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使用大 M 指定转向点的四次多项式

原文:https://pub.towardsai.net/designing-quartic-polynomials-from-specified-turning-points-af0db707a6d7?source=collection_archive---------2-----------------------

大 M

使用遗传结构设计具有特定转折点的四次曲线,而不使用三次方程

虽然多项式经常从根向上导出,数学教育的重点似乎是再次找到它们,但这并没有解决 Tps 在一些机器人和人工智能应用中的重要性。这是可以理解的,因为设计满足指定的 Tp(y) 值的四次函数可能需要三次梯度函数的试错迭代求解。

这篇文章介绍了一种新颖的方法,它使用遗传的**‘大 M’**结构来公式化一个基本的四次多项式,以满足指定的转折点。它完全避免了小隔间,而且第一次就做对了。

因为该函数在 X-Y 网格中保持其形状,所以我们可以使用一个降低或简化的四次多项式, y=Ax⁴+Cx +Dx+E, 通过在 x 轴上移动它来消除立方内容 Bx ,然后将结果调整回起始点,从而使分析更简单。对于一个变化的简报,你可以参考我之前的帖子, 下降的四次多项式-翻译数学简化

注:在整篇文章中,为了简单起见,我们使用系数a = 1*因为它不改变 x 坐标的转折点和根,也不影响任何对相对梯度的依赖。*

这篇文章假设了高中水平的数学。一如既往,我希望它能鼓励人们更形象地思考数学!

建筑遗传学

参考图表 1:

四次曲线的一个特征,用 表示,y=Ax⁴+Cx +Dx+E 显示为蓝色,是它们模拟的 见锯 动作关于 x=0 同斜率完全归因于系数这条红色的线也平行于通过转折点 I 和 K 的红线。

如果我们设定 x 系数 D=0, 四次曲线形成一个对称的【大 W】如绿色所示具有相同拐点的*【Ip(x)Tps*C和 D 横。

通过所有遗传函数的拐点的线与 Y 轴相交于同一点 L (0,Ipy) 。所有 Ip 截取形成垂直线x =+-SqRt【C/6A】

图表 1

图 1 大 W 见锯

BIG M

参考图表 2:

**大 M 是一个通用的混合函数 y=-3x⁴-Cx +E, 如红色所示,它描绘了具有不同 x 系数 D 的所有函数的 Tps 。比如蓝色函数 y=x⁴+Cx +?x+E 有一个跷跷板渐变 dy/dx < 0D < 0 而黑色有一个渐变 dy/dx=0 在 **A、

所有函数的 Ips 在 x=0 处的切线 A_C 和所有函数的 Tps 由 大 M 追踪。

图表 2

图表 2

Derive 大 M

y=ax⁴-cx+e代表一个大 M** 泛红色的大 w:y=ax⁴+cx+e。其中系数 C 具有相反的符号,常数 E 对于两个函数是相同的。**

注意系数 A 和 C 必须具有相反的符号来创建 Tps 所以我们在下面的公式中假设 +A 和 -C 。

我们可以得出如下系数:

大 M 的TpsA(x)**和 **C(x) = 大 WIp(x)我们可以这样写:

【Tp(x)=+-SqRt【C/6A】,等同于大 M**;**

大 M:dy/dx = 4ax-2Cx = 0遂;x = 0*(2ax+C)= 0*遂 sub Tp(x) :

*2a (SqRt[C/6A])+C = 0,于是:

aC/3A=-CA=+1 因此;

a=-3 (或 a=+3A=-1 )

X检查

参考图表 3:

表明y=x⁴-18x-10x+30在图中以蓝色表示外部TPS**;**

Tp(-2.85,-21.73)Tp(3.13,-81.66) 由下式给出:

  1. 大 m:t111】y=-3x⁴+18x+30t113】;y =-3 * 65.98+18 * 8.123+30 =-21.73
  2. 大 m:y=-3x⁴+18x+30t121】;y =-3 * 95.98+18 * 9.80+30 =-81.60

图表 3

图表 3

S指定的转向点

给定一个基本四次的 y=x⁴-25x +?x+18 我们需要求出 x 的系数 D 使得一个外部Tp*****=(x,-86.39)*** 截距大 Maty = Ip(y)=-86.39,因此:**

图表 4

大 m:y=-3x⁴+25x+18 =-86.39遂;

y=-3x⁴+25x+104.39 = 0。将四次方程化为二次方程;让 u=x

y =-3u+25u+104.39并用 Std 二次方程求解;因此

x=-SqRt[11.387]=-3.37。 替换 中的 y=x⁴-25x +Dx+18=-86.39

y=x⁴-25x+dx+104.39 = 0

y = 128.98–283.92–3.37d+104.39 = 0因此:

D =-50.55/3.37 =-15因此

*****y=x⁴-25x-15x+18*符合规范。

注意:如果该结果导致不可接受的高或低 见 Saw 梯度 Ip(y) 范围,则有必要使用一个新的 大 W 族,该族具有非统一系数x⁴的和/或不同系数 xC**

R oots

这篇文章不是关于根,但是考虑到大对对于功能设计的潜力,很难不把它们挤进去。如果,除了指定一个 Tp 之外,还要求生成的外部根必须保持在大 W* 根的特定范围内(用 W 系数 D=0 这基本上是一个简单的二次计算。),这就需要注意系数 AC 。***

让我们看看大 W** 和大 M 如何直观地辅助设计参数。**

如果你仔细观察上面的图表,你会看到函数在大 W** 内向上移动,而大 M 跟踪它们的 Tps ,的两个根都大约集中在大 W 的根之间。向下,根部现在在外面,但是相当均匀地跨在大 W 的上面。有道理,因为 Ips 正在跟踪一条大 M 曲线试图保持中立!上涨空间总是比下跌空间大!**

这里有机会让函数设计者学习一些简单的近似技巧!

无论如何,对于近似值或实际值,找出任意两个根,另外两个由我在 三次多项式中提出的扩展二次方程给出——四次应用中更简单的方法 ,如下所示:

其中 AE 为函数y=ax⁴+bx+CX+dx+ekl 已知因子的系数和常数项(-根)。

顺便说一句,通过将已知的Tp(x)l 作为单因子加载到扩展的二次方程中,可以很容易地找到另一个外部和一个内部的TpTpTpTp(x)Tp(x)ll,其中在 dy/dx 三次方程中有常数****

查看

这篇文章提供了一个新颖的大 M** 公式,使规范的 Ip(y) 值无需复杂的三次迭代,以简化函数设计。如果你研究了上一节中关于根的要点,你也可以在决定一个***【Tp(y)时,改进你的起始大 W* 函数。**

因此,将大 M** 和大 W 整合到您的设计中,让数学为您工作,而不是您为它工作!**