몸이 떨어지는 시간이 되도록 한다.

2 }2 t\{\{Ce

CG를 F 지점으로 확장한다. 여기서, = D CF(와) = M C 이(가) 있기 때문에 다음과 같다

MN = NK이므로 사이클로이드의 경우:

= C K = ( + ) K , and

Ce가 Mm보다 K에 가까우면

and

둘 중 어느 경우에도

CG, 그리고 그 < 을(를) 따른다.

IJ에서 각도 최소각 MKm으로 감속된 호 Cc가 원형이 아닌 경우, 각도 MKm이 0에 가까워지면 Cec가 한계에서 우측삼각형이 되기 때문에 Ce보다 커야 한다.

참고, 베르누이는 비슷하지만 다른 주장으로 CF > CG를 증명한다.

이로부터 그는 차체가 다른 곡선 ACB보다 짧은 시간에 사이클로이드 AMB를 가로지른다고 결론짓는다.

간접법

페르마의 원리에 따르면, 한 줄기 빛에 의해 취해진 두 지점 사이의 실제 경로는 가장 적은 시간이 걸리는 것이다. 1697년 요한 베르누이는 일정한 수직 가속도(중력 g의 그것)에 따라 빛의 속도가 증가하는 매질에서 빛의 빔의 궤적을 고려하여 브라키스토크론 곡선을 도출하기 위해 이 원리를 사용했다.[19]

에너지의 보존에 의해 균일한 중력장에서 높이 y를 하강시킨 후 체 v의 순간 속도는 다음과 같이 주어진다.

= v

임의 곡선을 따라 움직이는 신체의 속도는 수평 변위에 좌우되지 않는다.

베르누이는 굴절의 법칙이 가변 밀도의 매체에서 빛의 빔에 대한 운동의 상수를 제공한다고 언급했다.

= v s = m frac {\ {\\ {m

여기서 vm 상수이고 수직에 대한 궤적의 각도를 나타낸다.

위의 방정식은 다음과 같은 두 가지 결론을 이끌어낸다.

  1. 시작 시 각도는 입자 속도가 0일 때 0이어야 한다. 따라서 브라키스토크론 곡선은 원점에서 수직에 접한다.
  2. 속도는 궤적이 수평이 되고 각도 = = 90°가 되면 최대값에 도달한다.

좌표(x,y)가 있는 입자(또는 빔)가 점(0,0)에서 출발하여 수직 거리 D를 낙하한 후 최대 속도에 도달한다고 가정하면:

=

굴절과 제곱의 법칙에서 용어 재배열은 다음을 제공한다.

dx에 대해 dx로 해결할 수 있는 사항:

x= v 2- v .

위의 vvm 식에서 대체하면 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다.

즉, 지름 D=2r 원에 의해 생성된 역 사이클로이드미분 방정식이며, 모수 방정식은 다음과 같다.

여기서 φ은 실제 매개변수로, 롤링 원이 회전한 각도에 해당한다. 주어진 φ에 대해 원의 중심은 (x, y) = (, r)이다.

브라키스토크론 문제에서 신체의 운동은 매개변수의 시간 진화에 의해 주어진다.

여기서 t는 지점이 0,0에서 신체를 방출한 이후 시간이다.

야콥 베르누이의 해결책

요한의 형 야콥은 어떻게 2차 미분자를 사용하여 최소 시간 동안 그 상태를 얻을 수 있는지를 보여주었다. 그 증명서의 현대화된 버전은 다음과 같다. 만약 우리가 최소 시간의 경로에서 무시할 수 있는 편차를 만든다면, 그 경로를 따라 변위에 의해 형성된 미분 삼각형과 수평과 수직의 변위에 대해,

= d + y

고정된 DY와의 차별화에 대해 우리는,