Feladat: F.2037 Korcsoport: 18- Nehézségi fok: nehéz
Megoldó(k):  Magyar Zoltán 
Füzet: 1977/március, 104 - 106. oldal  PDF  |  MathML 
Témakör(ök): Valós számok approximációja, Fizikai jellegű feladatok, Feladat
Hivatkozás(ok):Feladatok: 1976/április: F.2037

A szöveg csak Firefox böngészőben jelenik meg helyesen. Használja a fenti PDF file-ra mutató link-et a letöltésre.

Megoldás. Ismeretes, hogy ilyen mozgást végző test út‐idő függvénye másodfokú polinom a szokásos jelölésekkel s(t)=a2t2+v0t+s0. A kérdés tehát az, hogy másodfokú polinom helyettesítési értékeivel mennyire tudjuk megközelíteni a táblázat adatait.
Ha a táblázat út‐adataiból kivonjuk egy tetszőleges P(t) másodfokú polinom értékeit, a kapott új táblázat adatait ugyanannyira lehet megközelíteni egy Q(t) polinommal, mint az eredetit a P(t)+Q(t)-vel.
Olyan P(t) polinomot szeretnénk találni, amelyet a táblázat értékeiből kivonva, a kapott új táblázat ,,szebb'' lesz, könnyebben felismerhető lesz a jól közelítő Q(t) polinom. Táblázatunkat nézegetve észrevehető, hogy a 2,0 s-hoz tartozó adat az 1,0 s-hoz tartozó 2-szeresénél 1-gyel nagyobb,

idő    út     idő    út     idő    út (s)  (m)(s)  (m)(s)  (m)0,0     0,0000    0,7    -0,1639    1,4    0,1922  0,1    -0,0627    0,8    -0,1196    1,5    0,2015  0,2    -0,1194    0,9    -0,0623    1,6    0,1928  0,3    -0,1641    1,0    -0,0000    1,7    0,1641  0,4    -0,1928    1,1     0,0623    1,8    0,1194  0,5    -0,2025    1,2     0,1196    1,9    0,0627  0,6    -0,1932    1,3     0,1639    2,0    0,0000

az idő négyzetének felét levonva belőlük, éppen 2-szerese lesz annak (0,637, ill. 1,274). Vonjuk le ezért a táblázatból a P(t)=12t2+0,637t polinomot. A kapott különbségeket az új táblázat tartalmazza, ábrázoljuk is a pontokat koordináta‐rendszerben. A kapott pontrendszer lényegében szimmetrikus az (1;0) pontra (2-2 pontnál van 0,001 eltérés), ezért jól közelíthető egy, a szimmetriaközépponton áthaladó egyenessel. Az egyenes iránytangensét úgy határozzuk meg, hogy a (0;0) és a (0,6;-0,1932) pontokban azonos legyen a hiba (könnyen belátható, hogy ezen két pont esetén adódik a hiba a legnagyobbnak). A hibát h-val jelölve, hasonló háromszögekből felírható, hogy
0,1932-hh=0,41,
 

 


amiből h=0,138 adódik. Tehát az egyenes egyenlete Q(t)=0,138t-0,138, a mozgást közelítően leíró függvény s*(t)=12t2+0,775t-0,138 és a hiba minden pontban kisebb, mint 0,138.
Alsó becslést kapunk a hibára, ha csak a t1=0;t2=0,6;t3=1,4 és t4=2,0 abszcisszájú pontokhoz akarunk legjobban közelítő f(t)=at2+bt+c másodfokú függvényt találni. Ezen t1,t2,t3,t4 számokhoz (és általában tetszőleges ilyen szám‐négyeshez) meghatározhatók a λ1,λ2,λ3,λ4 számok úgy, hogy teljesüljenek a
i=14λitin=0,n=0,1,2(1)
egyenlőségek. Ez három egyenlet a λ1,λ2,λ3,λ4 ismeretlenekre. Bebizonyítható, hogy az egyenletrendszernek mindig van (végtelen sok) megoldása. Esetünkben λ1=2,λ2=-5,λ3=5,λ4=-2 egy megoldás (a számolást nem részletezzük). Jelöljük si-vel a ti-ben mért értéket, és legyen Δi=si-f(ti), a ti helyen a közelítés hibája. Ekkor
i=14λiΔi=i=14λi(si-ati2-bti-c)=i=14λisi-ai=14λiti2-bi=14λiti-ci=14λi.(2)
(2)-ben az utolsó egyenlőség jobb oldalán álló 3 kivonandó tag (1) szerint 0, tehát
i=14λiΔi=i=14λisi.
Mindkét oldal abszolút értékét véve, és felhasználva, hogy az összeg abszolút értéke nem nagyobb a tagok abszolút értékeinek összegénél,
|i=14λisi|=|i=14λiΔi|i=14|λi||Δi|(maxi=1,...,4Δi)i=14|λi|,
amiből kapjuk, hogy
maxi=1,...,4|Δi||i=14λisi|i=14|λi|.(3)
A (3) képletet a kiválasztott pontnégyesre és a már meghatározott λi-kre alkalmazva nyerjük, hogy
maxi=1,...,4|Δi|0,1376.
Nyilvánvaló, hogy a teljes pontrendszert közelítő parabola hibája ennél csak nagyobb lehet. Viszont 0,138 hibával közelítő parabolát már találtunk, tehát kimondhatjuk, hogy az út mérési hibája legalább 0,138 egység. (Nincs értelme a 0,1376-hoz keresni parabolát ‐ habár találnánk ilyet ‐, hiszen az eredeti adatok is csak 3 tizedes pontosságúak voltak.)