最大值原理及其应用

最大值原理及其应用实例

[摘要]：最优控制中的最大值原理，是在目标泛函的最大化问题中得到最优控制的必要条件是使哈密顿函数达最大值而得名的。它被广泛应用于开放式捕鱼以及日常实际问题求最优策略的解决过程中，但是虽然它解决了古典变分法所遇到的困难，给出了最优控制问题解的必要条件，却绝非充分条件，所以在应用中具有一定局限性。

[关键词]：最大值原理；哈密顿函数；必要条件；最优控制；最优策略

正文：

1．最大值原理的内涵

设系统的状态方程为

(,,)x

f x u t = 00()x t x = 控制u 属于R m 中的某个有界闭集U ，最优控制问题是求u ∈U ，使得

()((),)(,,)f

t f t J u x t f L x u t dt

θ=+?

最小。

假设f(x,u,t)的分量为f i (x,u,t)，并假设

(,,)i f x u t ，(,,)i f x u t t ??，(,,)i j f x u t x ??，(,,)L x u t ，(,,)L x u t t ??，(,,)i L x u t x ??，

((),)((),)

((),),

,,(,1,2,,)

()f f f f f f j f f

x t t x t t x t t i j n x t t θθθ??=??

都是其自变量的连续函数。用u *、x *分别表示最优控制和最优轨迹，则u *使J(u)取最小值的必要条件是：

1.1存在协状态向量λ*

(t),它和x *

(t),u *

(t)一起满足正则方程

(,,)x f x u t H x λ=??

??=-???

1.2哈密顿函数作为u 的函数在u=u *

(t)取最小值，即

(,,,)min (,,,)

u U

H x u t H x u t λλ*****∈=

1.3 正则方程的边界条件：

1.3.1 若x(t f )=x f 是给定的，则边界条件为

00()x t x = ()f f x t x =

1.3.2 如果t f 给定，x(t f )自由，那么边界条件为

00()x t x = ((),)

()f f f f

x t t t x θλ?=

?

1.3.3 如果t f 也是自由的，还要加一个条件：

((),)

((),(),(),)0f f f f f f f

x t t H x t u t t t t θλ?+

=?

以确定t f 。

1.3.4 如果要求x(t f )落在m 维流型S 上，

12((),)0((),)0:((),)0

f f f f r

f f N x t t N x t t S N x t t =??

=???

?=?

那么边界条件为

00

1()((),)((),)()()()((),)0

(,,)T

f f f f f

f f f f

T r

x t x x t t N x t t t v x t x t N x t t v v v θλ=?????=+????

?=?

?? 如果t f 是自由的，再增加条件

((),)

((),)

((),(),(),)0T f f f f f f f f f

f

N x t t x t t H x t u t t t v t t θλ??+

+

=??

可以看出，上述的正则方程和边界条件与u 无约束的情况用变分法导出的完全相同。

注1： 如果最优控制问题是求u U ∈，使得目标函数J （u ）最大，在最大值原理中，

最优控制u *应使哈密顿函数值最大，即

(,,,)max (,,,)u U

H x u t H x u t λλ*****∈=

最大值原理就是在目标泛函的最大化问题中得到最优控制的必要条件是使哈密顿函数达最大值而得名的。

同样，由于目标函数的最小化问题中得到最优控制的必要条件是使哈密顿函数达最小值，也有人称这个原理为最小值原理。

注2：哈密顿函数作为u 的函数，在u=u*(t)处取最小值，因此式

(,,,)max (,,,)u U

H x u t H x u t λλ*****∈=

对区间[t 0 ,t f ]上的所有t 成立，其含义是：对于由最优控制u=u*(t)引发的x *(t)和协状态λ*（t ），哈密顿函数作为u 函数，在u=u*(t)处取最小值。

在u 为标量的情况，必要条件的含义是：在特定的时刻t 和特定的x *(t)、λ*（t ）曲线，哈密顿函数的右端可以看做u 的函数，最优控制u*(t)使它取最小值

min ()u U

H u ∈

当U 为闭区间[a,b]时，允许的控制满足

a u

b ≤≤

哈密顿函数仅作为u 的函数，有如图所示的三种情况：

图1 关于哈密顿函数的示意图

第一种情况：哈密顿函数的最小值在区间[a,b]内的点达到。如果哈密顿函数关于u 是可微的，则必要条件为

0H

u

?=? 其他两种情况是哈密顿函数的最小值在区间[a,b]的边界点达到，这时则必须用更广泛的条件

min ()u U

H u ∈

也就是用条件

(,,,)min (,,,)u U

H x u t H x u t λλ*****∈=

来描述。

当x(t f )是自由的时，应用最大值原理求最优策略的具体步骤如下： 第1步：构造系统的哈密顿函数为

(,,,)(,,)(,,)T H x u t L x u t f x u t λλ=+

第2步：由

(,,,)max (,,,)((,,,)min (,,,)(u U

u U

H x u t H x u t H x u t H x u t λλλλ*****∈*****

∈==对于最大化）

对于最小化）

导出决策变量u 与状态变量x 、协状态变量λ的关系，记为u=u(x,λ)。 第3步：写出以下正则（正规）方程组为

00(,,)()((),),()()f f f f x f x u t x t x x t t H t x x t θλλ==??

???=-=????

， 将u=u(x,λ)带入正则方程，解出x=x *(t),λ=λ*(t)。 第4步：将x=x *(t),λ=λ*(t)代入u=u(x,λ)得到最优策略

**((),())()u u x t t u t λ**==

如果决策问题还要求满足边界条件x(t f )=x f ，则以这个边界条件取代正则方程组中的条

件((),)

()f f f f

x t t t x θλ?=

?。[1]

2．最大值原理在开放式捕鱼中的应用

2.1.应用最大值原理建立模型

所谓开放式捕鱼是指任何渔船都可以任意捕捞。当然,要使捕渔业有长期利润,这就需要考虑怎样控制每年的捕鱼量才能有利于鱼的繁殖,使得在一定时间内鱼的产量最高,也就是使捕渔业赚得的经济收入总数为最大。为了讨论这个问题,首先建立如下数学模型:

设F(x)表示一个给定单种群鱼群的自然增长率,用h(t)表示收获率,x 为鱼群的种群密度,t 为时间,则鱼群的增长函数为：

()()dx

F x h t dt

=- 0t ≥ （1）

赚得的经济收入总数为：

0[()][()]t J e p C x F x x dt δ∞

-=--? （2）

其中,δ为经济效益指标(折扣率),p 为所捕鱼的单位价格,c(x)为单位成本函数。 所以原问题是要求一个最优收获率h*(t)来使经济收总数J 最大。文献用欧拉方程求解最优收获率h*(t)。

设

[()][()]e p C x F x x

δφ-=-- 那么由欧拉方程:

d x dt x

φφ

??=??

则可得到方程:

''

()()

()()

C x F x F x p C x δ-=- （3）

若方程(3)有唯一解x=x*,则x*就为所求的最优种群密度(能使经济收入达到最大且不会使鱼群灭绝的鱼群密度)。若用max h 表示最大可行收获率,则

max **()()0

h h t F x ??

=???

***x x x x x x >=<

这种方法比较初等,应用范围很小,因为仅当控制变量h(t)无界,控制变量h(t)可以在m 维空间中任取,才能在欧拉方程中取δh ≠0,而若控制变量h(t)有界时,欧拉方程则无法求解此最优控制问题,因而本文引入最大值原理来求解此问题。

2.2应用最大值原理来求解该问题

首先建立如下状态系统：

状态方程 ()()x

F x h t == 初始条件 0(0)x x =

目标函数 0[()]()t J e p C x h t dt δ∞

-=-?

