ลอการิทมิกธรรมชาติ

ปัจจัยพื้นฐานและการเปลี่ยนแปลงในเรื่องทรัพยากรก็ดี ในเรื่องการเจริญเติบโตก็ดี ล้วนแล้วแต่เป็นเรื่องของธรรมชาติ คนส่วนมากคุ้นเคยกับการเจริญเติบโตแบบเรื่อย ๆ หรืออย่างเชิงเส้น (linear) เช่น เด็กสูงขึ้นปีละ 5 เซนติเมตร คนประหยัดเก็บเงินสะสมไว้วันละ 5 บาท การเพิ่มเช่นนี้เป็นแบบเชิงเส้น แต่สภาพความเป็นจริงของธรรมชาติหาได้เป็นเช่นนั้นอย่างเดียวไม่ เพราะทุกสิ่งทุกอย่างเปลี่ยนแปลงในรูปแบบที่ไม่เชิงเส้น อัตราการเติบโตนี้เป็นการเพิ่มขึ้นแบบทบต้น เช่น เซลล์ของเชื้อโรค แบ่งตัวเองออกเป็นสองเซลล์ทุก ๆ สิบนาที ลองนึกดูว่าถ้าหากเป็นเช่นนี้ในเวลาอีก 10 ชั่วโมงต่อมาจะมีจำนวนเท่าไร การเพิ่มขึ้นเช่นนี้จะทำให้เกิดมีปริมาณมากมายมหาศาล แต่โดยธรรมชาติแล้ว จะต้องมีการรักษาสมดุลย หรือมีส่วนที่เข้ามาทำลาย

คราวนี้ลองดูว่า ถ้าเก็บเงินไว้ในกระปุกออมสิน ปีละ 10 บาท ตลอดต่อเนื่องทุกปี และอีกวิธีหนึ่ง นำเงิน 100 บาทไปสมทบได้ผลตอบแทนเป็นดอกเบี้ย 7 เปอร์เซ็นต์และทบต้น

คราวนี้เราลองดูว่า ถ้าต้องการควบคุมอุณหภูมิห้องให้ได้ 25 องศา แต่ขณะนี้อุณหภูมิยังอยู่ที่ 30 องศา เครื่องปรับอากาศจะต้องทำงาน ขณะแรกจะเดินเครื่องปรับอากาศเต็มที่ และจะคำนวณความต่างตลอดเวลา ถ้าอุณหภูมิห้องยังต่างจากอุณหภูมิที่ตั้งไว้ เครื่องปรับอากาศจะทำงานมากเป็นพิเศษ และจะลดลงเมื่ออุณหภูมิเข้าใกล้เป้าหมาย และจะเริ่มทำงานเพื่อควบคุมอุณหภูมิให้คงที่ การควบคุมในลักษณะนี้ ทำให้อุณหภูมิเปลี่ยนแปลงในลักษณะไม่เป็นเชิงเส้น

เราพิจารณาฟังก์ชันการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญ ลองพิจารณาฟังก์ชันการเปลี่ยนแปลงกับเวลาที่สำคัญ

ฟังก์ชันการเปลี่ยนแปลงแบบรูปไซน์

ที่เวลา  t = 0 เกิดการเปลี่ยนแปลงทันทีทันใดจาก 0 ---> 1 เราเรียกฟังก์ชัน unit step

ฟังก์ชันการเปลี่ยนแปลงกับเวลาแบบ เอ็กซ์โพเนนเชียล

ฟังก์ชันการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้มีลักษณะพิเศษเฉพาะตัว ซึ่งเราสามารถใช้หลักการทางคณิตศาสตร์ อธิบายได้

การเปลี่ยนแปลงแบบทันทีทันใด มีให้เห็นอยู่ทั่วไป เช่น การเปิดปิดสวิตช์ การเริ่มต้นทำงานใดอย่างทันทีทันใด

การเปลี่ยนแปลงที่สำคัญและใช้คณิตศาสตร์ในการอธิบาย และสามารถคำนวณหรือดำเนินการต่าง ๆ ในทางคณิตศาสตร์ได้ง่าย โดยเฉพาะรูปแบบ เอ็กซ์โพเนนเชียล และ ไซนูซอยดอล

---

ที่มา: รศ. ยืน ภู่วรวรรณ, สำนักบริการคอมพิวเตอร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์

ฟังก์ชันของ exponential

ฟังก์ชันของ exponential เป็นฟังก์ชันที่ใช้ได้ง่าย และยังเป็นธรรมชาติที่สามารถวิเคราะห์ได้ง่าย เพราะสามารถทำการ derivatives และ integrates ได้ง่าย

ฟังก์ชันอัตราการเจริญเติบโตหรือการเปลี่ยนแปลงแบบเอ็กซ์โพเนนเชียลที่น่าสนใจ คือ

x ( t )   =   A e^-t/T

เมื่อ	x ( t )	คือ ค่าผลลัพธ์ที่เวลา  t
	A	คือ ค่าสูงสุด หรือค่า x เมื่อ t = o
	e	คือ ฐานของลอการิทมิกธรรมชาติ = 2.71828
	T	คือ ค่าคงตัวของเวลา
	t	มีหน่วยเป็นวินาที

