Jip muammosi - Jeep problem

The jip muammosi,[1] cho'ldan o'tish muammosi[2] yoki qidiruv muammosi[3] a bo'lgan matematik muammo jip ma'lum miqdordagi yoqilg'i bilan cho'lga borishi mumkin bo'lgan masofani maksimal darajada oshirishi kerak. Jip faqat belgilangan va cheklangan miqdordagi yoqilg'ini olib yurishi mumkin, ammo u yoqilg'ini qoldirib, cho'lning istalgan joyiga yonilg'i quyish joylarida yoqilg'i yig'ishi mumkin.

Muammo birinchi bo'lib 9-asrning to'plamida paydo bo'ldi Acuendos Juvenes kompaniyasining takliflari (Yoshlarni keskinlashtirish uchun muammolar) ga tegishli Alcuin.[4] The De viribus quantitatis (taxminan 1500) Luca Pacioli shuningdek, muammoni muhokama qiladi. Tomonidan zamonaviy davolash amalga oshirildi N. J. Fine 1947 yilda.[1]

Jip muammosi boshqa bir qator optimallashtirish muammolari bilan bog'liq:

  • The tuya va banan muammosi[5] bu matematik muammo bo'lib, savdogar ko'chib o'tishda banan eyishi kerak bo'lgan tuyadan foydalanib bozorga olib boriladigan banan sonini maksimal darajada oshirishi kerak. Tuya faqat belgilangan va cheklangan miqdordagi banan ko'tarishi mumkin, ammo savdogar bananlarni qoldirib, cho'lning istalgan joyida to'plashi mumkin.
  • The cho'l muammosi bo'ylab sayohatchilar[6], bu matematik muammo bo'lib, yo'lda biron bir sayohatchini och qolmasdan, uzoqdagi boshqa bazaga etib borish uchun zarur bo'lgan minimal sayohatchilar sonini so'raydi. Har bir sayohatchiga faqat belgilangan va cheklangan miqdordagi yuk ko'tarilishi mumkin, va keyinchalik olib ketish uchun mollarni cho'lda qoldirib bo'lmaydi. Shu bilan birga, hamroh bo'lgan sayohatchilar o'zaro ta'minot materiallarini o'tkazishlari mumkin.
  • The cho'l muammosi bo'ylab mashinalar,[7] bu matematik muammo bo'lib, yo'lda bo'sh mashinalar tashlab qo'yilgan holda, uzoqroqqa boshqa bazaga etib borish uchun zarur bo'lgan minimal miqdordagi ilova mashinalarini so'raydi. Har bir mashina faqat belgilangan va cheklangan miqdordagi yoqilg'ini olib yurishi mumkin, keyinroq olish uchun cho'lda yoqilg'ini qoldirib keta olmaydi. Shu bilan birga, hamrohlik qiluvchi avtoulovlar ta'minotni o'zaro o'tkazishlari mumkin. Ushbu muammoning ishlashiga o'xshashligini unutmang ko'p bosqichli raketa.

Muammo

Lar bor n belgilangan bazada saqlanadigan yoqilg'i birliklari. Jip istalgan vaqtda eng ko'p 1 birlik yoqilg'ini tashiy oladi va 1 birlik yoqilg'ida 1 birlik masofani bosib o'tishi mumkin (jipning yoqilg'i sarfi doimiy deb hisoblanadi). Safarning istalgan nuqtasida jip yonilg'i quyish joyida tashiydigan har qanday yoqilg'ini qoldirishi yoki oldingi safarda yonilg'i quyish joyida qolgan yoqilg'ining har qanday hajmini oshirib yuborishi mumkin. 1 birlik. Muammoning ikkita varianti mavjud:

  • Cho'lni o'rganish - jip har safar oxirida bazaga qaytishi kerak.
  • Cho'lni kesib o'tish - jip har safarining oxirida bazaga qaytib borishi kerak, oxirgi safari bundan mustasno, jip yoqilg'isi tugashidan oldin iloji boricha sayohat qilganda.

