Interval computations in various direct and inverse applied mechanics problems related to quantifiers by using the method of quantifier elimination
Quantifier elimination offers an interesting computational tool in many research areas including applied mechanics long ago. For example, quantifier elimination was recently applied to the computation of ranges of functions in problems of applied mechanics. Here we modify this approach by using the...
Κύριος συγγραφέας: | |
---|---|
Άλλοι συγγραφείς: | |
Μορφή: | Technical Report |
Γλώσσα: | English |
Έκδοση: |
2020
|
Θέματα: | |
Διαθέσιμο Online: | http://hdl.handle.net/10889/13204 |
id |
nemertes-10889-13204 |
---|---|
record_format |
dspace |
institution |
UPatras |
collection |
Nemertes |
language |
English |
topic |
Intervals Interval analysis Interval variables/parameters Range Uncertainty Uncertain variables/parameters Beams Beams on elastic foundation Winkler foundation Deflection Vibration problems Damped harmonic oscillator Critical damping Quantifiers Universal quantifier Existential quantifier Quantified formulae Quantified/free variables Quantifier elimination Quantifier-free formulae Systems Input Output Control problem Tolerance problem Direct problems Inverse problems Symbolic computations Mathematica Διαστήματα Ανάλυση διαστημάτων Μεταβλητές/παράμετροι διαστήματος Πεδίο τιμών Αβεβαιότητα Αβέβαιες μεταβλητές/παράμετροι Δοκοί Δοκοί σε ελαστική βάση Θεμελίωση Winkler Βέλος κάμψεως Προβλήματα ταλαντώσεων Αρµονικός ταλαντωτής µε απόσβεση Κρίσιμη απόσβεση Ποσοδείκτες Καθολικός ποσοδείκτης Υπαρξιακός ποσοδείκτης Τύποι με ποσοδείκτες Μεταβλητές με ποσοδείκτες/ελεύθερες μεταβλητές Απαλοιφή ποσοδεικτών Τύποι χωρίς ποσοδείκτες Συστήματα Είσοδος Έξοδος Πρόβλημα ελέγχου Πρόβλημα ανοχής Ευθέα προβλήματα Αντίστροφα προβλήματα Συμβολικοί υπολογισμοί Mathematica |
spellingShingle |
Intervals Interval analysis Interval variables/parameters Range Uncertainty Uncertain variables/parameters Beams Beams on elastic foundation Winkler foundation Deflection Vibration problems Damped harmonic oscillator Critical damping Quantifiers Universal quantifier Existential quantifier Quantified formulae Quantified/free variables Quantifier elimination Quantifier-free formulae Systems Input Output Control problem Tolerance problem Direct problems Inverse problems Symbolic computations Mathematica Διαστήματα Ανάλυση διαστημάτων Μεταβλητές/παράμετροι διαστήματος Πεδίο τιμών Αβεβαιότητα Αβέβαιες μεταβλητές/παράμετροι Δοκοί Δοκοί σε ελαστική βάση Θεμελίωση Winkler Βέλος κάμψεως Προβλήματα ταλαντώσεων Αρµονικός ταλαντωτής µε απόσβεση Κρίσιμη απόσβεση Ποσοδείκτες Καθολικός ποσοδείκτης Υπαρξιακός ποσοδείκτης Τύποι με ποσοδείκτες Μεταβλητές με ποσοδείκτες/ελεύθερες μεταβλητές Απαλοιφή ποσοδεικτών Τύποι χωρίς ποσοδείκτες Συστήματα Είσοδος Έξοδος Πρόβλημα ελέγχου Πρόβλημα ανοχής Ευθέα προβλήματα Αντίστροφα προβλήματα Συμβολικοί υπολογισμοί Mathematica Ioakimidis, Nikolaos Interval computations in various direct and inverse applied mechanics problems related to quantifiers by using the method of quantifier elimination |
description |
Quantifier elimination offers an interesting computational tool in many research areas including applied mechanics long ago. For example, quantifier elimination was recently applied to the computation of ranges of functions in problems of applied mechanics. Here we modify this approach by using the existential quantifier instead of the universal quantifier in the quantified formulae. This approach permits the reduction (by two) of the number of free variables. Yet, what is more important is that here we also extend this method based on quantifier elimination from the purely existential case to the mixed universal–existential case. The latter case is related to the classical interval tolerance and control problems so popular in interval analysis. Among the few implementations of quantifier elimination (in classical real analysis) in computer