由最大值原理，设λ(t)是伴随向量,则可确定哈密顿函数为:

(,,,)[()]()()[()()]t H x h t e p C x h t t F x h t δλλ-=-+-

则协态方程为：

''()()()()t H t e C x h t F x x

δλ

λ-?=-=-? (4) 耦合方程为:

[()]t H

e p C x h

δλ-?=--? 由于控制变量h(t)在哈密顿函数H(x,h,λ,t)中线性的出现,说明该问题可以有一个奇异最优控制。而单凭最大值原理来求解奇异问题是不行的,下面引入广义的Legendre-Clebsch 条件来对最大值原理进行补充。有了这个补充,奇异控制问题就迎刃而解了。

现在来看原问题：

[()]0t H

e p C x h

δλ-?=--=? 可得

[()]t e p C x δλ-=- （5）

而0uu H ≡

'()[()]()t t d H e p C x e C x x

dt h

δδδλ--?=----? 将(4)式代入上式可得

'''()[()]()[()()]()()()t t t d H

e p C x e C x F x h t e C x h t F x dt h

δδδδλ---?=-----+? ''[()]()()()0t t e p C x e C x F x F x δδδλ--=---+=

[()]0d H

h dt h

??=?? 22''2

()[()]()()()t t t t

d H

e p C x e C x x e C x F x e dt h

δδδδδδδ----?=-++-? '''''''()()()()()()t C x F x x

e C x F x x F x F x x δλλ--++ (6) 将(4)式代入上式可得

22''2

()[()]()[()()]()()t t t d H

e p C x e C x F x h t e C x F x dt h

δδδδδδ---?=-+-+? ''''()()[()()][()]()[()]()[()()0t t t e C x F x F x h t e p C x F x e p C x F x F x h t δδδδ-----+----=

（7）

2''''2(())()()()()[()]()t t t d H e C x F x e C x F x e p C x F x h dt h

δδδδ---??=++-?? '''()()(1)[()]()t t e C x F x e p C x F x δδδ--=++-

只要δ<1,p>C(x),就有

22(())0d H h dt h

??>?? 由(6)式可知:

''

()()

()()

C x F x F x p C x δ-=- （8）

由(7)式可知h(t)是一个关于C(x),F(x),F ′(x),F ″(x),δ的函数。只要由(8)式得出最优种群密度x*的表达式,就可以直接求出最优收获率h*的表达式。 2.3应用分析

下面以H.S.Mohring 近年来提出的太平洋大比目鱼群的参数: r=0.71,K=80.5×106kg

对Schaefer 模型使用本文提出的最大值原理方法来研究一下关于捕鱼的最优收获问题。在最优控制问题中,只有某些简单的情况可以获得解析解,而绝大多数情况都只能获得数值解。在此,为了能得出x*和h*的解析式以便具体分析问题,不妨假设每单位重量所赚钱为常数α>0,即p-C(x)=α。以下为所给的状态系统:

状态方程 6

(1)()0.71(1)()80.510x x

x

rx h t x h t K =--=--? 6

6

0.71(80.510)()80.510

x x h t =?--? 目标函数 0

()t

J e h t dt δα∞

-=?

解:设λ(t)为伴随向量,则哈密顿函数为

6

6

0.71()()[

(80.510)()]80.510

t H e h t t x x h t δαλ-=+?--? 协态方程为:

6

66

0.710.71(80.510)]80.51080.510H x x x x λ

λ?=-=-?--??? 6

1.42

[

0.71]80.510x λ=-? 必要条件为:

0t t H

e e h

δδαλλα--?=-=?=? （9） 由于这是一个奇异控制问题,则要想使目标函数取最大值,还应满足Legendre-Clebsch 条件(此条件仅为必要条件)。

()t d H

e dt h

δαλ-?=--? 6

1.42[0.71]080.510t

e x δαδλ-=--=? （10） [()]0d H

h dt h

??=?? 222661.42 1.42()[0.71]80.51080.510

t d H e x x dt h δαδλλ-?=---??? 26

2666

1.420.71 1.42[(80.510)()][0.71]80.51080.51080.510

t t t e e x x h t x e δδδαδαα---=-

??----???? 0=

2261.42

[()]080.510

t d H e h dt h δα-??=?>??? 由(9)式和(10)式可知:

6

1.42

[

0.71]080.510

t t e x e δδαδα----?=?

6*

80.510(0.71)

1.42

x δ?-?= （12）

由(11)式可知:

22

*

60.7180.5102.84

h δ-=?? （13）

由(12)式可以看出,当δ=0时,产生一个最优种群密度x*=40.25×106kg,且产生了最大经济产量h*=14.29×106kg 。随着δ的上升,最优种群密度x*下降,当δ>0.71,即折扣率δ大于内禀生长率r 时,那么最优种群密度x*=0,在这种情况下,最优收获策略会使资源种群快速灭绝。所以,要使捕渔业获得长期利润,折扣率必须满足0≤δ<0.71。

2.4总结

从过程上来看,最大值原理显得比较复杂,但它的应用范围很广,可以解决多种群鱼群,控制变量受限以及奇异最优控制问题。在开放式捕鱼中,人捕鱼会受到很多限制,而欧拉方程又无法解决这些控制受限问题,因而最大值原理就比它适用得多。[2]

3．最大值原理应用实例举例

例3.1基金的最优管理问题

基金会达到一笔60万元的基金，现将这笔款存入银行，年利率为10%，该基金计划用80年，80年后要求只剩0.5万元用作处理该基金的结束事宜。根据基金会的需要，内年至多支取10万元作为某种奖金。我们的问题是制定该基金的最优管理策略，即每年支取多少元才能使基金会在80年中从银行取出的总金额最大。

解：用x(t)表示第t 年存入银行的总钱数，u(t)第t 年支取的钱数，则该问题的状态方程为

()()(),0.1,x

t rx t u t r =-= 初值和终值分别为

(0)60,(80)0.5x x ==

控制约束条件为

5()10u t ≤≤

目标泛函即性能指标为

80

()()J u u t dt =?

从而，基金的最优管理问题就是求满足约束条件的u(t)使J （u ）取最大值。用最大值原理求解这个最优控制问题。

哈密顿函数为

(,,)()(1).H x u u rx u r xx u λλλλ=+-=+-

根据最大值原理，u *(t)应使哈密顿函数达到最大值，因此

5,10,()10,10,u t λλ*-?

状态方程和辅助和方程为

(),(0)60,(80)0.5,x

t rx u x x =-== H r h

λ

λ?=-=-? 于是

()(0).rt t e λλ-=

如果(0)1,λ<，那么1()1(0)0rt t e λλ--=->，由()u t *的表达式可治

()10,080,u t t *≡≤≤

这与实际不符，从而(0)1,λ>因此(0)λ将由大于1单调下降到小于1，设()1,λτ=

则最优管理策略为

5,0,

()10,80,t u t t ττ*≤≤?=?≤≤?

于是由状态方程可得

*0.110

()100,80,rt t x t ce ce t r

τ=+

=+≤≤ 由边界条件(80)0.5,x =得，

88(0.5100)99.5,c e e --=-=-

因此

*0.180.110

()10099.5100,80.rt t t x t ce ce t r

τ-+=+

=+=-+≤≤ 由状态方程和初始条件(0)60,x =得

*0.1()1050,0,t x t e t τ-=+≤≤

于是

0.1*

80.110100,()99.5

100t

t

e x t -+?+?=?-+?? 0,80.t t ττ≤≤≤≤ 由连续性，有

0.180.1105099.5100,t t e -++=-+

解得

8

50

10ln

16.06.1099.5τ-=≈+

故最优策略为

5,

()10,u t *?=??

016.06,16.0680,t t ≤≤≤≤

即最优管理策略是：在16年以前每年支付5万元，16年以后每年支付10万元，共支取720万元。

例3.2生产与消费问题

设x(t)表示总产值，u(t)表示用于扩大再生产的投资比例，0≤u （t)≤1。1-x(t)表示用于消费的比例，假设产值的增长与投资额成正比，不妨设比例为1，则

0(),(0)0x

t ux x x ==≥ ， 问题是寻求在一个计划区间[0，T]内的控制u(t),使得消费总额最大。此最优控制问题的状态方程为

0(),(0)0,()x

t ux x x x T ==≥ 自由.

在u ∈[0,1]下，求使

(1)T

J u xdt =-?

达到最大值的u *。 解： 哈密顿函数为

(1)(1),H u x ux x ux λλ=-+=+-

由于0,x

x ≤≤ 故000()t x x t x e ≤≤≤，可见()0x t ≥。根据最大值原理，u *∈[0,1]使H 取最大值，因此，

1,()0,u t *?=??