Ikkala holatda ham, jipning so'nggi safari davomida bosib o'tgan masofasini maksimal darajada oshirish. Shu bilan bir qatorda, maqsad ma'lum masofani yakuniy sayohat qilish uchun zarur bo'lgan eng kam yoqilg'ini topish bo'lishi mumkin.

Klassik masalada jipdagi va yonilg'i quyiladigan joylardagi yoqilg'i a davomiy miqdor. Yoqilg'i faqat diskret miqdorda qoldirilishi yoki to'planishi mumkin bo'lgan muammo bo'yicha yanada murakkab o'zgarishlar taklif qilingan.[8]

In tuya va banan muammosi, savdogar bor n banan birliklari. Tuya istalgan vaqtda ko'pi bilan 1 ta banan tashiy oladi va 1 ta banan ustida 1 ta masofani bosib o'tishi mumkin. Bozor m masofa birliklari. Safarning istalgan nuqtasida tuya lager postida olib yurgan har qanday miqdordagi bananni qoldirishi mumkin yoki oldingi safarda lager postida qolgan har qanday miqdordagi bananni to'plashi mumkin, agar uning banan yuki hech qachon oshmasa. 1 birlik. Muammo bananning bozorga olib o'tilishi mumkin bo'lgan maksimal birliklarini so'raydi.

In cho'l muammosi bo'ylab sayohatchilar, boshlang'ich bazada cheksiz etkazib berish birliklari mavjud. Har bir sayohatchi istalgan vaqtda eng ko'p 1 ta yuk tashiy oladi va 1 ta masofada 1 ta masofani bosib o'tishi mumkin. Boshqa tayanch esa m masofa birliklari. Oldingi ikkita muammodan farqli o'laroq, sayohatchilar cho'lda mollarni tashlab ketolmaydilar; Shu bilan birga, sayohatning istalgan nuqtasida, hamroh bo'lgan sayohatchilar o'zlari o'rtasida materiallarni uzatishlari mumkin, chunki har bir sayohatchida hech qachon 1 birlikdan ortiq yuk ko'tarilmaydi. Qaytgan har bir sayohatchiga qaytishda etarlicha mol bo'lishi kerak. Muammo, boshqa bazaga etib borish uchun kerak bo'lgan minimal sayohatchilar sonini so'raydi. Ushbu muammoning bir varianti sayohatchilarning umumiy sonini beradi va erishish mumkin bo'lgan maksimal masofani so'raydi.

In cho'l muammosi bo'ylab mashinalar, boshlang'ich bazasida cheksiz yoqilg'i birliklari mavjud. Har bir mashina istalgan vaqtda ko'pi bilan 1 ta yuk tashiy oladi va 1 ta yoqilg'ida 1 ta masofani bosib o'tishi mumkin. Boshqa tayanch esa m masofa birliklari. Avtomobillar yoqilg'ini sahroda qoldirolmaydi; Biroq, sayohatning istalgan nuqtasida, hamrohlik qilayotgan mashinalar yoqilg'ini o'zaro o'tkazishi mumkin, chunki har bir mashina hech qachon 1 birlikdan ortiq yoqilg'iga ega bo'lmaydi. Yoqilg'i yo'q bo'sh mashinalar sahroda tashlab ketilmoqda. Muammo boshqa bazaga etib borish uchun zarur bo'lgan minimal miqdordagi hamrohlik mashinalarini so'raydi. Ushbu muammoning bir varianti mavjud bo'lgan avtomobillarning umumiy sonini beradi va erishish mumkin bo'lgan maksimal masofani so'raydi.

Qaror

Uchun "cho'lni o'rganish" variantining echimi n = 3, har safarning boshida va har bir sayohatning burilish nuqtasida jip va yonilg'i quyish joylarining yonilg'isini ko'rsatib beradi.