เมื่อทำให้สเกลสูงสุดเป็น 1 ได้กราฟ

x ( t )   =   e^-t/T

และค่า   T    นี้ เรียกว่า ค่าคงตัวเวลา ซึ่งถ้า   t  =  T   จะได้ค่า  e^-1 หรือ 1/2.718    ซึ่งมีค่าเท่ากับ   0.368 นั่นคือ เมื่อเวลาค่า  T  จะลดลงเหลือ  0.368 ของค่าสูงสุด และถ้า   t  =  2T,  3T,  4T  ...... ก็จะมีค่าเป็น e^-2,  e^-3 , e^-4,.........ซึ่งจะมีค่าเป็น    0.135,  0.0498,  0.0183  ตามลำดับ หากนำกราฟผลักกลับเป็น x ( t )   =   1   -   e^-t/T ผลลัพธ์ที่ได้จะเป็นดังกราฟ

---

ที่มา: รศ. ยืน ภู่วรวรรณ, สำนักบริการคอมพิวเตอร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์

---

ไซนูซอยดอล

ไซนูซอยดอลมีประโยชน์ได้มากมาย เพราะเป็นฟังก์ชันที่เป็นธรรมชาติ ตัวอย่างเช่น § ปรากฎการณ์ทางธรรมชาติ เช่นการแกว่งของลูกตุ้มนาฬิกา การเคลื่อนที่ของดาวเทียมรอบโลก § สัญญาณทางไฟฟ้ากระแสสลับ § สัญญาณอื่นที่เป็นรายคาบ ซึ่งสามารถใช้เทคนิคของอนุกรม แยกสัญญาณรายคาบนั้นออกเป็น สัญญาณรูปซายน์หลาย ๆ รูปประกอบกัน

รูปไซนูซอยดอลเขียนได้เป็น	เมื่อ
	x ( t )	เป็นค่าผลลัพธ์ที่ t ใด ๆ
	A	เป็นค่าสูง ที่เรียกว่า แอมปลิจูด
		เป็นความถี่เชิงมุม มีหน่วยเป็นเรเดียน<WBRต่อวินาที
	t	เป็นเวลา
		เป็นวัฎภาค หรือ phase angle   มีหน่วยเป็นเรเดียน

---

ที่มา: รศ. ยืน ภู่วรวรรณ, สำนักบริการคอมพิวเตอร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์

---

การแกว่งของลูกตุ้มนาฬิกา (simple pendulum)

พิจารณาลูกตุ้มที่ผูกติดกับเชือกเบา แล้วแกว่งไปมาในแนวดิ่งในทำนองเดียวกับการแกว่งของลูกตุ้มนาฬิกา โดยกำหนดให้

m เป็นมวลของลูกตุ้ม

L เป็นความยาวของเส้นเชือก

Q เป็นมุมที่เส้นเชือกทำกับแนวดิ่ง

จากรูปจะเห็นว่าในขณะที่ลูกตุ้มอยู่ในแนว กับแนวดิ่ง การขจัดจะเป็น x ซึ่งถ้า เป็นมุมเล็ก ๆ จะได้ว่า x = L ดังนั้นการขจัดของวัตถุอาจจะเขียนได้ว่าเป็น x หรือเป็น ก็ได้ เมื่อพิจารณาแรงน้ำหนัก mg ของลูกตุ้ม ก็สามารถแตกแรงนี้ออกเป็น 2 ส่วน คือ mgcos อยู่ในแนวเดียวกับเส้นเชือก และ mg sin ซึ่งอยู่ในแนวเส้นสัมผัส แรง mg sin นี่เองที่เป็นแรงดึงกลับที่กระทำต่อลูกตุ้ม

นั่นคือ แรงดึงกลับ = F = mg sin

ในขณะที่ ระยะทางของวัตถุ = x = LQ

ดังนั้น แรงดึงกลับจึงไม่แปรผันโดยตรงกับระยะทาง การแกว่งของลูกตุ้มนาฬิกาไม่น่าเป็น SHM แต่ถ้ามุม มีค่าน้อย ๆ จะได้ว่าในหน่วยเรเดียน

sin =

ดังนั้น แรงดึงกลับ = F = mg

ระยะทาง = x = LQ

จึงได้ว่า แรงดึงกลับเป็นสัดส่วนโดยตรงกับระยะทางแล้ว

นั่นคือ การแกว่งของลูกตุ้มนาฬิกาที่มีมุม น้อย ๆ จึงเป็น SHM

พิจารณาแรงดึงกลับ

F = mg

จากรูป เมื่อ น้อย ๆ จะได้

=

ดังนั้น F = mg

จากกฎข้อ 2 ของนิวตัน

F = ma

ดังนั้น ความเร่งของตุ้มนาฬิกา = a =

เนื่องจากการเคลื่อนที่ของลูกตุ้มเป็น SHM

ดังนั้น a = ²x

นั่นคือ ²x = g

หรือ ² =

=

โดย w เป็นความถี่เชิงมุม (angular frequency) = 2f

ดังนั้น = 2f =

f = = ความถึ่ของการแกว่งของลูกตุ้ม

T = = 2 = คาบของการแกว่งของลูกตุ้ม

---

ที่มา : นายณสรรค์ ผลโภค, นิตยสารเรียนดี ปี 2 ฉบับที่ 3.