()10,

()10.t t λλ->->

换接函数()1t ξλ=-，换接点t 满足()1t λ=。 辅助方程为

1(1)11,H

u u u u u h

λ

λλλ?=-=-+-=--=-+-? ()0.T λ=

由()t λ的连续性和()01T λ=<知。在末端的一个小区间内应取()0.u t *=在[,]T ε上

u *=0，由1λ

=- ，()0T λ=知()t T t λ=-，这个递减的线性函数只能一次达到值1，此时()1,T λεε==-1T ε=-，从而[1,]T T -上*0u =。

当1T <，则*0u =，即全部用于消费上，是一种短期行为。

若1T >，考虑换接的情形，在(,1)T δ-上*0u ≡（考虑*0u =，()1t λ>矛盾），由

λ

λ=- ，(1)T λ-知1()T t

t e λ--=，这个递减函数只在1T -时取值为1，其余均大于1，故

1T -前不能再换接，从而0δ=，于是

1,0,u *?=??

[0,1],

(1,],T T T --

即[0,1]T -上全部用于投资，(1,]T T -上全部用于消费。

4．最大值原理的局限性

最后需要指出的是，最大值原理虽然解决了古典变分法所遇到的困难，但是它也只给出了最优控制问题解的必要条件，而不是充分条件，所以由最大值原理所求的控制函数不一定是最优控制，因为有可能最优控制根本不存在。如果最优控制问题的解存在，但是从这方法得到的控制函数不止一个，就需要进行逐个检验，从中确定出最优解，如果该问题的实际物理背景有最优控制，而从最大值原理得到的解又只有一个，那么这个解一定是最优控制。[3]

[参考文献]:

[1] 王翼.经济系统的动态分析[J].北京：机械工业出版社, 2008：108-110.

[2] 张红英，荆海英，吴斌.最大值原理在开放式捕鱼中的应用[J].西南工学院学报, 2001年01期 :1-4.

[3] 吕显瑞，黄庆道编著.最优控制理论基础[M].科学出版社.

圣维南原理证明

有限元圣维南原理简述 圣维南原理（Sai nt Ve nant ' s Prin ciple ）是弹性力学的基础性原理，是法国力学家圣维南于1855年提出的。其内容是：分布于弹性体上一小块面积（或体积）内的荷载所引起的物体中的应力，在离荷载作用区稍远的地方，基本上只 同荷载的合力和合力矩有关；荷载的具体分布只影响荷载作用区附近的应力分布。还有一种等价的提法：如果作用在弹性体某一小块面积（或体积）上的荷载的合力和合力矩都等于零，则在远离荷载作用区的地方，应力就小得几乎等于零。不少学者研究过圣维南原理的正确性，结果发现，它在大部分实际问题中成立。因此，圣维南原理中原理”二字，圣维南原理（Saint-Venant ' s Principle ）表述如下：如果把物体的一小部分边界上的面力，变换为分布不同但静力等效的面力（主矢量相同，对于同一点的主矩也相同），那么，近处的应力分布将有显著的改变，但是远处所受的影响可以不计。 圣维南原理是弹性力学的基础性原理，圣维南原理的证明一直是弹性力学重要的研究课题，在此通过ANSY歎件工具，进行该原理的证明。 2. ANSYS 证明 当物体一小部分边界上的位移边界条件不能满足时，也可以应用圣维南原理得到用用的解答。例如，图1, 2所示构建的右端是固定端，则在该构件的右端, 有边界条件（u）s =O,（v）s二V =0。这就是说，右端固定端的面力，静力等效于 经过右端截面形心的力F。结果仍然应该是在靠近两端处有显著的误差，而在离两端较远之处，误差是可以不计的。 考虑到在ANSYS中建立约束条件的可行性，采用具有代表性的进行建模分析。 图1 图2 1)创建有限元模型一一柱形构件 为便于在两端面中心加载，选用四面体单元类型。由于ANSYS勺单元类型是在不断

圣维南原理的理解及其在工程问题中的应用

一、题目圣维南原理的理解及其在工程问题中的应用 二、涉及到的弹性力学相关概念介绍 1855年，圣维南在梁理论研究中提出：若在物体一小部分区域上作用一平衡力系，则此力系对物体内距该力系作用区域较远的部分不产生影响，只在该力系作用的区域附近才引起应力和变形。这就是著名的圣维南原理。 圣维南原理的一种较为实用的提法是：若作用在物体局部表面上的外力，用一个静力等效的力系（具有相同的主矢和主距）代替，则离此区域较远的部分所受影响可以忽略不计[1]。 三、正文部分 1圣维南原理的理解 1.1 圣维南原理的提出背景 求解弹性力学问题就是在给定边界条件下求解偏微分方程。边界条件不同，问题的解答也不一样。但是要求出严格满足边界条件的精确解，有时是非常困难的，另外，对于一些实际问题，不能确切的给出面力的分布，只是知道它在某边界上的合理与合力偶的大小。于是我们会提出一个问题，能不能用一个可解的等效力系来代替它；满足合力、合力偶条件的解是否可以替换它。这个问题可由圣维南发原理来回答。 1.2 凭借生活经验的理解 对于圣维南原理的第一种提法：若在物体一小部分区域上作用一平衡力系，则此力系对物体内距该力系作用区域较远的部分不产生影响，只在该力系作用的区域附近才引起应力和变形，可以用一个实例先简单理解。例如用钳子剪钢丝即使外力大道把钢丝剪断的程度，根据生活经验，钢丝的应力和变形仅局限于潜口附近。经验表明，这一平衡力系越小，对钢丝其它部分的影响越小[3]。 对于圣维南原理的另一种提法是：若作用在物体局部表面上的外力，用一个静力等效的力系（具有相同的主矢和主距）代替，则离此区域较远的部分所受影响可以忽略不计。可以这样理解:悬臂梁在端部不沿受集中力作用，基础上增加一对自相平衡的力系。再减少一对相平衡的力系，根据圣维南原理，仅在小区域那有明显差异，而在该区域之外应力几乎是相同的[1]。 1.3简单应用的理解 书上的例子是这样的：如图1.1所示，设有柱形构件，在两端截面的形心受到大小

高中物理选修3-4知识点整理

选 修3—4 一、知识网络 周期：g L T π2= 机械振动 简谐运动 物理量：振幅、周期、频率 运动规律 简谐运动图象 阻尼振动 受力特点 回复力：F= - kx 弹簧振子：F= - kx 单摆：x L mg F -= 受迫振动 共振 波的叠加 干涉 衍射 多普勒效应 特性 实例 声波，超声波及其应用 机械波 形成和传播特点 类型 横波 纵波 描述方法 波的图象 波的公式：vT =λ x=vt 电磁波 电磁波的发现：麦克斯韦电磁场理论：变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场→预言电磁波的存在 赫兹证实电磁波的存在 电磁振荡：周期性变化的电场能与磁场能周期性变化，周期和频率 电磁波的发射和接收 电磁波与信息化社会：电视、雷达等 电磁波谱：无线电波、红外线、可见光、紫外线、x 射线、ν射线

二、考点解析 考点80 简谐运动 简谐运动的表达式和图象 要求：I 1）如果质点所受的力与它偏离平衡位置位移的大小成正比，并且总是指向平衡位置，质点的运动就是简谐运动。 简谐运动的回复力：即F = – kx 注意：其中x 都是相对平衡位置的位移。 区分：某一位置的位移（相对平衡位置）和某一过程的位移（相对起点） ⑴回复力始终指向平衡位置，始终与位移方向相反 ⑵―k ‖对一般的简谐运动，k 只是一个比例系数，而不能理解为劲度系数 ⑶F 回＝－kx 是证明物体是否做简谐运动的依据 2）简谐运动的表达式： ―x = A sin (ωt ＋φ)‖ 3）简谐运动的图象：描述振子离开平衡位置的位移随时间遵从正弦（余弦）函数的规律变化的，要求能将图象与恰当的模型对应分析。可根据简谐运动的图象的斜率判别速度的方向，注意在振幅处速度无方向。 A 、简谐运动（关于平衡位置）对称、相等 ①同一位置：速度大小相等、方向可同可不同，位移、回复力、加速度大小相等、方向相同. ②对称点：速度大小相等、方向可同可不同，位移、回复力、加速度大小相等、方向相反. 相对论简介 相对论的诞生：伽利略相对性原理 狭义相对论的两个基本假设：狭义相对性原理；光速不变原理 时间和空间的相对性：“同时”的相对性 长度的相对性： 20)(1c v l l -= 时间间隔的相对性：2 )(1c v t -?=?τ 相对论的时空观 狭义相对论的其他结论：相对论速度变换公式：21c v u v u u '+'= 相对论质量： 2 )(1c v m m -= 质能方程2mc E = 广义相对论简介：广义相对性原理；等效原理 广义相对论的几个结论：物质的引力使光线弯曲 引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别