"Cho'lni o'rganish" varianti uchun so'nggi safarda bosib o'tgan masofani maksimal darajada oshiradigan strategiya quyidagicha:

  • Jip ishlab chiqaradi n sayohatlar. Har bir sayohatda u bazadan 1 birlik yoqilg'idan boshlanadi.
  • Birinchi safarda jip 1 / (2) masofani bosib o'tadin) birliklar va barglar (n − 1)/n yonilg'i quyish joyidagi yoqilg'i birliklari. Jipda hali ham 1 / (2) mavjudn) yoqilg'i birliklari - bazaga qaytish uchun etarli.
  • Keyingi har birida n - 1 marotaba jip yig'adi 1 / (2n) ushbu birinchi yoqilg'idan chiqadigan yoqilg'ining birliklari, shuning uchun u 1 ta yonilg'i tashiydigan yoqilg'i chiqindilaridan chiqadi. Bundan tashqari, u 1 / (2) to'playdin) bu birinchi yoqilg'idan qaytib ketadigan yoqilg'ining birligi, bu bazaga qaytish uchun etarli bo'lgan yoqilg'i.
  • Ikkinchi safarda jip birinchi yonilg'i quyish va yonilg'i quyish joyiga boradi. Keyin u 1 / (2) masofani bosib o'tadin - 2) birliklar va barglar (n − 2)/(n - 1) ikkinchi yonilg'i quyish joyidagi yoqilg'i birliklari. Jipda hali ham 1 / (2) mavjudn - 2) yoqilg'i birligi, bu birinchi yonilg'i quyish joyiga qaytish uchun etarli. Bu erda u 1 / (2) to'playdin) yoqilg'i birliklari, bu bazaga qaytish uchun etarli yoqilg'i.
  • Keyingi har birida n - 2 marotaba jip yig'adi 1 / (2n - 2) ushbu ikkinchi yonilg'i chiqindisidan chiqadigan yoqilg'i birliklari, shuning uchun u 1 ta yonilg'i tashiydigan yoqilg'ini tashlab ketishi kerak. Bundan tashqari, u 1 / (2) to'playdin - 2) qaytib kelayotgan ikkinchi yonilg'i chiqindisidan yoqilg'i birliklari, bu birinchi yonilg'i quyish joyiga qaytish uchun etarli bo'lgan yoqilg'i.
  • Jip shu tarzda davom etadi, shuning uchun safarda k u yangisini o'rnatadi k1 / (2) masofada yonilg'i quyishn − 2k + 2) oldingi yonilg'i quyish joyi va barglaridan birliklar (n − k)/(n − k + 1) yoqilg'i birliklari. Keyingi har birida n − k safarlar u yig'adi 1 / (2n − 2k + 2) yoqilg'i birliklari kdump o'z yo'lida va yana 1 / (2n − 2k + 2) qaytishda yoqilg'i birligi.

Jip so'nggi safari boshlanganda, bor n - 1 ta yonilg'i quyiladigan joy. Eng uzoq qismida yoqilg'i birligining 1/2 qismi, keyingisida yoqilg'ining birligining 1/3 qismi va shu kabilar mavjud va eng yaqin yonilg'i quyish joyida atigi 1 /n yonilg'i birligi qoldi. U bazadan boshlanadigan 1 birlik yoqilg'i bilan birga, bu jipning aylanib o'tishning umumiy masofasini bosib o'tishini anglatadi

uning so'nggi safari paytida birliklar (cho'lga boradigan maksimal masofa uning yarmi).[3] Chiqib ketishda har bir axlatxonada qolgan yoqilg'ining yarmini yig'adi, bu uning idishini to'ldiradi. Eng uzoq yoqilg'i chiqindilaridan chiqqandan so'ng, u 1/2 qismni cho'lga olib boradi va keyin eng uzoq yoqilg'i chiqindixonasiga qaytadi. Qolgan yoqilg'ini har bir yonilg'i quyish joyidan orqaga qaytishda to'playdi, bu keyingi yonilg'i quyish joyiga etib borish yoki oxirgi bosqichda bazaga qaytish uchun etarli.

Uchun "cho'ldan o'tish" variantining echimi n = 3, har safarning boshida, dastlabki ikki marshrutning burilish nuqtasida va oxirgi safari oxirida jip va yonilg'i chiqindilarining yonilg'isini ko'rsatib beradi.