algebra systems again we selected the computer algebra system Mathematica for use in the present computations because it seems to offer the most efficient and user-friendly related implementation. Three applied mechanics problems are studied in detail: (i) a classical beam problem (beam fixed–simply-supported at its ends) under a uniform loading, (ii) a problem of a beam on a Winkler elastic foundation and (iii) the problem of free vibrations of the classical damped harmonic oscillator under critical damping. In these three problems, several quantified formulae were considered (of course, under appropriate assumptions) and the related QFFs (quantifier-free formulae) were easily derived. Moreover, the cases of (i) three interval variables and no parameter in the QFF, (ii) two interval variables and one parameter in the QFF and (iii) one interval variable and two parameters in the QFF were studied. |
author2 |
Ιωακειμίδης, Νικόλαος |
author_facet |
Ιωακειμίδης, Νικόλαος Ioakimidis, Nikolaos |
format |
Technical Report |
author |
Ioakimidis, Nikolaos |
author_sort |
Ioakimidis, Nikolaos |
title |
Interval computations in various direct and inverse applied mechanics problems related to quantifiers by using the method of quantifier elimination |
title_short |
Interval computations in various direct and inverse applied mechanics problems related to quantifiers by using the method of quantifier elimination |
title_full |
Interval computations in various direct and inverse applied mechanics problems related to quantifiers by using the method of quantifier elimination |
title_fullStr |
Interval computations in various direct and inverse applied mechanics problems related to quantifiers by using the method of quantifier elimination |
title_full_unstemmed |
Interval computations in various direct and inverse applied mechanics problems related to quantifiers by using the method of quantifier elimination |
title_sort |
interval computations in various direct and inverse applied mechanics problems related to quantifiers by using the method of quantifier elimination |
publishDate |
2020 |
url |
http://hdl.handle.net/10889/13204 |
work_keys_str_mv |
AT ioakimidisnikolaos intervalcomputationsinvariousdirectandinverseappliedmechanicsproblemsrelatedtoquantifiersbyusingthemethodofquantifierelimination AT ioakimidisnikolaos ypologismoidiastēmatōnsediaphoraeutheakaiantistrophaproblēmatatēsepharmosmenēsmēchanikēsschetizomenameposodeikteschrēsimopoiōntastēmethodotēsapaloiphēsposodeiktōn |
_version_ |
1771297297459576832 |
spelling |
nemertes-10889-132042022-09-05T20:15:00Z Interval computations in various direct and inverse applied mechanics problems related to quantifiers by using the method of quantifier elimination Υπολογισμοί διαστημάτων σε διάφορα ευθέα και αντίστροφα προβλήματα της εφαρμοσμένης μηχανικής σχετιζόμενα με ποσοδείκτες χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της απαλοιφής ποσοδεικτών Ioakimidis, Nikolaos Ιωακειμίδης, Νικόλαος Intervals Interval analysis Interval variables/parameters Range Uncertainty Uncertain variables/parameters Beams Beams on elastic foundation Winkler foundation Deflection Vibration problems Damped harmonic oscillator Critical damping Quantifiers Universal quantifier Existential quantifier Quantified formulae Quantified/free variables Quantifier elimination Quantifier-free formulae Systems Input Output Control problem Tolerance problem Direct problems Inverse problems Symbolic computations Mathematica Διαστήματα Ανάλυση διαστημάτων Μεταβλητές/παράμετροι διαστήματος Πεδίο τιμών Αβεβαιότητα Αβέβαιες μεταβλητές/παράμετροι Δοκοί Δοκοί σε ελαστική βάση Θεμελίωση Winkler Βέλος κάμψεως Προβλήματα ταλαντώσεων Αρµονικός ταλαντωτής µε απόσβεση Κρίσιμη απόσβεση Ποσοδείκτες Καθολικός ποσοδείκτης Υπαρξιακός ποσοδείκτης Τύποι με ποσοδείκτες Μεταβλητές με ποσοδείκτες/ελεύθερες μεταβλητές Απαλοιφή ποσοδεικτών Τύποι χωρίς ποσοδείκτες Συστήματα Είσοδος Έξοδος Πρόβλημα ελέγχου