现代熵理论在社会科学中的应用

现代熵理论在社会科学中的应用 摘要：文章简述了热学熵的理论及其统计解释,介绍了熵增原理，最大最小熵原理，对现代熵理论在人类社会，生态环境，致冷技术上的应用作了浅显 的说明，使人类意识到加强熵观念以维护良好社会秩序及生态环境的必 要性，最后讲解了现代熵理论在社会科学中的应用对我的启发与影响。 关键词: 现代熵现代熵理论现代熵与人类社会现代熵与生态环境 现代熵与致冷技术制冷技术现代熵理论的应用对我的启发 正文： 一. 现代熵理论的基本概念 1. 热熵的基本概念 克劳修斯引入了状态函数熵，记为 S。他采用宏观分析的方法得出 : 对于一个封闭系统 , 可逆过程的熵变 dS与系统从外界所吸收的热量 dQ和系统的温度 T之间存在如下关系: dS = dQ T 上式称为熵的克劳修斯关系式。由此定义的熵称为热力学熵 (或宏观熵 , 克劳修斯熵 ) 。 2. 统计熵 (或玻尔兹曼熵 )的概念 在克劳修斯给出热力学熵的定义以后 ,玻尔兹曼又从微观 (气体动理论 )的角 度 , 深入研究了状态函数熵 , 给出了一个统计物理学的解释。在等概率原理 的前提下 , 任一给定的宏观状态所包含的微观状态数的数目称为该宏观状态的热力学概率 , 用 Q表示。据此 , 玻尔兹曼对气体分子的运动过程进行了研 究 ,将熵 S和热力学概率Ω联系起来得出 S∝ lnΩ的关系 ,在 1900年由普朗克引进比例常数 k而成为 S = klnΩ。这就是统计物理的玻尔兹曼熵 关系式 ,其中 k为玻尔兹曼常量。由此定义的熵称为统计熵 (或玻尔兹曼熵 )。二．现代熵理论的原理 现代熵理论有熵增加原理，最大最小熵原理等。 1. 熵增原理： 处于平衡态的孤立系统的熵增加原理在定义熵的概念以后 ,克劳修斯把热 力学第二定律中熵用式中等号对应可逆过程 , 大于号对应不可逆过程。即在绝热过程中熵不可能减少，这就是熵增原理。

ANSYSWORKBENCH全船结构元分析流程

一、建立有限元模型 与ANSYS经典版相比，WORKBENCH的操作界面更加美观，建模、分析的过程更加智能化，更容易上手。但作为一个专注于有限元分析的软件，其日渐强大的建模模块(Geometry)对建立复杂的船体曲面仍显得力不从心。因此需要在其他建模软件(笔者使用了SolidWorks)中建立船体实体模型后导入WORKBENCH中，完成随后的建模和分析工作。 鉴于实体单元在计算中消耗过多的内存和计算时间，本文采用概念建模(Concept)的方法将船体板定义为无厚度的壳体(SurfaceBody)，将船体骨架定义为线体(Line Body)，壳体和线体划分的网格类似于经典版的壳单元(Shell)和梁单元(Beam)。 1.导入实体模型 可采用多种方法导入，如直接将模型文件拖入WORKBENCH的ProjectSchematic(项目概图)窗口，如图1所示。还可双击启动Geometry模块后，在其File菜单中选择导入命令，导入后的模型如图2所示。 模型已冻结，分为船体和上层建筑两部分，船首指向X轴正向，船体上方指向Z轴正向。坐标原点位于船体基平面、中站面和中线面的交点处。 图2导入后的模型 2.生成舷墙 (1)在中纵剖面(ZXPlane)建立草图(NewSketch)，进入绘制草图模式。点击“TreeOutline”→“Sketching”，沿甲板边线位置绘制一条曲线。返回模型模式，点击“Sketching”→“Modeling”→“Extrude”，生成一个SurfaceBody。

(2)沿甲板将船体分开，点击 “Create”→“Slice”，在“DetailView”窗口“SliceType”选项中选择“SlicebySurface”项，“TargetFace”选择上一步生成的SurfaceBody，“Slice Targets”选项中选“SelectedBodies”，点选船体结构→“Apply”→“Generate”，原来的船体分成两部分，上面是舷墙部分，下面是船舱部分，如图3所示。 图3船体分为两部分 这时生成的SurfaceBody已完成历史使命，可将其抑制(Suppress)掉了。注意不是把拉伸操作Extrude1、而是生成的面SurfaceBody抑制掉。 (3)生成舷墙：选择(2)中生成的舷墙部分进行抽壳，点击“Thin”→“Surface”，在“DetailView”窗口“Selection Type”选项中，选择“FacetoKeep”项，保留舷墙部分，设置厚度为0，然后点选“生成”。 3.生成船体外表面 本文使用的船舶钢板厚度都是一样的，可将上层建筑与船体一起定义。倘若船体各处钢板厚度不同，计算过程中可分别定义各钢板的厚度。 (1)布尔并运算：点击“Create”→“Boolean”，在“DetailView”窗口Operation选项中选择Unite项，“Tool Bodies”选择上层建筑生成的船舱部分，然后点选“生成”。 (2)生成船体表面：选中(1)中生成的体，然后抽壳，保留全部外表面，厚度设置为0。抽壳后将在图4所示的蓝色区域内产生甲板大开口状，需要补上去。 (3)补全甲板：点击“Concept”→“Surfaces From Edges”，选中图4所示蓝色线条位置处的4条边，然后生成1个面。 图4抽壳后甲板位置有开口 4.在船体骨架位置处生成边 船体是一个板架结构，除了钢板之外还应该有骨架。有限元模型中骨架必须位于船体板上，以免计算时骨架与板分离造成计算结果错误。为了保证模型的骨架位于船体板上，需要在船体板上添加边(edges)，以便在边上生成骨材(LineBody)。

由惠更斯原理可以解释反射定律和折射定律

由惠更斯原理可以解释反射定律和折射定律，并给出n 的物理意义 两种媒质 媒质1、媒质2，这是两种媒质的分界面 一束平行光（光线为1、2、3〃〃〃〃n ）从媒质1射向媒质2，光线1、2、3〃〃〃n 分别交界面于A 1B 2B 3···B n 过A 1作平行光的波面，交光线于A 2A 3···A n 当光线1→到达A 1同时 光线2→到达A 2 光线3→到达A 3 光线n →到达A n 而光线2还要经 12 22V B A t = 时间才能到达B 2 光线3还要经 13 33V B A t = 时间才能到达B 3 …………………………………………… 光线n 还要经 V B A t n n n = 时间才能到达B n V 1为光波在媒质1中的波速，设在媒质2中波速为V 2 每条光线到达分界面上时，都同时发射两个次波。反射次波和折射次波 反射次波——向媒质1内发射反射次波 当光线n 到达B n 点时，A 1点发出的反射次波波面和透射次波波面分别是以V 1t n V 2t n 半径的半球面。 B 2点发出的反射次波波面和透射次波波面分别是以V 1（t n -t 2），V 2（t n -t 2）为半径的半球面。 光线 所有时间 到达点 反射波波面半径 透射波波面半径 1→A １ 0 A 1 V 1t n V 2t n 2→A 2 12 22V B A t = B 2 V 1(t n -t 2) V 2(t n -t 2)