Oxirgi safarda bosib o'tgan masofa bu nth harmonik raqam, Hn. Garmonik raqamlar chegaralanmaganligi sababli, oxirgi safarda istalgan masofani bosib o'tish mumkin, chunki bazada etarli yoqilg'i mavjud. Shu bilan birga, talab qilinadigan yoqilg'i miqdori va yoqilg'i tashlanadigan joylar soni ham bosib o'tiladigan masofa bilan keskin o'sib boradi.

"Cho'ldan o'tish" variantini xuddi shunday strategiya bilan hal qilish mumkin, faqat endi oxirgi safarga qaytishda yoqilg'i yig'ish talab qilinmaydi. Safarda k jip yangisini o'rnatadi k1 / (2) masofada yonilg'i quyishn − 2k + 1) oldingi yonilg'i quyish joyi va barglaridan birliklar (2n − 2k − 1)/(2n − 2k + 1) yoqilg'i birliklari. Keyingi har birida n − k - 1 ta sayohat u yig'adi 1 / (2n − 2k + 1) yoqilg'i birliklari kdump o'z yo'lida va yana 1 / (2n − 2k + 1) qaytishda yoqilg'i birliklari.

Endi jip so'nggi safari boshlanganda, bor n - 1 ta yonilg'i quyiladigan joy. Eng uzoq qismida yoqilg'i birligining 1/3 qismi, keyingisida yoqilg'ining birligining 1/5 qismi va boshqalar mavjud va eng yaqin yonilg'i quyish joyida atigi 1 / (2) mavjudn - 1) yoqilg'i birligi. U bazadan boshlanadigan 1 birlik yoqilg'i bilan birga, bu jipning umumiy masofani bosib o'tishini anglatadi

uning so'nggi safarida birliklar.[1][3] Qolgan barcha yoqilg'ini chiqish joyidagi har bir axlatxonada to'playdi, bu esa uning idishini to'ldiradi. Eng uzoq yonilg'i quyiladigan joydan chiqqandan keyin u yana 1 birlik masofani bosib o'tadi.

Yozib oling

nazariy jihatdan istalgan o'lchamdagi cho'ldan o'tish uchun bazada etarlicha yoqilg'i berilishi mumkin. Oldingi kabi, talab qilinadigan yoqilg'i miqdori va yonilg'i tashlanadigan joylar soni ham bosib o'tiladigan masofa bilan keskin o'sib boradi.

In tuya va banan muammosi, agar "cho'ldan o'tish" uchun yuqoridagi echim maqbul bo'lsa , va tashish mumkin bo'lgan maksimal banan birliklari , bu 0 dan 1 gacha. Ammo, agar , keyin (n−1)- lager posti kerak emas, chunki uning joylashgan joyi bozorning o'zidan uzoqroq bo'lar edi. Buning o'rniga, bozor o'zi bo'ladi (n−1)- lager posti. Shuning uchun, bananlarni tashish mumkin bo'lgan maksimal birliklari , bu 1 dan 2 gacha. Xuddi shunday, agar , keyin (n−2)- va (n−1)- lager posti ikkalasi ham kerak emas, va tashish mumkin bo'lgan maksimal banan birliklari , bu 2 dan 3 gacha. Va hokazo.

In cho'l muammosi bo'ylab sayohatchilar, deb taxmin qiling n sayohatchilar bilan boshlang'ich bazadan chiqib ketishdi n materiallar birligi. 1 / (dan keyin)n+1) masofa birliklari, ular allaqachon sarflangan bo'lar edi n/(n+1) etkazib berish birliklari; Shu nuqtada sayohatchilardan biri 1 / (bilan qaytishi kerak)n+1) etkazib berish birliklari, guruhni to'liq tark etish (n-1) har bir qolgan sayohatchining to'liq bitta birlikni olib yurishi uchun ta'minot birligi. Keyin guruh yana 1 / (n+1) masofa birliklari, (n-1)/(n+1) etkazib berish birliklari; Shu payt qolgan sayohatchilardan biri 2 / (bilan qaytishi kerak)n+1) ta'minot birliklari guruhni to'liq tark etib, boshlang'ich bazaga xavfsiz tarzda qaytish uchun (n-2) materiallar birligi. Guruh harakatni davom ettiradi 1 / (n+1) masofa birligi va bitta sayohatchini qisqartirish, toki bitta bitta ta'minotni olib yuradigan bitta sayyoh qolguncha. Va nihoyat, ushbu sayohatchim eng uzoq nuqtaga etib borish uchun bir masofa birligini bosib o'tishi mumkin. Hammasi bo'lib, eng uzoq masofa n sayohatchilar (n-1)/(n+1)+1=2-2/(n+1); Buni tenglashtirish m, sayohat qilish uchun zarur bo'lgan eng kam sayohatchilar sonini hal qilish mumkin m masofa birliklari. E'tibor bering, echimlar faqat uchun mavjud m<2.