Πρόβλημα ανοχής Ευθέα προβλήματα Αντίστροφα προβλήματα Συμβολικοί υπολογισμοί Mathematica Quantifier elimination offers an interesting computational tool in many research areas including applied mechanics long ago. For example, quantifier elimination was recently applied to the computation of ranges of functions in problems of applied mechanics. Here we modify this approach by using the existential quantifier instead of the universal quantifier in the quantified formulae. This approach permits the reduction (by two) of the number of free variables. Yet, what is more important is that here we also extend this method based on quantifier elimination from the purely existential case to the mixed universal–existential case. The latter case is related to the classical interval tolerance and control problems so popular in interval analysis. Among the few implementations of quantifier elimination (in classical real analysis) in computer algebra systems again we selected the computer algebra system Mathematica for use in the present computations because it seems to offer the most efficient and user-friendly related implementation. Three applied mechanics problems are studied in detail: (i) a classical beam problem (beam fixed–simply-supported at its ends) under a uniform loading, (ii) a problem of a beam on a Winkler elastic foundation and (iii) the problem of free vibrations of the classical damped harmonic oscillator under critical damping. In these three problems, several quantified formulae were considered (of course, under appropriate assumptions) and the related QFFs (quantifier-free formulae) were easily derived. Moreover, the cases of (i) three interval variables and no parameter in the QFF, (ii) two interval variables and one parameter in the QFF and (iii) one interval variable and two parameters in the QFF were studied. Η απαλοιφή ποσοδεικτών προσφέρει ένα ενδιαφέρον υπολογιστικό εργαλείο σε πολλές ερευνητικές περιοχές, που περιλαμβάνουν την εφαρμοσμένη μηχανική, εδώ και πολύ καιρό. Για παράδειγμα, η απαλοιφή ποσοδεικτών εφαρμόσθηκε πρόσφατα στον υπολογισμό πεδίων τιμών συναρτήσεων σε προβλήματα της εφαρμοσμένης μηχανικής. Εδώ τροποποιούμε αυτήν τη μέθοδο χρησιμοποιώντας τον υπαρξιακό ποσοδείκτη αντί για τον καθολικό ποσοδείκτη στους τύπους με ποσοδείκτες. Αυτή η μέθοδος επιτρέπει τη μείωση (κατά δύο) του αριθμού των ελεύθερων μεταβλητών. Εντούτοις, αυτό που είναι πιο σημαντικό είναι ότι εδώ επεκτείνουμε επίσης αυτήν τη μέθοδο, που βασίζεται στην απαλοιφή ποσοδεικτών, από την καθαρά υπαρξιακή περίπτωση στη μικτή καθολική–υπαρξιακή περίπτωση. Η τελευταία περίπτωση σχετίζεται με τα κλασικά προβλήματα ανοχής και ελέγχου διαστήματος που είναι τόσο δημοφιλή στην ανάλυση διαστημάτων. Μεταξύ των λίγων υλοποιήσεων της απαλοιφής ποσοδεικτών (στην κλασική πραγματική ανάλυση) σε συστήματα υπολογιστικής άλγεβρας και πάλι επιλέξαμε το σύστημα υπολογιστικής άλγεβρας Mathematica για χρήση στους παρόντες υπολογισμούς, επειδή αυτό φαίνεται να προσφέρει την πιο αποτελεσματική και φιλική στο χρήστη υλοποίηση. Εξετάζονται λεπτομερώς τρία προβλήματα της εφαρμοσμένης μηχανικής: (i) ένα κλασικό πρόβλημα δοκού (δοκός πακτωμένη–με απλή στήριξη στα άκρα της) υπό ομοιόμορφη φόρτιση, (ii) ένα πρόβλημα δοκού σε ελαστική θεμελίωση Winkler και (iii) το πρόβλημα των ελεύθερων ταλαντώσεων του κλασικού αρμονικού ταλαντωτή με απόσβεση υπό κρίσιμη απόσβεση. Σε αυτά τα τρία προβλήματα εξετάστηκαν αρκετοί τύποι με ποσοδείκτες (φυσικά υπό κατάλληλες υποθέσεις) και βρέθηκαν εύκολα οι σχετικοί τύποι χωρίς ποσοδείκτες. Επιπλέον μελετήθηκαν οι περιπτώσεις (i) τριών μεταβλητών διαστήματος και καμίας παραμέτρου στον τύπο χωρίς ποσοδείκτες, (ii) δύο μεταβλητών διαστήματος και μιας παραμέτρου στον τύπο χωρίς ποσοδείκτες και (iii) μιας μεταβλητής διαστήματος και δύο παραμέτρων στον τύπο χωρίς ποσοδείκτες. 2020-02-07T00:13:36Z 2020-02-07T00:13:36Z 2019-11-14 Technical Report http://hdl.handle.net/10889/13204 en application/pdf |