3→A 3 13 33V B A t = → B 3 V 1(t n -t 3) V 2(t n -t 3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . n →A n V B A t n n n = → B n 0 0 这些次波面一个比一个小，直到B n 处缩成一个点。 按惠更斯原理： 这一时刻总扰动的波面是这些次波面的包络面 反射次波和透射次波总扰动的波面是这些次波的波面的包络面，且包络面是通过B n 点的平面。 设反射波总扰动的波面与各次波面相切于C 1C 2C 3···C n 透射波总扰动的波面与各次波面相切于D 1D 2D 3〃〃〃D n 连接次波源与切点，即得总扰动的波线 即反射光线A 1C 1 B 2C 2〃〃〃 透射光线A 1D 1 B 2D 2〃〃〃 （折射光线） 下面证明∵A 1C 1=A n B n A 1B n 公共 ∴RT ΔA 1C 1B n ≌RT ΔA 1A n B n ∴∠A n A 1B n =∠A 1B n C 1 又 ∴∠A n A 1B n =i 1 ,∠A 1B n C 1=i 11 ∴i 1=i 11 反射定律

基于ANSYS的圣维南原理数值验证

基于ANSYS 的圣维南原理数值验证 谢友增 （航空工程学院 航空宇航制造工程 1201041） 一 引言 在轴向拉伸或压缩时，可以假设：变形前原为平面的横截面，变形后仍保持为平面且仍垂直于轴线。根据这一平面假设，可以推断，杆件所有纵向纤维的伸长或压缩是相等的，因此各纵向纤维的受力是一样的。我们得到，横截面上各点应力σ相等，于是得到 N A F σ= （1.1） 式中：N F —轴力 A —横截面积 若以集中力作用于杆件端面上，则集中力作用点附近区域内的应力分布比较复杂，公式（1.1）只能计算这个区域内横截面上的平均应力，不能描述作用点附近的真实情况。这就引出，端截面上外力作用方式不同，将有多大影响的问题。实际上，在外力作用区域内，外力分布方式有各种可能。例如在图1a 和b 中，钢索和拉伸试样上的拉力作用方式就是不同的。不过，如用与外力系静力等效的合力来代替原力系。则除在原力系作用区域内有明显差别外，在离外力系作用区域略远处（例如，距离约等于截面尺寸处），上述代替的影响就非常微小，可以不计。这就是圣维南原理。根据这一原理，图1a 和b 所示杆件虽上端外力的作用方式不同，但可用其合力代替，这就简化成相同的计算简图（图1c ）。在距离端截面略远处都可以用公式（1.1）计算应力。 图1 外力作用方式不同的杆件 圣维南原理提出至今已有一百多年的历史，虽然还没有确切的数学表示和严格的理论证明，但无数的实际计算和实验测量都证实了它的正确性。本文将利用ANSYS 软件，通过对实例模型的数值分析计算，证明圣维南原理。选择建立一个二维平面模型作为研究对象，然后对此模型进行数值证明。分别对平面模型两端施加均布载荷，以及与此集中力静力等效的集中力载荷。绘制应力图以及路径图，

最大熵原理在气象学中的应用

第六章最大熵原理在气象学中的应用 上一章我们把熵原理作了简要介绍，并附带提及了它在一些领域的应用。由于熵原理的普遍的适用性，因而认真分析它在气象上的应用潜力是十分值得的。很显然，用熵原理说明的气象学中的问题越多，不仅越加显示熵原理的重要性，显示宇宙真理的统一性，而且也为气象学找到了新的理论武器，而这势必也提高了气象学的科学性和实用性。 在这一章我们就重点讨论最大熵原理怎样应用于各种气象问题之中，以及由此得出的结果。把最大熵原理用于说明气象现象大致包含如下步骤： ◆首先把气象问题归结为某种分布函数(这在第二章 已列出约30个分布函数的个例)。 ◆找出形成上述分布函数的物理(气象)过程中有哪些 重要的约束条件。 ◆从物理(气象)过程含有随机性引出对应的熵达到极 大值(即随机性导致最混乱)。 ◆进行数学处理，从熵理论导出分布函数。 ◆用实际资料验证理论结果(如不符，可再重复上述过 程)。 后边的介绍就是把上述步骤分别用于各个具体的气象分布问题中，并从中逐步加深对最大熵原理的认识。 另外，从70年代以来Paltridge[1]等人从热力学熵平衡角度研究地球纬圈上的气温分布的工作，也应属于试着用熵原理的一种事例。这个工作中尽管在原理上尚有不清楚之处，但其结果与实况的一致性和引用极值原理都是很有意义的。鉴于汤懋苍[2]近年对此已有介绍，我们这里就不再评述

了。 顺便指出，早在上世纪，从力学中发展起来的最小作用原理就从力学领域体现了自然界遵守某种极值原理的精神。 在气象界，罗伦茨[3]在60年代就设想大气也应当遵守某种极值原理。而我们指出有一些气象分布函数可以从熵达极大的角度推导出来，这可以看成是罗伦茨思想从统计角度(非决定论角度)的具体体现。 所以，最大熵原理在气象学中的应用不仅应看作是随机论(非决定论)的胜利，也应当看成广义的极值原理的胜利。 §1 大气的温度场和气压场 从最大熵原理出发，很容易说明大气中的温度场和气压场的分布。在第二章第4节我们已经论证了大气的温度场和气压场的分布。对气压场，我们从简单的分析得出它应是均匀分布，对温度场则从平均图上得出其分布也是均匀分布。这就是说，如果从大气中纯随机地抽取一个空气样品，则其气压(气温)为各种可能值的出现概率都是相等的，或者说各种可能的气压(温度)占有的大气质量是一样的。图2．5 就是其代表。 大气温度为什么恰为均匀分布(它竟然遵守如此简单的分布，确实有些出人意料！）? 形成现今温度分布的原因当然是太阳辐射和大气的对外辐射，这使我们想到如图6．1的极简单的模型。图的左侧有一高温的恒定热源，其温度为T1，左侧有一低温的恒定热汇，其温度为T0。介质处于T1和T0两个温度之间，它的温度在各处不会都是T1或T0，从而构成了一个温度场。如果介质仅能从左右两端吞吐热量而其他界面与外界绝缘，那么介质中的温度场理应会形成如图所示的等温线呈均匀分布之形状。此时介质上的温度分布函数应为均匀分布，对此我们也可以从解热传导方程中得出来。

什么是圣维南原理及如何证明

弹塑性力学作业 孙嘉粲建筑与土木工程2017级3班学号2170970036 Q1：什么是圣维南原理？ Q2：为什么需要圣维南原理？ Q3：如何证明圣维南原理是正确的？ Q1：什么是圣维南原理？ 答：圣维南原理（Saint Venant’s Principle）是弹性力学的基础性原理，是法国力学家圣维南于1855年提出的。 其内容是：分布于弹性体上一小块面积（或体积）内的荷载所引起的物体中的应力，在离荷载作用区稍远的地方，基本上只同荷载的合力和合力矩有关；荷载的具体分布只影响荷载作用区附近的应力分布。 还有一种等价的提法：如果作用在弹性体某一小块面积（或体积）上的荷载的合力和合力矩都等于零，则在远离荷载作用区的地方，应力就小得几乎等于零。不少学者研究过圣维南原理的正确性，结果发现，它在大部分实际问题中成立。因此，圣维南原理中“原理”二字，只是一种习惯提法。有限元软件的模拟验证了这一点，如图1所示。 == 图1 有限元计算得到的柱体在不同应力边界下得到的应力分布图

Q2：为什么需要圣维南原理？ 问题的提出：弹性力学问题的求解是在给定的边界条件下求解基本方程。使应力分量、应变分量、位移分量完全满足8个基本方程相对容易。但对于工程实际问题，构件表面面力或者位移是很难满足边界条件要求。这使得弹性力学解的应用将受到极大的限制。 为了扩大弹性力学解的适用范围，放宽这种限制，圣维南提出了局部影响原理。 圣维南原理的应用： 对复杂的力边界，用静力等效的分布面力代替。有些位移边界不易满足时，也可用静力等效的分布面力代替。不论在弹性力学中还是在有限元中都广泛灵活的应用圣维南原理来处理和简化边界条件。 值得注意的是：圣维南原理只能适用于一小部分边界（小边界：尺寸相对很小的边界；次要边界：面力分布复杂的小边界）。对于主要边界，圣维南原理不再适用。例如对于较长的粱，其端部可以应用圣维南原理，而在粱的侧面，则不能应用。 Q3：如何证明圣维南原理是正确的？ 见附录1《圣维南原理证明》