In cho'l muammosi bo'ylab mashinalar, deb taxmin qiling n bilan boshlang'ich bazadan yo'lga chiqqan avtomobillar n yoqilg'i birliklari. 1 / dan keyinn masofa birligi, guruh allaqachon bir birlik yoqilg'ini sarf qilgan bo'lar edi; Bu vaqtda ular yoqilg'ini o'zaro o'tkazishlari, bo'sh mashinani qoldirishlari va (n-1) yonilg'i birliklari (n-1) mashinalar. Yana 1 / (n-1) masofa birligi, guruh yana bitta birlik yoqilg'ini sarf qilgan bo'lar edi; Shunga qaramay, ular yoqilg'ini uzatishi, bo'sh mashinani qoldirishi va (n-2) yonilg'i birliklari (n-2) mashinalar. To'liq bitta birlik yoqilg'ini tashiydigan bitta mashina qolmaguncha, guruh bitta mashinani harakatlantiradi va kamaytiradi. Va nihoyat, ushbu mashina eng uzoq nuqtaga etib borish uchun bitta masofani bosib o'tishi mumkin. Hammasi bo'lib, eng uzoq masofa n mashinalar erishish mumkin nth harmonik raqam, Hn; Buni tenglashtirish m, sayohat qilish uchun zarur bo'lgan minimal miqdordagi mashinalar uchun echim topish mumkin m masofa birliklari.

Mustaqillikka buyurtma bering

E'tibor bering, jip safarlarining tartibi aniqlanmagan. Masalan, masalaning "cho'lni o'rganish" versiyasida jip ishlab chiqarishi mumkin n − 1 ketib, taglik va birinchi yoqilg'i tashlanadigan joy o'rtasida sayohat (n − 1) / n har safar yonilg'i quyish joyidagi yoqilg'i birliklari va keyin n- birinchi yonilg'i quyish joyiga bir tomonlama sayohat, shu bilan u erga jami bilan etib keladi (n − 1) + 1/(2n) mavjud bo'lgan yoqilg'i birliklari. The 1/(2n) birliklar oxirida va ikkinchisida bazaga qaytish safari uchun saqlanadi n − 1 yoqilg'i birliklari yonilg'ini birinchi va ikkinchi yonilg'i quyish joylari o'rtasida harakatlantirish uchun ishlatiladi n − 2 sayohat va undan keyin (n−1)- ikkinchi yoqilg'i chiqindixonasiga bir tomonlama sayohat. Va hokazo.

Yoqilg'ining doimiy miqdori

Bazada mavjud bo'lgan yoqilg'i agregatlari soni butun son bo'lmasligi kerak. Umuman olganda, "cho'lni o'rganish" muammosi uchun erishish mumkin bo'lgan maksimal masofa n yoqilg'i birliklari

va "cho'lni kesib o'tish" muammosiga erishish mumkin bo'lgan maksimal masofa n yoqilg'i birliklari

Amaliy qo'llanmalar

Muammo urush davri holatlarida, ayniqsa yoqilg'ining tejamkorligiga nisbatan amaliy qo'llanilishi mumkin. Yaponiyaning bombardimon qilinishi sharoitida Ikkinchi jahon urushi tomonidan B-29, Robert Maknamara deydi filmda Urush tumanlari yoqilg'ini oldinga tashiydigan transport vositalariga etkazish natijasida kelib chiqadigan yoqilg'i samaradorligi masalasini tushunish Xitoy materikidan bombardimon reydlarini boshlash strategiyasidan voz kechishning asosiy sababi edi. orol sakrash strategiya:

"Biz ushbu samolyotlarni Kanzasdagi bazalardan Hindistonga uchib o'tishga majbur bo'ldik. Keyin yonilg'ini tepaga Xitoyga uchib o'tishga majbur bo'ldik. [...] Biz ularni olib ketishimiz kerak edi B-29 - yo'q edi tanker samolyoti U yerda. Biz ularni yonilg'i bilan to'ldirishimiz, uchib ketishimiz kerak edi Hindiston ga Chengtu; yoqilg'ini tushirish; qaytib Hindistonga uchib ketish; Chengtuda yoqilg'i yig'ish uchun etarli vazifalarni bajaring; uchmoq Yawata, Yaponiya; bomba po'lat fabrikalari; Va Hindistonga qaytib boring. Biz [yoqilg'i] samaradorligini oshirish bo'yicha ushbu muammo bo'yicha juda oz mashg'ulotlar olib bordik, aslida biz yoqilg'ini tushirish o'rniga B-29 samolyotlarining bir qismini qaytarib oldik, ular buni qabul qilishlari kerak edi. Qisqacha qilib aytganda, buning ahamiyati yo'q edi. Va shunday bo'ldi LeMay kim haqiqatan ham shunday xulosaga kelgan va Boshliqlar butun narsani Marianas Yaponiyani vayron qilgan ".[9]

(The atom bombasi topshiriqlari Ikkinchi Jahon urushi oxirida B-29 samolyotidan foydalanilgan Superfortresslar dan Tinch okeani oroli Tinian ichida Shimoliy Marianas orollari.)

Shuningdek qarang "Black Buck" operatsiyasi ushbu g'oyalarni qo'llash uchun. Ushbu missiyalar davomida Folklend urushi, Qirollik havo kuchlari yoqish uchun tankerlarni tashkillashtirish orqali havoga yonilg'i quyish uchun havodan foydalanilgan Vulkan asoslangan bombardimonchilar Ko'tarilish oroli maqsadlarni bombardimon qilish Folklend orollari.

Muammo ham mavzudir Terri Prathet kitobi Kichik xudolar, bu erda Omnian armiyasi ulkan cho'ldan o'tish uchun suvni ko'paytiradi.

Shuningdek qarang

Adabiyotlar

  1. ^ a b v Vayshteyn, Erik V. "Jip muammosi". MathWorld.
  2. ^ Gardner, Martin (1994). Mening eng yaxshi matematik va mantiqiy jumboqlarim. Dover. pp.53. ISBN  0-486-28152-3.
  3. ^ a b v "Qidiruv muammolari. Yana bir keng tarqalgan savol - bu cho'lga qadar bo'lgan masofani bosib o'tishga imkon beradigan, kashfiyotchi tomonidan chegara punktidan etib borishi mumkin bo'lgan masofa. a kunlar. " W. W. Rouse Ball va H.S.M. Kokseter (1987). Matematik dam olish va insholar, O'n uchinchi nashr, Dover, p32. ISBN  0-486-25357-0.
  4. ^ Yoshlarni keskinlashtirish uchun muammolar, Jon Xadli va Devid Singmaster, Matematik gazeta, 76, # 475 (mart 1992), 102–126 betlar.
  5. ^ "15-jumboq | (Tuya va banan jumboqlari)". GeeksforGeeks. 2015-03-11. Olingan 2020-02-04.
  6. ^ "Cho'l bo'ylab sayohatchilar". mathforum.org. Olingan 2020-02-04.
  7. ^ "Cho'l bo'ylab jumboq - hal qilish". www.mathsisfun.com. Olingan 2020-02-04.
  8. ^ Ekspeditsiyalar uchun optimal logistika: to'liq to'ldirishda jip muammosi, Gunter Rote va Guochuan Zhang, 1996 yil iyun
  9. ^ Urush tumanining stenogrammasi, www.errolmorris.com