熵最大原理

一、熵 物理学概念 宏观上：热力学定律——体系的熵变等于可逆过程吸收或耗散的热量除以它的绝对温度（克劳修斯，1865） 微观上：熵是大量微观粒子的位置和速度的分布概率的函数，是描述系统中大量微观粒子的无序性的宏观参数（波尔兹曼，1872） 结论：熵是描述事物无序性的参数，熵越大则无序。 二、熵在自然界的变化规律——熵增原理 一个孤立系统的熵，自发性地趋于极大，随着熵的增加，有序状态逐步变为混沌状态，不可能自发地产生新的有序结构。 当熵处于最小值, 即能量集中程度最高、有效能量处于最大值时, 那么整个系统也处于最有序的状态,相反为最无序状态。 熵增原理预示着自然界越变越无序 三、信息熵 （1）和熵的联系——熵是描述客观事物无序性的参数。香农认为信息是人们对事物了解的不确定性的消除或减少，他把不确定的程度称为信息熵（香农，1948 ）。 随机事件的信息熵：设随机变量ξ，它有A1，A2，A3，A4，……，An共n种可能的结局，每个结局出现的概率分别为p1，p2，p3，p4，……，pn，则其不确定程度，即信息熵为 （2）信息熵是数学方法和语言文字学的结合。一个系统的熵就是它的无组织程度的度量。熵越大，事件越不确定。熵等于0，事件是确定的。 举例：抛硬币， p（head）=0.5，p（tail）=0.5 H（p）=-0.5log2（0.5）+（-0.5l og2（0.5））=1 说明：熵值最大，正反面的概率相等，事件最不确定。 四、最大熵理论 在无外力作用下，事物总是朝着最混乱的方向发展。事物是约束和自由的统一体。事物总是在约束下争取最大的自由权，这其实也是自然界的根本原则。在已知条件下，熵最大的事物，最可能接近它的真实状态。

圣维南原理证明

有限元圣维南原理简述 圣维南原理（Saint Venant ’s Principle ）是弹性力学的基础性原理，是法国力学家圣维南于1855年提出的。其内容是：分布于弹性体上一小块面积（或体积）内的荷载所引起的物体中的应力，在离荷载作用区稍远的地方，基本上只同荷载的合力和合力矩有关；荷载的具体分布只影响荷载作用区附近的应力分布。还有一种等价的提法：如果作用在弹性体某一小块面积（或体积）上的荷载的合力和合力矩都等于零，则在远离荷载作用区的地方，应力就小得几乎等于零。不少学者研究过圣维南原理的正确性，结果发现，它在大部分实际问题中成立。因此，圣维南原理中“原理”二字，圣维南原理（Saint-Venant ’s Principle ）表述如下：如果把物体的一小部分边界上的面力，变换为分布不同但静力等效的面力（主矢量相同，对于同一点的主矩也相同），那么，近处的应力分布将有显著的改变，但是远处所受的影响可以不计。 圣维南原理是弹性力学的基础性原理，圣维南原理的证明一直是弹性力学重要的研究课题，在此通过ANSYS 软件工具，进行该原理的证明。 2. ANSYS 证明 当物体一小部分边界上的位移边界条件不能满足时，也可以应用圣维南原理得到用用的解答。例如，图1，2 所示构建的右端是固定端，则在该构件的右端，有边界条件()0,()0s s u u v v ====。这就是说，右端固定端的面力，静力等效于经过右端截面形心的力F 。结果仍然应该是在靠近两端处有显著的误差，而在离两端较远之处，误差是可以不计的。 考虑到在ANSYS 中建立约束条件的可行性，采用具有代表性的进行建模分析。 图1

光的衍射及其应用

光的衍射及其应用 摘要：光在传播的过程中能绕过障碍物边缘，偏离直线传播，而进入几何阴影，并出现光强分布不均匀的现象称为光的衍射。光波的波长比声波的波长短很多，这也是为什么人们最先意识到声波的衍射而往往把光波的衍射当成直线的传播，直到1814年，法国物理学家费涅尔注意到光在传播过程中，遇到障碍物，并且障碍物的线度和光的波长可以比拟时，就会出现偏离原来直线传播的路径，在障碍物背后本该出现阴影的地方出现亮纹，而在本该亮的地方出现暗纹的现象，才有了今天的光的衍射并加以研究。 关键词：费涅尔，惠更斯原理，惠更斯—费涅尔原理，柏松亮点，夫琅和费单缝衍射。 一、常见衍射实验的分析。 最常见的光的衍射实验就是单缝衍射和圆孔衍射两种。 单缝衍射即是用一束平行光射到单缝上，在紧贴单缝后放一面凸透镜，注意单缝要很窄，因为要保证光波的波长与狭缝的宽度可比拟，然后在透镜的焦点出放一白板，则可以看到明暗相间的的条纹。这就是光的衍射。 圆孔衍射就是将单缝换成圆孔，当然一样要保证圆孔的直径大小与光的波长可比拟，则可以在物板上看到中间是亮斑而周围是亮环的图形。 上面两个实验我们在高中的就接触过，但没有在单缝或是圆孔后面加一个透镜，而现在，将圆孔后的透镜移走，则可以看到明暗相间的同心圆。 而如果把圆孔换成圆板，当圆板的大小远远大于光的波长时，只能看见物屏上的圆形阴影，而渐渐减小圆环的大小，则可以在圆板大小与光波波长可比拟时看到“柏松亮点”，即在圆形阴影中心的亮点，而圆形的阴影周围是明暗相间的同心圆。 总结以上实验可知：光波在哪个方向受限制，就往哪个方向衍射；当障碍物的大小与光波的波长可比拟时，光的衍射现象最明显；光具有波动性（类比声波）。 如果说上述的实验是光的衍射实验的入门，那么夫琅和费单缝衍射则是光的衍射实验中最常见的仪器。它与之前用的仪器最大的不同就是光源和衍射场到物屏的距离都是无限远，听起来向无法实现似的，但这实质上只是想把入射的光线看成是平行光且在无限远处相干叠加兵形成衍射。其实验装置是一束平行光射在小圆孔s上，再经凸透镜变成，垂直于单缝的光线，光线射到单缝上，根据惠更斯—费涅尔原理，单缝上每一个点都是子波波源，发出衍射波，它们相干叠加形成明暗相间的衍射图样，也

弹性力学论文：关于圣维南原理的数值计算

关于圣维南原理的数值计算——基于艾里应力函数的平面应力问题的差分解法 摘要 本文通过应力函数的方法，结合数值方法，求解受端部集中力作用下的平板拉伸问题，评估基于圣维南原理的解与数值解相比带来的误差及其分布，并将此与J.N. Goodier的理论分析对比。 关键词 弹性力学，圣维南原理，平面应力问题，有限差分法

0引言 圣维南原理（局部性原理）是弹性力学的一般原理之一，常用于在边界力系无法精确描述时的等效替代，其一种表述[1]为：“若把作用在物体局部边界上的面力，用另一组与它静力等效（即有相同的主矢量和主矩）的力系来替代，则在力系作用区域的附近应力分布将有明显的改变，但在远处所受的影响可以不计”。 作为一条经验定理[5]，这一原理的提出为材料力学和弹性力学问题的求解提供了大量的便利，但是对于这一原理的精确度，直到1937年，J.N. Goodier才从理论的角度给出评估，他指出圣维南原理的影响范围和外力作用的区域大致相近。 本文将以平面应力问题为例，借助数值计算的方法对比圣维南原理简化前与简化后的计算结果，验证Goodier对于圣维南原理影响范围的理论值，并给出在不同精度要求下的影响范围的精确结果。 1问题的描述 考虑长方形平板的拉伸问题。如下图所示，长度为a，宽度为b，在两边中点施加大小为F的集中点力。 2方程的建立 2.1解法的选择 应力解法和位移解法是弹性力学中的两种基本方法。在平面问题中，应力解法可以通过应力函数的引入，将问题归结为关于应力函数的双调和方程的边值问题，与位移解法的偏微分方程组相比，更加适用于解析求解。但是对于多连体问题，位移解法涉及到衔接条件的引入，会使问题更加复杂[3]。 但是本题只涉及到简单的单连通体，所以选择应力函数的求解方式。若将应力函数记为 ，那么双调和方程可以写成。

《光学基础学习知识原理与应用》之双折射基础学习知识原理及其应用

双折射原理及应用 双折射（birefringence）是光束入射到各向异性的晶体，分解为两束光而沿不同方向折射的现象。它们为振动方向互相垂直的线偏振光。当光射入各向异性晶体(如方解石晶体)后，可以观察到有两束折射光，这种现象称为光的双折射现象。两束折射线中的一束始终遵守折射定律这一束折射光称为寻常光，通常用o表示，简称o光；另一束折射光不遵守普通的折射定律这束光通常称为非常光，用e表示，简称e光。晶体内存在着一个特殊方向，光沿这个方向传播时不产生双折射，即o光和e光重合，在该方向o光和e光的折射率相等，光的传播速度相等。这个特殊的方向称为晶体的光轴。光轴”不是指一条直线，而是强调其“方向”。晶体中某条光线与晶体的光轴所组成的平面称为该光线的主平面。o光的主平面，e光的光振动在e光的主平面内。 如何解释双折射呢？惠更斯有这样的解释。1．寻常光（o光）和非常光（e光）一束光线进入方解石晶体（碳酸钙的天然晶体）后，分裂成两束光能，它们沿不同方向折射，这现象称为双折射，这是由晶体的各向异性造成的。除立方系晶体（例如岩盐）外，光线进入一般晶体时，都将产生双折射现象。显然，晶体愈厚，射出的光束分得愈开。当改变入射角i时，o光恒遵守通常的折射定律，e光不符合折射定律。2．光轴及主平面。改变入射光的方向时，我们将发现，在方解石这类晶体内部有一确定的方向，光沿这个方向传播时，寻常光和非常光不再分开，不产生双折现象，这一方向称为晶体的光轴。

天然的方解石晶体，是六面棱体，有八个顶点，其中有两个特殊的顶点A和D，相交于A、D两点的棱边之间的夹角，各为102°的钝角．它的光轴方向可以这样来确定，从三个钝角相会合的任一顶点（A或D）引出一条直线，使它和晶体各邻边成等角，这一直线便是光轴方向。当然，在晶体内任何一条与上述光轴方向平行的直线都是光轴。晶体中仅具有一个光轴方向的，称为单轴晶体（例如方解石、石英等）。有些晶体具有两个光轴方向，称为双轴晶体（例如云母、硫磺等）。在晶体中，我们把包含光轴和任一已知光线所组成的平面称为晶体中该光线的主平面，就是o光的主平面；由e光和光轴所组成的平面，就是e光的主平面。 下面通过离子来说明。取一块冰洲石(方解石的一种，化学成分是CaCO3),放在一张有字的纸上，我们将看到双重的像。平常我们把一块厚玻璃砖在字纸上，我们只看到一个像，这个像好象比实际的物体浮起了一点，这是因为光的折射引起的，折射率越大，像浮起来的高度越大，我们可以看到，在冰洲石内的两个像浮起的高度是不同的，这表明，光在这种晶体内成了两束，它们的折射程度不同。这种现象叫做双折射。 下面我们通过一系列实验来说明双折射现象的特点和规律。 1、o光和e光： 如下图，让一束平等的自然光束正入射在冰洲石晶体的一个表面上，我们就会发现光束分解成两束。按照光的折射定律，正入射时光线不应偏折。而上述两束折射光中的一束确实在晶体中沿原方向传

注册岩土工程师考试介绍、科目及内容

注册岩土工程师考试介绍 我国注册岩土工程师考试分两阶段进行： 第一阶段是基础考试，在考生大学本科毕业后按相应规定的年限进行，其目的是测试考生是否基本掌握进入岩土工程实践所必须具备的基础及专业理论知识； 第二阶段是专业考试，在考生通过基础考试，并在岩土工程工作岗位实践了规定年限的基础上进行，其目的是测试考生是否已具备按照国家法律、法规及技术规范进行岩土工程的勘察、设计和施工的能力和解决实践问题的能力。基础考试与专业考试各进行一天，分上、下午两段，各4个小时。 基础考试为闭卷考试，上午段主要测试考生对基础科学的掌握程度，设120道单选题，每题1分，分9个科目：高等数学、普通物理、理论力学、材料力学、流体力学、建筑材料、电工学、工程经济，下午段主要测试考生对岩土工程直接有关专业理论知识的掌握程度，设60道题，每题2分，分7个科目：工程地质、土力学与地基基础、弹性力学结构力学与结构设计、工程测量、计算机与数值方法、建筑施工与管理、职业法规。 专业考试的专业范围包括：工程地质与水文地质、结构工程和岩土工程，上午段共设有7个科目，1、岩土工程勘察；2、浅基础；3、深基础；4、地基处理；5、土工结构、边坡、基坑与地下工程；6、特殊条件下的岩土工程；7、地震工程。每个科目1道作业题，12分，从这7个科目中选择4个科目进行考试，共计48分。下午段除了上述科目外，另增加工程经济与管理科目，每个科目包括8道单选题，每题1分，从这8个科目中选择6个科目进行考试，共计48分。 考试内容 基础部分 一、高等数学 1.1 空间解析几何向量代数直线平面旋转曲面二次曲面空间曲线 1.2 微分学极限连续导数微分偏导数全微分导数与微分的应用 1.3 积分学不定积分定积分广义积分二重积分三重积分平面曲线积分积分应用 1.4 无穷级数数项级数不清幂级数泰勒级数傅立叶级数 1.5 常微分方程可分离变量方程一阶线性方程可降解方程常系数线性方程 1.6 概率与数理统计随机事件与概率古典概率一维随机变量的分布和数字特征数理统计的基本概念参数估计假设检验方差分析一元回归分析 1.7 向量分析 1.8 线性代数行列式矩阵n维向量线性方程组矩阵的特征值与特征向量二次型 二、普通物理 2.1 热学气体状态参数平衡态理想气体状态方程理想气体的压力和温度的统计解释能量按自由度均分原理理想气体内能平均碰撞次数和平均自由程麦克思韦速率分布率功热量内能热力学第一定律及其对理想气体等值过程和绝热过程的应用气体的摩尔热容循环过程热机效率热力学第二定律及其统计意义可逆过程和不可逆过程 2.2 波动学机械波的产生和传播简谐波表达式波的能量驻波声波声速超声波次声波多普勒效应 2.3 光学相干光的获得杨氏双缝干涉光程薄膜干涉迈克尔逊干涉仪惠更斯—菲涅

最大熵原理及其应用

论文名称：最大熵原理及其应用班级：13级通信工程班 专业：通信工程 学号： 学生姓名：指导老师： 时间：2015年11月8日 摘要 熵是源于物理学的基本概念，后来Shannon在信息论中引入了信息熵的概念，它在统计

物理中的成功使人们对熵的理论和应用有了广泛和高度的重视。最大熵原理是一种在实际问题中已得到广泛应用的信息论方法。本文从信息熵的概念出发，对最大熵原理做了简要介绍，并论述了最大熵原理的合理性，最后提及它在一些领域的应用，通过在具体例子当中应用最大熵原理，展示该原理的适用场合，以期对最大熵原理及其应用有更深刻的理解。 关键词：熵；信息熵；最大熵原理；不适定性问题 引言 科学技术的发展使人类跨入了高度发展的信息化时代。在政治、军事、经济等各个领域，信息的重要性不言而喻，有关信息理论的研究正越来越受到重视，信息论方法也逐渐被广泛应用于各个领域。 信息论一般指的是香农信息论，主要研究在信息可以度量的前提下如何有效地、可靠地、安全地传递信息，涉及消息的信息量、消息的传输以及编码问题。1948年C.E.Shannon 为解决通信工程中不确定信息的编码和传输问题创立信息论，提出信息的统计定义和信息熵、互信息概念，解决了信息的不确定性度量问题，并在此基础上对信息论的一系列理论和方法进行了严格的推导和证明，使以信息论为基础的通信工程获得了巨大的发展。信息论从它诞生的那时起就吸引了众多领域学者的注意，他们竞相应用信息论的概念和方法去理解和解决本领域中的问题。近年来，以不确定性信息为研究对象的信息论理论和方法在众多领域得到了广泛应用，并取得了许多重要的研究成果。迄今为止，较为成熟的研究成果有:A.N.Kolmogorov在1956年提出的关于信息量度定义的三种方法——概率法，组合法，计算法；A.N.Kolmogorov在1968年阐明并为J.Chaitin在1987年系统发展了的关于算法信息的理论。这些成果大大丰富了信息理论的概念、方法和应用范围。 在信息论中，最大熵的含义是最大的不确定性，它解决的一大类问题是在先验知识不充分的条件下进行决策或推断等。熵方法在谱估计、图象滤波、图象重建、天文信号处理、专家系统等中都有广泛的应用。最大熵原理在实际问题中的应用近年来一直在不断地发展。 1.信息熵的概念 信息熵是将熵概念成功地扩展到信息科学领域。熵是描述客观事物无序性的参数，它最早是由R.Clausius于1865年引入热力学中的一个物理概念，通常称之为热力学熵。后来L.Boltzmann赋予熵统计意义上的解释，称之为统计热力学熵。1929年，匈牙利科学家

光的介绍

光的介绍 狭义来说，光学是关于光和视见的科学，optics(光学)这个词，早期只用于跟眼睛和视见相联系的事物。而今天，常说的光学是广义的，是研究从微波、红外线、可见光、紫外线直到X 射线的宽广波段范围内的，关于电磁辐射的发生、传播、接收和显示，以及跟物质相互作用的科学。 光学的发展简史 光学是一门有悠久历史的学科，它的发展史可追溯到2000多年前。 人类对光的研究，最初主要是试图回答“人怎么能看见周围的物体？”之类问题。约在公元前400多年(先秦的代)，中国的《墨经》中记录了世界上最早的光学知识。它有八条关于光学的记载，叙述影的定义和生成，光的直线传播性和针孔成像，并且以严谨的文字讨论了在平面镜、凹球面镜和凸球面镜中物和像的关系。 自《墨经)开始，公元11世纪阿拉伯人伊本·海赛木发明透镜；公元1590年到17世纪初，詹森和李普希同时独立地发明显微镜；一直到17世纪上半叶，才由斯涅耳和笛卡儿将光的反射和折射的观察结果，归结为今天大家所惯用的反射定律和折射定律。 1665年，牛顿进行太阳光的实验，它把太阳光分解成简单的组成部分，这些成分形成一个颜色按一定顺序排列的光分布——光谱。它使人们第一次接触到光的客观的和定量的特征，各单色光在空间上的分离是由光的本性决定的。 牛顿还发现了把曲率半径很大的凸透镜放在光学平玻璃板上，当用白光照射时，则见透镜与玻璃平板接触处出现一组彩色的同心环状条纹；当用某一单色光照射时，则出现一组明暗相间的同心环条纹，后人把这种现象称牛顿环。借助这种现象可以用第一暗环的空气隙的厚度来定量地表征相应的单色光。 牛顿在发现这些重要现象的同时，根据光的直线传播性，认为光是一种微粒流。微粒从光源飞出来，在均匀媒质内遵从力学定律作等速直线运动。牛顿用这种观点对折射和反射现象作了解释。 惠更斯是光的微粒说的反对者，他创立了光的波动说。提出“光同声一样，是以球形波面传播的”。并且指出光振动所达到的每一点，都可视为次波的振动中心、次波的包络面为传播波的波阵面(波前)。在整个18世纪中，光的微粒流理论和光的波动理论都被粗略地提了出来，但都不很完整。 19世纪初，波动光学初步形成，其中托马斯·杨圆满地解释了“薄膜颜色”和双狭缝干涉现象。菲涅耳于1818年以杨氏干涉原理补充了惠更斯原理，由此形成了今天为人们所熟知的惠更斯-菲涅耳原理，用它可圆满地解释光的干涉和衍射现象，也能解释光的直线传播。 在进一步的研究中，观察到了光的偏振和偏振光的干涉。为了解释这些现象，菲涅耳假定光是一种在连续媒质(以太)中传播的横波。为说明光在各不同媒质中的不同速度，又必须假定以太的特性在不同的物质中是不同的；在各向异性媒质中还需要有更复杂的假设。此外，还必须给以太以更特殊的性质才能解释光不是纵波。如此性质的以太是难以想象的。 1846年，法拉第发现了光的振动面在磁场中发生旋转；1856年，韦伯发现光在真空中的速度等于电流强度的电磁单位与静电单位的比值。他们的发现表明光学现象与磁学、电学现象间有一定的内在关系。 1860年前后，麦克斯韦的指出，电场和磁场的改变，不能局限于空间的某一部分，而是以等于电流的电磁单位与静电单位的比值的速度传播着，光就是这样一种电磁现象。这个结论在1888年为赫兹的实验证实。 然而，这样的理论还不能说明能产生象光这样高的频率的电振子的性质，也不能解释光的色散现象。到了1896年洛伦兹创立电子论，才解释了发光和物质吸收光的现象，也解

第二章第三节 惠更斯原理及其应用

第三节惠更斯原理及其应用 教学目标： 1.了解惠更斯原理，以及学会利用惠更斯原理求波阵面 2.了解波的反射现象，知道波的反射定律，并学会利用反射定律解释生活中的的相关现象 3.了解波的折射现象，学会应用惠更斯原理解释波的折射现象。 教学重难点： 重点：知道惠更斯原理，掌握博得反射定律，知道并理解波的折射 难点：应用惠更斯原理求波阵面，应用惠更斯原理解释波的折射。 教学过程： 引言：波在各向同性的均匀介质中传播时，波速、波振面形状、波的传播方向等均保持不变。但是，如果波在传播过程中遇到障碍物或传到不同介质的界面时，则波速、波振面形状、以及波的传播方向等都要发生变化，产生反射、折射、衍射、散射等现象。在这种情况下，要通过求解波动方程来预言波的行为就比较复杂了。惠更斯原理提供了一种定性的几何作图方法，在很广泛的范围内解决了波的传播方向等问题。 一、惠更斯原理 惠更斯(Christian Huygens，1629—1695) 惠更斯的力学研究成果很多。1656年制成了第一座机械钟。1673 年推算出了向心力定律。1678年他完成《光论》，提出了光的波动说， 建立了著名的惠更斯原理。惠更斯原理可以预料光的衍射现象的存在。 在数学方面：发表过关于计算圆周长、椭圆弧及双曲线的著作。 在天文学方面：研制和改进光学仪器上。他1665年发现了土星的 光环和木星的卫星(木卫六)。 1．前提条件 当波在弹性介质中传播时，介质中任一点P的振动，将直 接引起其邻近质点的振动。就P点引起邻近质点的振动而言， P点和波源并没有本质上的区别，即P点也可以看作新的波源。 例如，水面波传播时，遇到障碍物，当障碍物上小孔的大小与 波长相差不多时，就会看到穿过小孔后的波振面是圆弧形的， 与原来的波振面无关，就象以小孔为波源产生的波动一样。 2．惠更斯原理——是关于波面传播的理论 在总结这类现象的基础上，荷兰物理学家惠更斯于1678 年首先提出：介质中任一波面上的各点，都可看成是产生球面子波（或称为次波）的波源；在其后的任一时刻，这些子波的包络面就是新的波面。 3．用惠更斯原理来解释波动的传播方向 不论对机械波还是电磁波，也不论波动所 经过的介质是均匀的还是非均匀的，是各向同 性的还是各向异性的，惠更斯原理都是适用 的。只要知道某一时刻的波面与波速，就可以 根据惠更斯原理，用几何作图方法决定下一时 刻的波面，从而确定波的传播方向。